opmodel模型在枯水期日径流模拟中的应用

opmodel模型在枯水期日径流模拟中的应用

东江流域是珠江流域的主要支流之一，主要流经中国经济发达的亚热带。除了广东省惠州、深圳、东莞等市提供供水外，该流域还承担着向香港的供水任务。香港80%的供水来自东江流域。由于广东省主要受亚热带季风气候的影响，年流量在年内发生了很大变化。年，70-80%的年降水量集中在每年的5月至9月，旱季基本停止。近年来，中国南方干旱地区频繁发生旱旱，旱季遭受严重的供水严重的供水危机，以及沿海地区咸潮的支撑作用，严重影响了社会生活和经济活动。因此，预测江东流域水源中断流量的预测对于水资源管理在很大程度上是必要的。对于水资源管理和生态环境保护而言,日径流过程的模拟是非常重要的,尤其是枯水期径流过程的模拟对水资源配置、生态环境需水量的研究更为必要.但一般情况下,仅利用降雨径流模型模拟出流域的日径流过程,对枯水期的径流过程很少给予关注,也很少对模拟结果的精度进行专门地评价.针对这一问题,Smakhtin等采用半分布式的降雨径流时变模型(VTI)对南非的五个研究流域进行模拟分析,分析结果认为该模型可以模拟出具有一定精度的枯水期径流过程,并建议采用其它模型对此问题进行分析.在此基础上,黄国如等以东江流域为例,较为深入地分析了新安江流域水文模型模拟流域枯水径流过程的可行性及其精度.上述研究均是将丰水期和枯水期作为一个整体进行考虑,先模拟出流域的整体日径流过程后,再对枯水径流进行分析.但由于枯水期和丰水期的模型参数并不完全相同,如果将两个阶段分开考虑,分别研究其径流模拟过程,应该会更为精确.TOPMODEL(aTOPographybasedhydrologicalMODEL)模型为基于地形特征的半分布式流域水文模型,该模型结构相对简单,且充分考虑了地形特征对流域径流模拟精度的影响.该模型的产流方式与蓄满产流类似,但与基于蓄满产流的新安江模型的基本原理和计算方法有着显著的差异.尽管TOPMODEL模型对日径流过程有着较高的模拟精度,但由于枯水径流有其固有的特征,利用该模型能否较好地模拟枯水径流过程值得深入探讨.因此,本文利用TOPMODEL模型对东江流域进行枯水季节的日径流过程模拟,在对径流模拟精度进行评估时,除了采用常规的评价指标外,还采用多种描述枯水径流的特征量来评估该模型的枯水模拟精度.1u3000地表径流及产汇流过程1979年Beven和Kirkby提出了一个以地形为基础的半分布式流域水文模型TOPMODEL.该模型的主要特征是利用数字高程模型(DEM)来计算地形指数ln(a/tanβ),地形指数中的a为流经坡面任一点i处单位等高线长度的汇水面积,tanβ为该点处的坡度.用地形指数ln(a/tanβ)来反映流域下垫面的空间变化对产流区域形成和变化的影响.TOPMODEL模型主要借助地形指数ln(a/tanβ)来描述和解释径流趋势以及由于重力排水作用使得径流沿坡向的运动.该模型假设在流域任何一处的土壤上有三个不同的含水区:第一个是植被根系区,其次是土壤非饱和区,第三个是饱和地下水区(图1).水流运动规律假定如下:降水P首先下渗进入植被根系区,贮存在这里的水分部分蒸发,蒸发量为Ea,部分进入土壤非饱和区.在土壤非饱和区中的水分以一定速率Qv通过重力排水作用垂直进入饱和地下水区,然后通过侧向运动形成基流Qb.如果饱和地下水面不断升高,在流域某一山脚低洼汇合处(比如说下游河道)冒出,就会形成饱和坡面流Qs.因此,TOPMODEL模型中的流域总径流Q是基流Qb与饱和坡面流Qs之和.相应的产汇流过程见图1.TOPMODEL模型把全流域按DEM网格分块,每一个网格作为一个水文单元,对每一个水文单元流域进行产汇流计算,包括不饱和层水分运动、饱和层水分运动及饱和坡面流运动.饱和坡面流和壤中流均视为在空间上相等,可通过等流时线方法进行汇流演算,求出单元流域出口处的流量过程.采用近似运动波的常波速演算法对单元出口处的流量过程进行河道演算,得到流域出口断面处的流量过程.在TOPMODEL模型中,除地形指数ln(a/tanβ)以外,所用的模型参数主要包括:m,为土壤下渗速率呈指数衰减的速率(m);T0,为土壤刚达到饱和时的有效下渗速率(m2/h);Td,为重力排水的时间滞时参数(d);SRmax,为植被根系区最大蓄水能力(m);SR0,为根带土壤的初始缺水量(m);RV,为地表坡面汇流的有效速度(m/h);CHV,为主河道汇流的有效速度(m/h).尽管TOPMODEL模型的假定是对流域真实情况的近似,并非在任何地方都能适应,然而该模型结构相对简单,需要优选的“有效”参数较少,充分利用了容易获取的地形资料,另外,可以将TOPMODEL模型所得结果与野外实测资料进行比较,所以自从TOPMODEL模型被提出以来,被广泛地应用于许多流域.模型的具体计算方法参见文献.2在东江流域使用基本模型2.1研究流域及方法东江流域发源于江西省寻邬县的桠髻体,流域主要部分地处亚热带的华南地区,海洋性气候显著,多年平均降雨量为1750mm,年径流量较为丰沛,但年内和年际间变化较大,枯水期历时较长,东江流域的枯季为11月1日至次年的3月31日.流域内林木茂盛,植被良好,根系发达,存在质地疏松的腐殖层,有很强的下渗能力,难以形成超渗产流.另一方面,由于地处湿润地区,流域地下水位较高,包气带水分耗于蒸发而亏缺往往只在表层部分,其下部常年接近于田间持水量.