子流域划分数量对流域分布式水文模型洪水模拟精度影响的定量评价

赵明明

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

子流域的划分是分布式水文模型建模的基础，对分布式水文模拟精度具有较为明显的影响。当前，关于子流域数量对分布式水文模型影响的研究大都采用定性描述为主的方式，而定量评价子流域划分数量对分布式水文模型研究还不多见，为此本文结合在辽宁地区应用较好的分布式水文模型SWAT模型[8]和TOPmodel模型[9]，重点探讨子流域划分数量对分布式水文模型模拟精度的影响。研究结果对于辽宁地区洪水分布式高精度模拟具有重要的参考价值。

1 研究方法及资料准备

1.1 研究方法

本文结合分布式水文模型SWAT模型和TOPmodel模型来分析子流域划分数量对分布式水文模型模拟精度的影响，考虑到SWAT模型和TOPmodel模型在国内应用成熟，其原理方程较多，本文不作为重点介绍，其模型原理可详见文献。本文结合两个分布式水文模型，分别设定相同参数和不同参数两种方案，以确定性系数、相关系数、径流深相对误差、洪峰相对误差四个指标来分析子流域划分数量下模型模拟的精度。

1.2 数据准备

模型需要准备的数据为水文数据、下垫面数据。水文数据为流域出口水文站实测数据，本文选择研究区域内2000—2012年实测水文数据，数据包括流域内降雨观测站数据、水文站实测流量数据。下垫面数据包含土壤类型、土地利用类型及数字高程数据，其中土壤类型数据采用分辨率为1∶1000000的全国土壤类型矢量数据，结合流域边界获取区域的土壤类型数据，如图1(b)所示；土地利用数据选用空间分辨率为30s的栅格数据，结合流域边界获取区域土地利用类型数据，如图1(c)所示；数字高程数据采用空间分辨率为30s的栅格数据，结合流域边界获取区域数字高程数据，如图1(a)所示。气象数据主要为最高、最低气温、平均风速以及太阳辐射数据。

2 研究成果

2.1 区域概况

本文以辽宁北部某区域为研究实例，该区域流域面积为453.8km2，属于典型中温带大陆性季风气候，区域多年平均降水量为700mm。不同子流域划分策略及面积阈值的设定结果见表1。

2.2 模型参数设置

首先需要对模型进行参数设置，结合两个模型已有的参数敏感性分析成果，分别对SWAT模型和TOPmodel模型进行了参数设置，参数设置结果见表2—3。

图1 区域下垫面数据

表1 不同子流域划分策略及面积阈值设定

表2 TOPMODEL模型参数率定成果

表3 SWAT模型参数率定成果

2.3 同一参数下不同子流域划分数目的模拟结果分析

以SWAT模型为例，为分析同一参数下不同子流域划分数目对各保障率流量模拟影响，结果见表4和图2。

表4 同一参数下不同子流域划分数目下各保障率下的流量模拟结果

图2 各保障率下子流域数目下的流量对比结果

从模拟结果可以看出：①在90%保证率情景下，子流域数目在0～35之间变幅，模拟流量经过一定子流域划分数目后，趋于稳定变化，在子流域面积阈值内，模型模拟流量总体低于实测流量；②在80%保证率情景下，子流域数目在0～35之间出现较为明显的波动变化，在35～80之间出现一定程度的稳定变化；③在60%的保证率情景下，子流域数目在0～35之间出现不规则的变幅，在整个子流域数目的变化过程中，模拟流量均低于实测流量；④在50%的保证率情景下，子流域数目在10～30之间出现变幅后，出现稳定变化，模拟流量总体低于实测流量，模拟流量占实测流量的45%；⑤在30%的保证率情景下，子流域数目在15～35之间变幅后，呈现稳定变化，模拟流量总体低于实测流量，占实测流量的35%；⑥在20%的保证率情景下，子流域数目在20～35之间流量变幅较为明显，而后同样出现明显的稳定变化，模拟流量进一步降低，占实测流量的20%。

2.4 同一参数下不同子流域划分数目模型模拟精度分析

对同一参数下不同子流域划分数目对两个分布式水文模型模拟精度进行定量分析，分析结果见表5—6和图3—4。

图3 子流域划分数目对TOPmodel模型模拟精度影响曲线

子流域数目模型精度评价指标确定性系数相关系数径流深误差/%洪峰误差啊/%00.710.68-5.35-4.28150.70.73-4.38-6.15250.720.59-5.47-5.12300.780.814.385.38350.810.856.217.25450.850.928.389.23500.790.849.4510.15600.770.8310.1211.52700.750.8211.2313.14800.770.8212.3413.14900.790.8212.3513.141000.770.8212.3613.141100.760.8212.3713.14

表6 不同参数下不同子流域划分数目对SWAT模型模拟精度分析结果

在相同参数下，通过设定不同子流域划分数目，定量分析子流域划分数目对两个分布式模拟精度指标的影响，从分析结果可看出，两个模型的模拟精度变化较为相似，即当子流域划分数目在25～40时，模型的各精度评价指标均有较为明显的变幅，模型确定性系数在0.70～0.85之间变幅，之后出现一定程度的稳定变幅趋势。这表明当子流域划分数目在25～40时，对模型影响程度最为敏感。在整个流量模拟过程中，径流深的相对误差出现一些负值，这主要是因为模型流量小于实测流量，当子流域数目较小时，在5～15之间变幅时，两个分布式模型对高流量模拟效果较好，而对于低流量模拟效果较差。在极端子流域划分数目下，如当子流域数目为1时，其模拟的确定性系数分别为0.70和0.69，而当子流域数目在110时，其模拟的确定性系数为0.81和0.76，因此在同一参数条件下，子流域划分数量在25～40之间时，对模拟结果影响较大。

图4 子流域划分数目对SWAT模型模拟精度影响曲线

3 结论

(1)在同一参数下，子流域划分数目对两个分布式水文模型确定性系数以及相关系数影响程度较低，而对径流深以及洪峰误差影响较为敏感。

(2)在同一参数下，子流域划分数目在0～20之间，对分布式水文模型的确定性系数及相关系数影响较高，而在25～40之间，对各精度指标均有较为明显影响。建议结合阈值范围将子流域划分数量确定在25～40之间较为适宜。

(3)在不同参数下，子流域数目对各精度指标影响相同，均呈现先增后减再稳定变化。