分布式水文模型在中小河流洪水预报中的应用研究—马媛

分布式水文模型

在中小河流洪水预报中的应用研究

马媛

（北京金水信息技术发展公司，北京，100053）

一、 中小河流洪水概况

(一) 中小河流洪水特点

《山洪灾害防治规划》中山洪治理主要针对200km2以下的小流域，而《江河流域规划编制规范》（SL201—97）的使用范围为流域面积大于3000 km2的河流，从这一意义上讲，可以认为流域面积小于3000 km2的河流为中小河流。我国中小河流具有数量多、分布广的特点。除长江、黄河、淮河等七大江河外，全国范围内分布有众多的中小河流，且大多数分布在重要城镇及农村广大地区，其中易发洪涝灾害的地区主要集中在平原盆地区、山丘区的重点河段区。与大江大河相比，中小河流洪水具有以下特点：

（1）暴雨集中，洪水突发性强。降雨时间、空间分布不均匀，尤其一些季节性山区河流，河道比降大，汛期洪水峰高、流急、历时短，突发性强，破坏力强，极易形成暴雨型洪灾。枯水季节河道内水流很少，汛期时洪水汇流历时短，洪水暴涨暴落，易发生较大洪水。传统人工作业预报很难有效做出迅速反应，须加密预报频次，这种加密通常建立在实时自动预报基础之上。

（2）流域总出口断面水文要素（流量、水位）是可以被测知的，但中小河流洪水灾害发生区域往往集中在某个支流的特点。因而，必须对洪水在整个流域境内的分布及演进情况有一个精确地描述。

(二) 中小河流洪水预报要求

中小河流洪水具有突发性强、流速快、预见期短以及分布广的特点，因此，中小河流洪水预报与常规水文预报的思路有所不同。

（1）由于中小河流洪水易发区一般水文资料较少，集总式模型比分布式水文模型对资料的要求要高，给模型参数率定和检验带来困难。

（2）传统的集总式模型往往是将研究区域当作一个总体来考虑其与外界的物质能量交换，很难给出流域内部的水文过程描述。分布式水文模型与传统的集总式水文模型相比，充分考虑了流域空间变异性，针对中小河流突发性洪水特点，通过利用高精度数字高程模型（DEM）生成数字流域，构建分布式产汇流模型，进而获得每个子流域出口断面的洪水预报数据，能够更加客观科学地揭示流域内的水文循环过程。

（3）中小尺度洪水预报对雨量的空间分布要求很高，洪水发生时间较短，以往基于集总式水文模型的常规水文报汛方法很难满足中小河流洪水预报的要求。

（4）由于中小河流洪水的突发性特点，绝大多数地区没有洪水预报和预警系统，即使有报汛站点，也因报汛段次太少，无法满足预报要求，加之预报预见期太短，往往失去了参考决策的意义。因此基于气象卫星、天气雷达、地面雨量站点相结合的多源信息融合技术，应用气象模型与分布式水文模型耦合的模式可以相对准确地预测中

小河流洪水易发区未来几个小时降雨，并用未来降雨进行水文模拟计算，可以有效提高中小河流洪水预报的预见期。

二、 分布式水文模型

(一) 模型类别

1、分布式概念模型

（1）概述

概念性分布式水文模型多为松散结构，即假设流域中各子流域或每个网格单元的水文响应是相互独立的，通常应用现有的概念性模型在子流域或每个网格单元上进行产流计算，然后再进行汇流演算，最后求的出口断面流量，整个流域的水文响应是通过对各子流域或每个网格单元的水文响应进行叠加计算得到。

（2）模型特点

这类模型的特点是资料具有空间分散性，但参数和模型结构却不一定是分布式的，其参数（特别是产流参数）仍然是对特定子流域综合下垫面特征的反映，未能反映不同植被、土壤组合下的下垫面对降水的拦截和入渗过程，也不能反映各种植被和土壤各自对蒸散发的作用。

（3）代表性模型

常见的可用于构建概念性分布式水文模型有SAC、TANK和新安江模型等。该类模型较典型的有XIN3GRID模型、SWAT模型等。XIN3GRID模型根据流域下垫面的水文、地理情况将其流域分为若干个单元面

积，将每个单元面积预报的流量过程演算到流域出口然后叠加起来即为整个流域的预报流量过程。SWAT模型结构和计算简单，以日为时间单位运行的基于流域尺度的动态模拟模型，可以进行连续多年的模拟计算，模拟的结果可以选择以年、月或日为时间单位输出。适用于不同土壤类型、土地利用方式和管理条件下的复杂大流域，并能在资料缺乏地区建模。

2、分布式物理模型

（1）概述

该类模型具有物理基础的分布式水文模型具有紧密耦合的模型结构，即采用一组微分方程及其定解条件构成的定解问题描述流域产汇流规律。

（2）模型特点

该类模型的特点是水文物理动力学机制突出，便于研究水文循环对自然和气候变化的响应，能及时模拟人类活动和下垫面因素变化对流域水文循环过程的影响，但结构复杂、计算繁琐，所需要的资料种类较多，并且对于数据的处理也有较高的要求。

（3）代表性模型

比较典型的有IHDM、SHE、GBHM模型等。GBHM模型是杨大文等基于流域地貌特征而构建的典型水文物理机制分布式水文模型。利用面积方程和宽度方程将流域产汇流过程概化为“山坡—河网”系统，一方面可以反映流域下垫面条件和降雨输入的空间变化，同时还采用了描述产流和汇流过程机制的数学物理方程来求解，使模型既得到了

简化又保持了分布式水文模型的优点。

3、半分布式模型

（1）概述

具有物理基础的松散耦合型半分布式水文模型介于集总式和分布式模型之间。

（2）模型特点

模型的特点是模型参数少、模拟精度高，模型结构相对而言简单。

（3）代表性模型

这类模型典型代表为TOPMODEL和TOPKAPI模型。TOPMODEL模型基于DEM推求地形空间变化信息，利用地形指数模拟水文响应的特性，并用统计方法求的出口断面流量。模型参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算。但TOPMODEL并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响，因此它不是严格意义上的分布式水文模型。

(二) 模型选用

根据各代表性分布式水文模型特点和模型尺度，推荐选用XIN3GRID模型、GBHM模型和TOPMODEL模型作为中小河流洪水预报的预报模型，以下结合流域资料情况分析各分布式水文模型在实际中的运用。

A：有资料地区

构建合理的预报方案和提高洪水预报精度，一个重要的环节就是

通过对流域特性分析，结合洪水预报实践，对比优选产流模型、汇流模型和河道演算方法，产流模型的选择关系到降雨产生径流的多少，汇流模型解决洪水波在流域上的运动问题，河道演算则用来反映洪水波在河道中的传播规律。

1、产流计算

世界气象组织（WMO）先后两次从世界范围内不下百种流域水文模型中选出部分具有代表性的模型进行统一标准的检验。WMO把流域水文模型分为三类：

第一类：显式计算土壤含水量的模型

第二类：隐式计算土壤含水量的模型

第三类：系统途径模型

检验结论：

（1）如果流域位于湿润地区，就不必过于挑选模型。但是，对于干旱半干旱流域，就要仔细挑选模型了，不同类型的模型，其模拟精度在干旱半干旱地区较之在湿润地区的差异要大。

（2）对于干旱半干旱地区，一般来说。显示计算土壤湿度的复杂模型要比隐式计算土壤含水量的简单模型效果好；模拟久旱之后的湿润地区流域径流，也是显式计算土壤含水量的模型好。

（3）在建立模型时，如果资料条件不好，则隐式计算土壤含水量的模 …… 此处隐藏：7397字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……