分布式水文模型在洪水预报中的应用研究综述_梁钟元

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分布式水文模型在洪水预报中的应用研究综述

梁钟元,贾仰文,李开杰,牛存稳,王 浩

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(1.中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京100038;2.水利部办公厅,北京100053)

摘 要:在回顾洪水预报技术的发展及分布式水文模型在洪水预报中的应用情况的基础上,针对洪水预报存在的问题,指出了其改进方向:¹明确模型的物理参数;º推广模型预评估机制;»正确使用预报校正方法;¼加强水文过程机理研究;½研究无资料、少资料地区的预报方法;¾针对不同流域的不同特点,研制开发新模型;¿积极探索新方法、新理论。关 键 词:径流;洪水预报;分布式水文模型中图分类号:

P338 文献标识码:A 文章编号:10001379(2007)02-0029-04

的结合。子流域的汇流时间和洪水波在河道中的传播时间之和称为/河流-流域0洪水预报的理论预见期。

受人们对水文现象的认识水平和水文信息资料不足所限,目前广泛应用的水文模型大都是集总式水文模型。这种模型对数据进行集中的输入和输出,不充分考虑地形、植被、土壤类型等下垫面变化和降雨空间变化等,使率定的水文参数产生偏差,从而增加了预测极端洪水事件的不确定性。

近20年来,随着暴雨洪水理论研究的深入、数学理论的创新以及计算机技术、地理信息系统和遥测技术的发展,以自然物理机制为基础的分布式流域水文模型成为当今世界水文研究的热点之一

[1]

2 洪水预报技术的研究进展

2.1 洪水预报技术的回顾

早期的洪水预报以/经验相关线0[4]为典型代表,此方法简便实用,但预报精度不稳定,预报结果因人而异,后来发展为具有水文概念原理的物理模型[1,4,5],如中国的/新安江模型0、美国的/斯坦福模型0及/萨克拉门托模型0。/新安江模型0提出了分层、分水源、分块的概念以及蓄满产流的概念,其缺点是模型对经验的依赖性很强,对非线性的模拟精度仍不够理想[4];/斯坦福模型0和/萨克拉门托模型0作为多参数的概念性水文模型,二者虽都有一定的精度,且全面地考虑了水源在水平和垂直方向上的运动,但由于结构复杂、参数众多,因此在实践中很难进行推广[1]。20世纪80年代初,日本提出了一种纯数学模型)))/坦克模型0,它通过多个线性水箱的串、并联来模拟径流的运动,此模型仍属于线性模型且在功能结构设计方面比较欠缺,难以准确、全面地模拟复杂的降雨径流形成过程,如对季节性气候变化强的流域以及人类活动干扰明显的流域的洪水预报就存在一定的问题[1,4]。

随着概念性水文模型的发展,具有物理基础的分布式水文模型出现了。Freeze和Harlan[6]于1969年发表的论文5一个具有物理基础数值模拟的水文相应模型的蓝图6,描述了分布式流域水文模型的前景。由丹麦、法国及英国的水文学者联合研制开发及改进的SHE模型,开启了分布式水文模型研制开发的先河[7]。此后,如SWAT模型、THALES模型、HEC模型、 收稿日期:20060728

作者简介:梁钟元(1979)),男(朝鲜族),吉林吉林人,硕士,主要从事洪水预报方面的研究工作。

。雨量观测的手段由传统的雨量站向雷达、卫

星云图等高科技方向转变[2],洪水预报模型也由集总式水文模型向分布式水文模型过渡和转变,使得洪水预报向现代化迈出了一大步。

1 洪水预报的基本思路

洪水预报的理论基础是洪水演算原理和径流形成原理。短期洪水预报的基本思路有以下3种[1,3]。

1.1 河段洪水预报

根据河段上断面的来水情况预报河段下断面的水情,其理论依据是洪水波在河道中的运动规律。洪水波在河道中的传播时间称为河段洪水预报的理论预见期。

1.2 流域降雨的径流预报

根据流域面上的一场降雨来预报流域出口断面的洪水过程线,其理论依据是流域降雨径流形成规律。流域汇流期称为流域降雨径流预报的理论预见期。

1.3 /河流-流域0洪水预报

一个流域总可以按自然分水线划分为若干个互不嵌套的子流域,而子流域之间则通过河道来连接。先对各子流域进行降雨汇流预报,然后通过洪水演算求得各子流域对流域总出口断面的贡献,叠加后即可求得流域总出口断面的洪水过程线。其理论依据是流域降雨径流形成规律和河道洪水波运动规律

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WEP模型等一大批分布式水文模型相继诞生,为洪水预报开辟了新的空间。

