流域情景驅(qū)動(dòng)的通用混合型水文模型研究

謝 非，夏 澤，楊 琳

(長(zhǎng)江信達(dá)軟件技術(shù)(武漢)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430014)

0 引 言

流域水文模型是現(xiàn)代水文學(xué)最重要的研究領(lǐng)域，已經(jīng)從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、概念性集總模型發(fā)展到基于物理基礎(chǔ)的半分布式和全分布式水文模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌l(fā)展主要集中在19世紀(jì)后期至20世紀(jì)50年代之間，代表性模型包含降雨徑流相關(guān)圖模型、相應(yīng)水位(或流量)模型、單位線模型[11]等。隨著計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，概念性集總模型迅速發(fā)展，提出的模型包括美國(guó)斯坦福模型[12]、薩克拉門托模型[13]、日本TANK模型[14]和華東水利學(xué)院(現(xiàn)為河海大學(xué))的新安江模型[15]。20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS、遙感技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展，為流域分布式水文模型的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)，其中典型的半分布式流域水文模型包含HSPF模型[16]、HBV模型[17]、PRMS模型[18]、HEC-HMS模型[19]、TOPMODEL模型[20]、SWAT模型[21]；全分布式水文模型主要包含MIKESHE模型[22]、SHETRAN模型[23]、IHDM模型[24]、TOPKAPI模型[25]。

流域水文模型軟件系統(tǒng)作為水文模型的技術(shù)外殼，為水文模型的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持與保障，隨著流域水文模型的進(jìn)一步發(fā)展，流域水文模型系統(tǒng)也隨之發(fā)展進(jìn)步，從而開(kāi)發(fā)出基于流域尺度，為水文專業(yè)科研人員和流域管理人員提供決策支持的流域水文模型系統(tǒng)。例如BASINS[26]，HMS[27]，WMS[28]，SMS[29]，MMS[30]，可將不同模擬過(guò)程和模擬階段的水文模型進(jìn)行系統(tǒng)集成，以滿足用戶流域尺度的模擬需要；如TOP-MODEL[31]，DHSVM[32]，AVSWAT[33]，WetSpa[34]，MIKESHE[35]，HIMS[36]，OpenMI[37]，OMS[38]等以分布式水文模型為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)軟件，可為流域水資源綜合管理提供有效的技術(shù)參考和決策支持。

由于水文模型都存在一定的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中，下墊面條件復(fù)雜，而模型種類往往單一，不能滿足各種下墊面條件下的計(jì)算需求，影響了模型搭建的準(zhǔn)確性及適用性。此外，在傳統(tǒng)水文模型搭建過(guò)程中，需要運(yùn)用多種軟件，如GIS軟件、模型軟件、模型參數(shù)率定工具等，才能完成整個(gè)建模過(guò)程，建模過(guò)程的復(fù)雜性導(dǎo)致誤差的增加。并且于各計(jì)算單元上的產(chǎn)匯流模型只能進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，難以反映各區(qū)域的產(chǎn)匯流規(guī)律。

1 研究目標(biāo)

本文提出1套流域情景驅(qū)動(dòng)的通用混合型水文模型，旨在解決流域水文模擬中以下技術(shù)問(wèn)題。

(1) 解決傳統(tǒng)模型建模方式中各計(jì)算單元上的產(chǎn)匯流模型單一性問(wèn)題。建立適用于不同下墊面條件下的產(chǎn)匯流模型庫(kù)，產(chǎn)流模型包括：適用于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)的新安江模型、NAM模型，適合于干旱地區(qū)的水箱模型，適用于所有流域的API模型。坡面匯流模型包括：?jiǎn)挝痪€模型，滯時(shí)演算模型。河道匯流模型包括：水動(dòng)力學(xué)模型，馬斯京根模型。以此為基礎(chǔ)建立產(chǎn)匯流模型庫(kù)，將有效提高模型搭建的準(zhǔn)確性。