因此,包气带缺水量不大,特别是在多雨期,缺水范围只在表层20—30cm,缺水量不过20—30mm,土壤易于被一次降雨所满足.因此,产流方式多为蓄满产流,可用类似于蓄满产流的TOPMODEL模型来模拟其产汇流过程.本文选取东江流域中的九州、连平、星丰、岳城等4个子流域作为研究对象,这些流域的面积约为37.2—531km2,每个流域内有雨量站5—7个,雨量站密度较高,且分布较为均匀,能够满足TOPMODEL模型的模拟需要.2.2整体分析在利用TOPMODEL模型进行模拟计算时,需要预先计算出流域的地形指数分布.单流向法和多流向法为目前较为常用的两类地形指数计算方法,但改进的多流向法能更好地反映出地形对流域汇流的影响.基于该流域的二十五万分之一的25m×25m的DEM数据,利用经过改进的多流向法得到的地形指数分布曲线如图2所示.从图2可以看出,4个研究流域的地形指数分布具有较好的相似性,这主要是由于这些研究流域皆地处东江流域,地形特征较为相似.为了分析枯水季节(11月1日至次年的3月31日)日径流的模拟精度,此处仅模拟枯水季节的日径流过程.为此,将每年的枯水季节的日径流过程连接起来进行整体分析.利用TOPMODEL模型作为这4个研究流域的降雨径流模型,以确定性系数R最大作为模型参数的优化目标函数,R定义如下max{R}=max{1-Ν∑i=1(Qsi-Qoi)2Ν∑i=1(¯Qo-Qoi)2}max{R}=max⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪1−∑i=1N(Qsi−Qoi)2∑i=1N(Qo¯¯¯¯−Qoi)2⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪式中,Qoioi和Qsisi分别为每年的枯季第i个实测和模拟流量;¯Qo为枯季实测流量的均值;N为枯季流量的数目.使用人工目估法和遗传算法相结合得到TOPMODEL模型的参数如表1,所得到的4个研究流域模拟结果见图3和表2.从表1可以看出,4个研究流域模型参数的变化幅度不大,可能是由于这些流域具有相对一致的气候条件,其中参数的差异性可能是由地形条件的不同所造成.图3为4个研究流域的实测和计算流量过程线,图3中的纵坐标流量值取了自然对数,目的是更为清晰地看出枯水段的模拟效果.从表2可以看出,4个研究流域的模拟年份长度为6—10年,可满足日径流模拟的需要,整个序列的最小流量、最大流量和平均流量的模拟结果相差不大,确定性系数皆接近或超过0.80,故模拟精度较高.从TOPMODEL模型的模拟过程可以发现,退水段的流量过程主要受土壤下渗速率呈指数衰减的速率m所控制,该参数对退水段影响较大.在参数调试过程中,退水段的拟合精度有时与整个流量过程的拟合精度相矛盾,由于本文主要研究的是枯水段的径流模拟问题,所以主要满足退水段的拟合精度.所以,在模拟过程中需要综合考虑两者之间的关系,尽量做到兼顾两者的拟合精度.综合上述分析结果得知,采用TOPMODEL模型模拟得到的枯季径流过程线和实测径流过程线吻合得较好.尽管采用TOPMODEL模型所得到的径流过程的模拟精度较高,但由于枯水径流有其固有的特点,常规的评估量不足以模拟枯季径流的特征.以下分别采用几种枯水径流特征量进行探讨,深入分析模拟得到的枯水径流的精度.3干水特征分析3.1枯水段最小流量连续多日最小流量是枯水分析中最为重要的指标之一,经常被用来分析枯水径流的特性.从实测和计算流量过程中得到连续多日最小流量,以此分析计算流量枯水段的精度.在枯水径流分析中,对于日平均流量资料而言,可采用1、3、7、10、15、30、60或90d等不同的时段平均值作为研究对象,统计出各个不同时段内的最小流量.为了比较实测流量和计算流量中枯水段的拟合效果,利用滑动平均法,分别得到枯季各个时段长度下的最小流量,本文只给出1、7、15和30d的计算结果(表3).从表3看出,各个时段最小流量的相对误差的变幅为0—52.6%,平均相对误差为24%,大多在20%左右.其中九州和连平流域的模拟精度最差,相对误差最大,其余两流域的精度较高,该结果与图3中的退水段的模拟结果较为吻合.3.2流量最小平滑法在大多数流域的枯水季节,由于降雨量较少,其枯水径流主要由基流补给,因此,模拟得到的流域基流量是枯水季节流量的关键所在.在基流量分析计算中,一般采用基流分割方法分别将实测和计算流量过程线的基流部分分割出来,比较这两种基流流量以反映枯水段的模拟精度.传统的基流分割法主要为图解法,该法主观性较强,计算较为繁琐,且精度难以保证.本文采用流量最小平滑法(minimumsmoothingmethod)进行基流分割,该方法由英国水文研究所提出,由于简便易行,且模拟精度较高,在不少国家和地区得以应用.采用流量最小平滑法所得到的基流分割结果见表4,表4列出了最小基流量、最大基流量、平均基流量和BFI,其中BFI为基流指数,是指某流量序列中的基流量与总径流量之比,它可以用来反映流域的基流特征.从表4看出,对于4个研究流域而言,模拟得到的基流量基本上皆大于实测基流量,说明利用TOPMODEL进行径流模拟时,过高地模拟了基流部分.4枯水季节模拟结果分析TOPMODEL模型是以地形为基础的半分布式流域水文模型,其产流方式主要