2.2.2 实际应用状况

(1)HEC模型的应用。HEC模型[13,14]是由美国联邦政府出资研制的,包括HEC-GeoHMS和HEC-HMS两部分,其中用于洪水预报的主要是HEC-HMS部分,它包括Bas-inmod-el、MeteorologicModel和ControlSpecifications三部分。其中:Bas-inmodel的作用是把HEC-GeoHMS生成的资料作为输入生成预报流域图,该图中包括流域的分块情况以及各个子流域的汇流方向;MeteorologicModel的作用是输入该流域内相关雨量站的经纬度、雨量和蒸发观测资料,为每个子流域的降雨量计算做好准备;ControlSpecifications主要是对各场洪水的起止时间做说明限制,便于读取每场洪水的降雨资料和流量资料。该模型在漳卫南运河流域进行洪水预报的结果显示其具有较好的适应性,能够达到洪水预报的要求[14]。

(2)新TOPKAPI模型的应用。新TOPKAPI模型[15]是一个以物理概念为基础的分布式流域水文模型,它依据由DEM推求的流水网,结合地形学和运动波水力学方法,采用网格尺度,通过几个结构上相似的非线性水库方程来描述流域降雨-径流过程中不同的水文、水力学过程。

(3)MC2-CLASS模型的应用。加拿大水文局利用DEM把一个250km2的山区性流域(降水很不均匀,且雨量观测资料极少)划分成5~10km2的网格,采用自行研制的分布式MC2-CLASS模型模拟和预测降水量与土壤含水量的空间分布,并用高分辨率的专题地图提取流域地形、土壤、植被等下垫面信息,然后采用传统的水文学方法,模拟产汇流。由于补充了降水量信息和详细的土壤含水量与其他下垫面信息,因此成功地模拟出了实测降水量很小的一次大洪水过程。

(4)TOCE河模型的应用。意大利政府在米兰的实验室建造了一个完整的TOCE河模型。该模型的比例是1B100,实验区域的面积是55m@13m。通过模拟可得到不同时间内的洪水流动状态,包括洪水位、洪峰到达时间、地点等,推算防洪堤承受洪水的能力,出现洪水决口的位置和缺口的程度。模拟计算的结果与实测结果相吻合。

(5)LL-Ò模型的应用。李兰等的LL-Ò分布式降雨径流模型包括小流域产流、汇流、流域单宽入流和上游入流反演、河道洪水演进4个部分。该模型考虑了产流随空间和时间变化的分布特征及计算产流的多种径流成分的物理过程,并将数学物理反问题与洪水预报结合,给出了流域产流、河道汇流、水库洪水演进3个动态分布预报耦合模型[16]。该模型不仅可以用于分析降水径流规律,还可以用于洪水预报,已在丰满、龙河口和陆浑等水库得到应用[16,17]。

(6)分布式官司河模型(GSH模型)的应用。GSH模型[18]

是在GIS支持下,根据流域内各地理环境要素的空间分布和其对水文过程的作用机理将各水文过程耦合而建立的,在应用于官司河流域径流预报过程中,只考虑以重力为主要驱动力的单元间水分流动与交换,并选择1998年和1999年的4场降雨,根据降雨强度和径流量,采用不同的时间步长计算流域的水文过程。模拟结果显示,计算得出的降雨-径流过程与实际观测情况基本吻合,但存在着一定时滞,洪峰出现的时间较观测到的洪峰晚,降雨量越大,洪峰延迟的时间越长。

2.2 分布式流域水文模型在洪水预报中的应用2.2.1 主要进展

近年来,随着计算机技术和/3S0技术的快速发展,分布式水文模型与卫星遥感、数字流域及地理信息系统等技术结合,在流域洪水预报中发挥了重要的作用,也使数字高程、河网、子流域的提取及集水面积的计算实现数字化成为可能[7]。把具有时空分布特征的水文参数和水文变量作为模型的内部结构参数,对栅格、网格数据进行集中输入和输出来描述流域水文时空变化特性[5,7],将分布式水文模型与洪水预报模型进行耦合已进入实用阶段,并取得了一定的成就,主要表现为:

(1)从DEM(数字高程模型)中提取河网技术的实现。DEM是指描述地面高程空间分布的有序数值列阵,它的主要建模方法有点建模法、三角形建模法、格网建模法和混合建模法。利用DEM生成水系和流域,是通过数字高程水系模型来实现的,首先确定格网中水流的流向,其次识别流域的分水线、勾画出流域边界、算出流域面积,最后再生成水系[5,7]。在利用DEM实现对流域水系的划分后,分布式水文模型的应用与推广也逐步走向成熟。对洪水的预报也变得更加精确。