(2) 解決傳統(tǒng)建模計(jì)算過(guò)程中通用性不強(qiáng)的問(wèn)題。以成熟完善的技術(shù)方案為指導(dǎo)，建立1套通用的模型搭建系統(tǒng)，主要功能包括：數(shù)據(jù)導(dǎo)入，模型搭建，洪水摘錄，模型率定，模型應(yīng)用。通過(guò)以上功能將有效解決以往搭建工具通用性不足的問(wèn)題，同時(shí)有效減少了模型搭建過(guò)程中人為因素所導(dǎo)致的誤差，提升模型搭建的準(zhǔn)確性與通用性。

農(nóng)村水利現(xiàn)代化是一項(xiàng)跨領(lǐng)域的社會(huì)性系統(tǒng)工程，必須建立相應(yīng)的機(jī)構(gòu)專門推動(dòng)，整體協(xié)調(diào)推進(jìn)天津市農(nóng)村水利現(xiàn)代化，盡快組織起草并以市政府名義印發(fā)《關(guān)于加快天津市農(nóng)村水利現(xiàn)代化的意見(jiàn)》，統(tǒng)籌天津市發(fā)展改革、水務(wù)、財(cái)政、農(nóng)業(yè)、國(guó)土房管等部門，密切配合，建立工作機(jī)制，強(qiáng)化部門合作，細(xì)化工作措施，支持農(nóng)村水利現(xiàn)代化，明確農(nóng)村水利現(xiàn)代化年度工作計(jì)劃，制定相應(yīng)的工作時(shí)間表；有農(nóng)業(yè)區(qū)縣是農(nóng)村水利現(xiàn)代化的責(zé)任主體，應(yīng)成立相應(yīng)的組織機(jī)構(gòu)，將各項(xiàng)工作任務(wù)落實(shí)到分解到部門、細(xì)化到責(zé)任人。

(3) 解決傳統(tǒng)模型建模方式中各計(jì)算單元上的產(chǎn)匯流模型不能靈活配置的問(wèn)題。通過(guò)自由選擇的方式進(jìn)行流域水文模型的智能搭建，在模型搭建過(guò)程中，用戶可依據(jù)模型搭建的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)各計(jì)算單元產(chǎn)匯流模型的自由組合，從而提高模型的計(jì)算精度。

2 研究方法

本文以JAVA平臺(tái)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)通用預(yù)報(bào)模型產(chǎn)品庫(kù)，對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口，并形成可靈活配置的模型后臺(tái)，建立了1套完整流域情景驅(qū)動(dòng)的通用混合型水文模型，實(shí)現(xiàn)了情景驅(qū)動(dòng)的水文模型靈活組建，具體步驟如圖1所示，包括數(shù)據(jù)輸入，模型搭建，洪水摘錄，模型率定，模型應(yīng)用。

圖1 基于情景驅(qū)動(dòng)的水文模型靈活組建策略方法流程Fig.1 Flow chart of flexible establishment strategy of hydrological model based on scenario drive

2.1 模型自由組合構(gòu)建

為了詳盡地反映降雨的時(shí)空分布和下墊面水文地質(zhì)條件的差異，更好地揭示各區(qū)域的產(chǎn)匯流規(guī)律，以提高預(yù)報(bào)成果的精度，通常建立分塊式降雨-徑流流域模型，即將預(yù)報(bào)流域適當(dāng)?shù)胤殖啥鄠€(gè)子流域，依據(jù)不同子流域的特點(diǎn)選用不同的水文模型進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，將水文模型在預(yù)報(bào)流域內(nèi)進(jìn)行多種方式組合，使整個(gè)流域的產(chǎn)匯流計(jì)算達(dá)到最優(yōu)化，計(jì)算流程如圖2所示，其中具體過(guò)程如下。

圖2 模型組合計(jì)算原理Fig.2 Schematic diagram of model combination calculation

(1) 子流域出口流量計(jì)算。根據(jù)流域分布地理特點(diǎn)及匯流等流時(shí)特征，將流域劃分成若干子流域，各子流域應(yīng)用合適的流域水文模型進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，模型計(jì)算的流量為子流域出口流量。

