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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
关键词:新安江水源洪水

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。

表3 涢水流域率定期流量过程模拟成果表 单位:m3/s

表4 涢水流域检验期流量过程模拟成果表 单位:m3/s

4 结论

(1)本文采用三水源新安江模型对涢水流域进行了流量过程模拟,20场洪水中洪峰合格率达到国家水情预报规范中的甲等标准,纳西效率系数、水量平衡系数及确定性系数也都较为理想,说明三水源新安江模型能够较好地适用于涢水流域。

(2)研究了三水源新安江模型在涢水流域的应用,能够为流域水资源合理开发利用、洪水资源化以及防汛抗旱提供科学的决策依据,同时对类似水文分区水文模型的选择以及提高洪水预报精度有一定的参考作用。

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