新安江模型在涢水流域的适用性研究

2022-04-20李俊辉

陕西水利 2022年2期

李俊辉

（湖北省随州市水文水资源勘测局,湖北随州 441300）

1 流域概况

涢水流域位于湖北省随州市,是随州市最大的河流。流域地貌复杂丰富,既有山地又有丘陵、平原,形成山脉与河流交错,山谷与坡地相衔,丘陵与平地呼应的特点。流域平均海拔133 m,干流河道坡度0.3‰,河流弯曲系数2.1,河网密度0.4 km/km2。流域内森林面积约占40%,水田、旱地约占30%,荒山坡地约占20%。该流域在随州市曾都区设有中上游控制站随州水文站,测验项目有降水、水位、水温、流量、水质等,该站以上流域面积3827 km2,1957 年后流域内先后建立5 个大型水库,总积水面积1030 km2,剩余面积2797 km2。流域剩余面积内依次设有大洪山、封江口、黑屋湾、环潭、均川、三里岗、尚家店、青苔镇、随州9 个雨量站。

2 研究方法

2.1 模型原理

三水源新安江模型总体划分为多个部分,各个部分可以进一步划分为多个层次[1],首先是蒸散发计算,具体可以将其分为三个层次,分别是上、下层以及深层；其次是产流计算部分,采用蓄满产流模型；第三是水源划分,一般分为三种径流,分别是地表、地下径流以及壤中流；第四是汇流计算,具体划分为两个阶段,分别是坡面汇流及河网汇流[2]。在汇流计算阶段可以采用线性水库或者滞后演算法,地下径流的汇流采用常常采用线性水库进行计算。三水源新安江模型模分层次共计15个参数,型模的输入主要有两部分,分别是实测的水面蒸发量与降水量,二者分别表示为EM、P；输出也包括两部分,即蒸散发量与出口断面流量,二者分别表示为ET、Q。其具体的计算流程见图1。

图1 三水源新安江模型流程图

2.2 模型参数率定

SCE-UA算法作为一种高性能的进化算法,能够对非线性约束最优化问题进行求解,该算法结合了单纯形法、基因算法以及进化原理的相关思想,是一种快速获取水文模型最优解的综合算法,因此可以有效解决水文模型参数全局优选问题。该算法的本质是首先在样本点中随机选择一个群体,然后将其划分为多个可以独立进化的子群体,并在多个方向搜索,向着最优方向搜索一定的代数之后,可以形成新群体,然后再次对进化过程进行重新搜索,从而能够在空间中共享各个复合体的信息。当前计算机运算能力出众,给定较大的初始值范围也可以得到满意的优选结果。结合涢水流域的特性由人工给定参数值范围,表1列出了模型优化参数的上下边界。

表1 模型参数上下边界

目标函数是用于评价实测与模拟流量过程的拟合程度,本文选用纳西效率系数为目标函数,同时使用该目标函数收敛,该终止准则认为,通过N次迭代后函数值不能明显改进时即终止搜索。

式中：n为径流系列的长度；Rsim为模拟径流系列；Robs为实测径流系列；为实测系列总平均。

3 模型应用及结果分析

3.1 模型的应用

本研究采用1987年～1997年的逐时降雨、蒸发及流量资料进连续演算,以纳西效率系数为目标函数,流域面平均雨量采用泰森多边形法计算[3],模型参数采用SCE-UA 算法进行寻优计算[4],其中1987年～1994年的资料用于参数率定,1995年～1997 年的资料用于检验模型和参数。参数寻优结果见表2,率定期及检验期实测流量与模拟流量对比见图2、图3。

表2 涢水流域新安江模型参数率定表

图2 率定期计算流量与实测流量过程对比

图3 检验期计算流量与实测流量过程对比

3.2 模型结果分析

为准确分析三水源新安江模型在涢水流域的适用性及模拟精度,对模型的整体模拟效果使用纳西效率系数、洪峰合格率以及水量平衡系数进行综合评价。从1987年～1997年模拟数据中挑选峰高量大的20场洪水过程从洪峰误差、确定性系数、水量平衡系数及峰现时间为指标进行评价。这20场洪水都是发生在5月～10月之间,基本上覆盖了大中小洪水,比较符合涢水流域的实际情况。评价情况见表3及表4。

从表3和表4中统计可知,涢水流域三水源新安江模型方案率定期的纳西效率系数为0.86,检验期为0.85；率定期洪峰合格率为92.3%,而检验期为86%；率定期水量平衡系数为3.1%,而检验期为3.4%。洪峰合格率均达到《水文情报预报规范》中的甲等标准[5],纳西效率系数和水量平衡系数也都较为理想。

对于20场不同等级的洪水来讲,在率定期13场洪水中,有7场洪水的确定性系数评价为甲等,3场洪水评价为乙等；11场洪水的水量误差在20%以内,其中8场洪水的水量误差在10%以内。在检验期7场洪水中有5场洪水的确定性系数评价为甲等,2场洪水评价为乙等；7场洪水的水量误差在20%以内,其中6场洪水的水量误差在10%以内。总体来说大中小洪水过程与实测洪水过程基本吻合,峰现时间模拟效果较好。由此说明应用SCE-UA算法对涢水流域新安江模型进行参数优化取得了较好的结果,三水源新安江模型能够较好地适用于该流域洪水计算中。