(2) 干流出口流量計(jì)算。根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系確定子流域的上下游關(guān)系，上一個(gè)子流域的出流斷面為下一個(gè)子流域的入流斷面，在每個(gè)子流域內(nèi)，對(duì)入流斷面的流量進(jìn)行馬斯京根流量演算，得到相應(yīng)的干流出口流量。

(3) 流域出口流量計(jì)算。在每個(gè)子流域的出口斷面，其相應(yīng)子流域出口流量與干流出口流量按時(shí)差疊加，疊加后形成該子流域出口斷面的總流量，即為下一個(gè)子流域入流斷面的流量，依次向下一個(gè)子流域出口進(jìn)行演算，最終推得流域出口的總流量。

2.2 參數(shù)自動(dòng)率定

水文模型參數(shù)的率定方法主要有人工試錯(cuò)法和自動(dòng)優(yōu)化法。人工試錯(cuò)法率定模型參數(shù)主要依據(jù)個(gè)人主觀評(píng)估模擬結(jié)果，很大程度上依賴調(diào)試人員的經(jīng)驗(yàn)，從而增加了模型的不確定性。自動(dòng)優(yōu)化方法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的參數(shù)率定方法，應(yīng)用于水文模型參數(shù)率定的自動(dòng)優(yōu)化方法主要可以分為局部?jī)?yōu)化方法和全局優(yōu)化方法。由于流域水文模型大多是非線性的，局部?jī)?yōu)化算法受起始點(diǎn)影響較大，對(duì)于不同的起始點(diǎn)會(huì)在不同的點(diǎn)結(jié)束運(yùn)算，從而帶來(lái)不同的優(yōu)化結(jié)果。水文模型參數(shù)的全局優(yōu)化具有搜索策略的局限性、目標(biāo)函數(shù)的不連續(xù)性、參數(shù)間的高度非線性相互作用和影響等特征，從而使優(yōu)選過(guò)程非常復(fù)雜，難以收斂到全局最優(yōu)解。

SCE-UA算法是一種有效解決非線性約束最優(yōu)化問(wèn)題的方法，綜合了確定性搜索、隨機(jī)搜索和生物競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)化等方法的優(yōu)點(diǎn)，可以快速地搜索到水文模型參數(shù)全局最優(yōu)解，目前在流域水文模型參數(shù)優(yōu)選中應(yīng)用十分廣泛。本文采用SCE-UA算法，以NASH系數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行模型參數(shù)率定，如式(1)所示。

(1)

2.3 混合模型組件

不同模型之間的連接或耦合技術(shù)主要分為外部耦合、內(nèi)部耦合、全耦合技術(shù)。但總體而言，基于內(nèi)部耦合與全耦合技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模型之間的聯(lián)合模擬研究相對(duì)較少。外部耦合技術(shù)，即將一個(gè)模型的輸出結(jié)果作為另一個(gè)模型的輸入條件，通常被視為一種最有效、最簡(jiǎn)單的方法去實(shí)現(xiàn)不同模型的聯(lián)合，進(jìn)而完成對(duì)復(fù)雜流域系統(tǒng)的切實(shí)完整模擬。為了真實(shí)模擬復(fù)雜水動(dòng)力過(guò)程的河流或地表水體，水動(dòng)力模型通常需要連接流域水文模型來(lái)獲取流量輸入條件。耦合過(guò)程如下。

(1) 概念性水文模型與水動(dòng)力學(xué)模型耦合?；诟拍钚运哪Ｐ陀脕?lái)模擬上游流域的徑流輸出，將其作為水動(dòng)力模型的輸入條件(邊界條件)。根據(jù)需求利用一維水動(dòng)力學(xué)模擬，演算至相應(yīng)斷面。通過(guò)概念性水文模型獲取區(qū)間徑流并匯入相應(yīng)斷面。將區(qū)間徑流與上游河道的水動(dòng)力學(xué)模擬流量疊加作為新的水動(dòng)力模型輸入條件(邊界條件)。利用新的輸入條件向下游繼續(xù)演算。通過(guò)此耦合方式不斷演算，最終至流域出口。