(2)雷达估测降雨与水文模型耦合的实现。具体实施步骤为:¹计算雷达站探测的降水量;º将雷达雨量估算资料与气象卫星资料进行对照,修正不合理的雨量估算数据;»将雷达估算雨量与实测雨量结合形成最优的雨量估算值;¼将雷达覆盖区域的资料合成为全流域范围的雨量估算场,作为水文模型的输入供预报应用[5,8]。雷达估测降雨与水文模型的耦合,真实地反映了流域实际降水状况,在一定程度上消除了雨量计以点推面造成的误差,提高了洪水预报的精度[2,9]。

(3)新型降水分布数学模型的建立与应用。流域分布式降水数学模型[10]的建立,实际上是流域降水量与空间位置关系的确立。根据天气系统降水在不受地形变化对降水的增强或阻止影响时,降水量平面分布图是一组同心的椭圆形这一原理建立的分布式数学模型模拟流域面降水分布,不但能够提供分布式降水数据,而且能够模拟流域的中心降水位置及中心降水量,为流域洪水预报提供科学依据。由于该模型能模拟降水的空间分布,确定流域降水的中心位置和中心降水量,因此在对暴雨的分析和洪水预报中有很大的实用价值。

(4)多输入-单输出流域汇流模型的应用[11]。人类活动的影响改变了流域的产汇流规律,因此不能直接套用适用于天然流域的水文模型来进行洪水预报。但随着遥测技术及计算机技术的发展,在充分利用陆地卫星资料和气象卫星资料对流域水文过程进行综合分析的基础上,提出了一个基于物理过程的多输入-单输出分布式遥感水文预报模型。向模型输入陆地卫星资料、气象卫星资料、降水量等,对流量过程进行单一输出,进而对来水进行预测。

(5)交互式洪水预报系统的应用。交互功能主要体现在对预报结果的专家实时交互修正方面。在实际预报过程中,预报人员根据系统提供的降雨分布、气象云图等信息,实施修正预报参数和实时干预预报进程的交互操作[12]。

第2期 梁钟元等:分布式水文模型在洪水预报中的应用研究综述

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2.3 国内外研究现状2.3.1 国内研究现状

/九五0期间,随着GIS、数据库技术的应用,水利部及各流域的科研部门针对各流域的具体情况,相应地建立了典型流域分布式水文模型参数与地理信息的关系,并在此基础上与预报模型进行了耦合。水利部信息中心开发的中国洪水预报系统,实现了客户机/服务器方式的系统运行、模型率定等功能。黄委也在小浪底)花园口区间进行了分布式洪水预报模型的开发研究,使黄河花园口站洪水预报的预见期由14~18h延长到30h,为黄河下游防洪提供了决策支持[19]。同时,2003年黄委引进荷兰的先进技术,建设了黄河流域水监测与河流预报系统。塔里木河流域也在进行洪水演进系统研究,借助历史记录的来水量数据和GIS强大的空间分析功能,利用分布式水文模型,分别模拟和预测了塔里木河/三源流0平原区河道水动力过程和塔里木河干流洪水演进过程,为塔里木河流域水量合理调度及洪水预测提供了决策服务。淮河流域交互式预报系统包括数据处理、模型参数率定、作业预报和扩展性径流预测等。此外,长江委、珠委等部门也在利用分布式模型进行洪水预报的研究中取得了很大的进展。

在预报中的应用推广。

(2)模型自身的非线性适应能力不强,很难确保对大、中、小各种洪水都有高精度的模拟预报结果。实践表明,利用分布式模型对于小洪水的预报结果往往偏大。

(3)在分布式模型开发研制过程中,未能妥善考虑人类活动对洪水的影响等,致使预报模型缺少对干扰的考虑和模拟,造成预报精度的下降。

(4)洪水预报的精度取决于所用资料的质量和模型的模拟精度。降雨信息的不完备和降雨资料匮乏是制约降雨径流预报的关键因素。

(5)在实际的洪水预报应用中,由于水文现象本身的复杂性和不确定性,因此用于率定或训练的历史数据不可能包含所有可能的情况,使得不同的洪水预报模型有不同的适用范围,甚至在同一流域、不同时间情况下,最适合采用的模型也应是不同的。

(6)洪水预报方案是根据以往的实测资料编制而成的,其中预报模型的参数或相关曲线反映的都是以往资料情况下的平均最优值或者关系曲线。但在作业预报时,由于存在一般与特殊情况即平均与个例的关系,因此当实际状况偏离一般情况时,就会使预报方案的结果发生明显偏差,从而影响预报的精度。

