分布式水文模型的誤差分析探討

冀連華

【摘要】分布式水文模型以其具有明確物理意義的參數(shù)結(jié)構(gòu)和對空間分異性的全面反映，能夠準(zhǔn)確詳盡地描述和模擬流域內(nèi)真實的降水徑流過程而被廣泛需求和關(guān)注。在模擬土地利用、土地覆蓋、水土流失等各種變化過程的水文響應(yīng)，面源污染、陸面過程、氣候變化影響評價等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。模型的預(yù)報精度和誤差至關(guān)重要，決定了模型的應(yīng)用和推廣。

【關(guān)鍵詞】分布式；水文模型；誤差分析；參數(shù)

水文模型是研究水文自然規(guī)律和解決水文實踐問題的重要工具。在水利工程規(guī)劃設(shè)計、水資源評價、水土保持等方面的研究和發(fā)展中得到廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著社會的進(jìn)步、科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的水文經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⒏拍钅Ｐ鸵呀?jīng)不能滿足需要，對先進(jìn)的分布式模型的需求在不斷增長。

1、分布式水文模型

1.1分布式水文模型的概念

從水文信息學(xué)的角度來講，水文模型是符號的綜合體。從反映水流運動的空間變化能力而言，水文模型可分為集總式模型和分布式模型兩類。分布式水文模型是充分考慮了模型中變量和參數(shù)空間變異性的基于自然物理過程的水文模型。

1.2建模原則

水文模型的建立和使用必須按照一定的步驟和順序進(jìn)行，即是建模原則。建模原則在原則上是靈活的，適用的，即使形式化后，也應(yīng)該是易改變的。分布式水文建模一般原則如圖1所示。

1.3建模思路

分布式流域水文模型建模主要思路是：將整個流域劃分成足夠多的若干網(wǎng)格，每個網(wǎng)格降雨、植被、土壤和高程等均有差異，對每個網(wǎng)格采用不同的產(chǎn)流計算參數(shù)分別計算產(chǎn)流量；通過比較相鄰網(wǎng)格的高程確定各網(wǎng)格的流向，根據(jù)各網(wǎng)格的坡度、糙率和土壤等因素確定參數(shù)，將其徑流演算到流域出口斷面得到流域出口斷面的徑流量。

1.4分布式水文模型的一般結(jié)構(gòu)

分布式水文模型一般可分為純物理模型和半物理模型兩種形式。從功能上來說，分布式水文模型包括功能不同且相對獨立的子系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)從數(shù)學(xué)上描述水文循環(huán)的一個子過程。盡管可用不同的方式描述水文過程，但模型的基本構(gòu)架大同小異。

1.5模型驗證

分布式模型參數(shù)多，數(shù)據(jù)輸入量龐大，計算時間長，模型驗證困難。嚴(yán)格地說模型驗證原則上是不可行的。我們所說的模型驗證即證明特定的模型可得出符合特定性能標(biāo)準(zhǔn)精度要求的模擬結(jié)果，實際上是觀測模型成功驗證的數(shù)量和概率，進(jìn)而確定模型的可靠性。為了證明校準(zhǔn)后模型的實用性，必須用不同于校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來進(jìn)行驗證。

2、分布式水文模型誤差分析

模型預(yù)測精度是評價和衡量一個模型質(zhì)量好壞的關(guān)鍵性指標(biāo)，也是一個模型能否被同行業(yè)人員認(rèn)可和接受的決定性因素。分布式水文模型涉及參數(shù)和影響因素較多，對分布式水文模型進(jìn)行誤差分析不但可以優(yōu)化模型參數(shù)，而且可以更加清楚建模目的、原理和建模思路，優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，提高模型預(yù)測精度。模型建模工作中，誤差源是大量的。分布式水文模型的誤差來源主要有以下幾個方面。