2.3.2 国外研究现状

欧洲洪水预报系统(EFFS)集地理信息系统、数据库、多种水文及动力学模型和友好图形用户界面于一体,可与水文气象数据采集系统连接,自动进行数据预处理、降雨径流模拟计算、洪水演进模拟计算和预报结果动态显示等。目前,EFFS已在原有的基础上进行了升级和改进,结合地面降雨和卫星云图,建立暴雨预报和洪水预报耦合的一体化模型,为流域洪水计算提供流域点面降水的最佳估计

[20]

3.2 改进方向

根据分布式水文模型在实际应用中所存在的一些问题,一方面需要对水文科学的研究方法和应用开发层次进行不断的改进和提高;另一方面,需要人们对流域水文物理机制的理解更加准确。

(1)明确模型的物理参数。水文数学物理模型中的每一个参数和过程都有明确的含义,可以在模型中充分考虑降水的空间分布特性和水文非线性特征。一方面可以根据特征值分析水文的物理变化规律,建立分布参数或者动态参数公式,以提高预报精度;另一方面还可以通过引入分布参数或者动态参数的流域水文数学物理模型,根据模型方程直接进行实时校正,以提高预报精度。

(2)推广模型预评估机制[21]。不同流域选择使用不同的模型时,为了确保预报精度达到最佳,在进行洪水预报的过程中,根据某一给定时刻的输入数据,对某指定模型的预报精度进行预评估,当有多个预报模型同时进行预报时,就分别对它们进行预评估,再根据预评估的结果选择获得好评的模型,其对应的输出作为最终采信的预报结果。

(3)正确使用预报校正方法[1,5,7,22]。将概念性流域水文模型探讨的多种洪水实时预报校正方案与计算方法应用到分布式模型中,对洪水预报过程中的误差进行校正。

(4)加强水文过程机理研究[23]。通过增大观测密度,改善观测手段,力求从物理学的角度和深度认识流域水文过程,解决分布式水文模型中的非线性问题和尺度问题,这对水文基础设施相对缺乏、研究水平相对落后的地区尤为重要。

(5)研究无资料、少资料地区的预报方法[24]。无资料、少资料地区的洪水预报,关键在于预报模型的优选,要选择更适合于广域的无资料地区的水文模型进行预报;同时,对无资料

。芬兰的维萨拉公司研制的

闪电暴雨预警系统,利用闪电数据及气象雷达数据,结合分布式洪水预报模型,可以比较准确地预测降雨的强度,并且进一步得出洪峰到达的时间和流量,从而延长洪水的预见期。英格兰和威尔士的Reading洪水预报警报中心,负责泰晤士河流域干流和127条支流的防洪预警工作,具体内容包括每天24h天气预报、雨量和水位监视、洪水预报、洪水警报发布、公众防洪避险指导、紧急救援方案考评、传播媒体服务等。中心具有现代化的计算机业务系统,可以自动进行天气、雷达、雨量、水位、流量等信息的收集处理和管理,提供人机交互分析、显示及应用服务。水文研究所开发的洪水预报系统常年连续运转,没有洪水时每天早7时自动运行一次,发生洪水时由预报员发指令随时运行。此外,日本、英国、荷兰等国也在洪水预报研究方面取得了很大的进展。

3 存在的问题及改进方向

3.1 存在的问题

(1)分布式水文模型的精确程度与模型的参数有着直接的关系。由于模型的参数很难进行实测或者缺乏实测资料,因此在实际应用中模型的待定参数是通过率定获得的。但这种通过率定获得的各参数之间存在着较大的干扰性,对所确定的参数的独立性无法准确量衡,或者参数的界定范围不明确,难以掌握各参数间的比例要求,造成调参的困难,因而影响了模型

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(6)针对流域的不同特点,研制开发新模型,以提高洪水预报的效果。

(7)积极探索新方法、新理论。对于一个地区的洪水预报来说,一方面应该尽可能提高预报的精度,另一方面要延长洪水预报的预见期。对此,研究尝试将水文模式与气象模型耦合,利用雷达观测的降雨场分布,对未来短时间内(2~3h)的降雨进行预报,以延长水文预报的预见期。

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(2)黄河三角洲海岸演变的趋势是海岸线朝着垂直于东北强浪的方向发展。1976年以后,刁口河流路河口区海岸蚀退的原因是河流泥沙减少(刁口河不再行河)以及/硬性0海岸工程(飞雁滩海堤)的修建。

(3)黄河三角洲突出的沙嘴和形成的波影区将影响口外流场和输沙特征,也影响将来黄河口流路的使用。建议黄河三角洲社会、经济、生态等规划应给黄河口流路留下充分的空间,而且黄河口流路的安排应遵循/先在三角洲两侧、后在中心0的顺序,这样可以充分利用渤海容沙体积,减缓黄河口淤积延伸对黄河下游河道的反馈影响;建议近期把清水沟尾闾河道改向莱州湾。

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