2.1被排除在外的因素引起的誤差

在建模時，每個環(huán)節(jié)都有許多影響因子，把每個因子都引入到模型中是不現(xiàn)實的，也是不可能做到的。所以就要對影響因子有所選擇，有所拋棄，被拋棄的因子會給模型預(yù)報帶來一定的影響，產(chǎn)生一定量的預(yù)測誤差。此類誤差是不可能完全消除和避免的，主要的分析方法有主成分分析法和專家打分法。主成分分析法是指通過對一組變量的幾個線性組合來解釋這組變量的方差和協(xié)方差結(jié)構(gòu)，以達(dá)到數(shù)據(jù)的壓縮和數(shù)據(jù)的解釋的目的。專家打分法是通過建立專家打分模型的方法以確定模型中各因子的敏感性評價值和權(quán)重，進(jìn)而確定選取的敏感性因子。通過各位專家單獨確定的各模型因子的敏感性評價值和權(quán)重，進(jìn)行匯總和分析，即可確定各個模型因子的的敏感性強弱，為模型參數(shù)的選擇提供依據(jù)和參考。

2.2實測歷史記錄資料的隨機或系統(tǒng)誤差

實測數(shù)據(jù)精度的高低、誤差的大小決定于測量技術(shù)的先進(jìn)和成熟程度，影響模型模擬的擬合度從而影響模型的預(yù)測精度。大部分流域降雨徑流資料由于測量技術(shù)受到限制，其精度可能無法反映真實水文現(xiàn)象。另外人類活動的影響會導(dǎo)致某些水文因素的變化，使歷史資料無法直接與現(xiàn)狀資料統(tǒng)一應(yīng)用，而無論是修正歷史資料還是還原現(xiàn)狀資料都有一定的難度。對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定所產(chǎn)生的誤差大小，進(jìn)而計算出調(diào)整系數(shù)，是減小此類誤差的主要方法。

2.3參數(shù)誤差

參數(shù)誤差包括每個參數(shù)的取值非最優(yōu)產(chǎn)生的模型預(yù)報誤差和各個參數(shù)組合在一起非最優(yōu)產(chǎn)生的模型預(yù)報誤差。通常模型參數(shù)的選擇需要遵循即科學(xué)性、實用性和可行性的和原則。不同的參數(shù)對于模擬結(jié)果的影響是不同的，有的參數(shù)直接影響模擬結(jié)果，有的則是許多參數(shù)共同作用，來反映對結(jié)果的影響。

2.4模型結(jié)構(gòu)誤差

不完善的模型結(jié)構(gòu)帶來的誤差在模型校準(zhǔn)和驗證階段難以發(fā)現(xiàn)，所以在模型構(gòu)建階段需要對模型結(jié)構(gòu)的正確性進(jìn)行充分的討論。模型結(jié)構(gòu)不完善的原因主要是由于對水文過程理解不夠而造成的模型框架結(jié)構(gòu)不能真實地反映水文實際過程，忽略了產(chǎn)匯流的隨機性，模型較少甚至不考慮環(huán)境變化對流域產(chǎn)匯流機制的影響等。另外，在模型設(shè)計和建立過程中采用的不正確的計算方法，不合適的時間步長，不恰當(dāng)?shù)倪\行次序，不完整或有偏差的模型結(jié)構(gòu)等，都會引起的模型預(yù)報誤差。

3、結(jié)語

分布式水文模型的誤差來源有被排除在外的因素引起的誤差、實測歷史記錄資料的隨機或系統(tǒng)誤差、參數(shù)誤差和模型結(jié)構(gòu)誤差等。前兩類誤差必須在模型建立過程中和試運行之前進(jìn)行分析將其降到最低。在對模型校準(zhǔn)過程中，必須明確區(qū)分不同誤差來源，不要用對一種誤差源的調(diào)整去彌補另一種誤差源的影響，如通過參數(shù)調(diào)整來彌補模型結(jié)構(gòu)誤差等。在參照和借用國外較為成熟的分布式水文模型研究方法和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，建立和使用適合我國各流域條件的分布式水文模型，通過誤差分析確定各類誤差的產(chǎn)生途徑和規(guī)律，利用現(xiàn)有資料及處理方法減小和降低各類誤差，進(jìn)而提高模型的預(yù)測精度和適用性，是我國水文建模研究今后發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]王中根，夏軍，劉昌明，等.分布式水文模型的參數(shù)率定及敏感性分析[J].自然資源學(xué)報，2007，22（4）：649-655.