(2) 分布式水文模型與水動(dòng)力學(xué)模型耦合。由于分布式水文模型將整個(gè)流域內(nèi)部柵格化，每個(gè)柵格為一個(gè)獨(dú)立計(jì)算單元，故在流域內(nèi)部不滿足一維水動(dòng)力耦合條件，因此一維水動(dòng)力與分布式水文模型耦合計(jì)算只存在于流域外部，具體耦合可分為如下兩種情況：① 當(dāng)計(jì)算流域?yàn)殚]合流域時(shí)，則流域無(wú)上游來(lái)水，分布式模型計(jì)算上游來(lái)水為零，計(jì)算所得出口流量可作為水動(dòng)力模型上邊界條件，根據(jù)需求可以將出口流量演算至相應(yīng)斷面；② 當(dāng)計(jì)算流域?yàn)榉情]合流域時(shí)需考慮龍頭斷面入流情況，計(jì)算時(shí)將龍頭斷面入流通過(guò)水動(dòng)力模型演算至子流域出口，與流域內(nèi)產(chǎn)流一同演算至流域出口作為水動(dòng)力模型上邊界條件，然后根據(jù)需求演算至相應(yīng)斷面。

3 混合型水文模型平臺(tái)研發(fā)技術(shù)路線

3.1 通用平臺(tái)總體框架

以技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)實(shí)用、結(jié)構(gòu)合理、產(chǎn)品主流、低成本、低維護(hù)量作為基本建設(shè)原則，通用平臺(tái)規(guī)劃的整體構(gòu)架如圖3所示，包括數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層、用戶層。

圖3 通用平臺(tái)總體框架Fig.3 General framework of general platform

(1) 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層集中組織和管理洪水預(yù)報(bào)所需的各類數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、工程信息數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層為水文模型的展示提供數(shù)據(jù)支撐。

(2) 平臺(tái)層。應(yīng)用支撐平臺(tái)層包括地理信息系統(tǒng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和支撐業(yè)務(wù)系統(tǒng)的各類引擎和中間件。其中，地理信息系統(tǒng)平臺(tái)負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)的管理維護(hù)和信息查詢，數(shù)據(jù)管理平臺(tái)包括數(shù)據(jù)交換、模型接口、用戶管理等。

(3) 應(yīng)用層。應(yīng)用層包括應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)信息展示、應(yīng)用服務(wù)等人機(jī)交互功能，為系統(tǒng)使用、維護(hù)人員，系統(tǒng)訪問(wèn)用戶等提供美觀、簡(jiǎn)潔和全新體驗(yàn)的操作界面，用戶使用瀏覽器即可進(jìn)行操作。應(yīng)用層包括流域水文水資源通用模型系統(tǒng)的各個(gè)業(yè)務(wù)功能模塊，分為模型選擇、數(shù)據(jù)輸入、模型搭建、洪水摘錄、模型率定、方案管理、模型應(yīng)用。

(4) 用戶層。用戶層包括整個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)用戶，主要包括流域防汛部門、水文局、水庫(kù)管理單位等，各用戶按不同的權(quán)限和業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限的內(nèi)容獲取與展示。

3.2 通用平臺(tái)功能

通用平臺(tái)提供集總式新安江模型、集總式API模型、集中式NAM模型、集總式TANK模型、集總式組合模型、分布式新安江模型、分布式NAM模型、分布式TANK模型、一維水動(dòng)力模型供用戶選擇，如圖4所示。

圖4 模型選擇Fig.4 Model selection

(1) 該平臺(tái)提供多樣數(shù)據(jù)輸入方式，當(dāng)用戶選擇模型后進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入頁(yè)面，用戶可以以圖層形式導(dǎo)入河流、子流域、雨量站、水文站、權(quán)重等信息，并指定模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照平臺(tái)提供的EXCEL模板進(jìn)行雨量、流量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)輸入Fig.5 Data input

(2) 該平臺(tái)提供自由搭建模型，依據(jù)各子流域?qū)嶋H需要選擇合適的產(chǎn)匯流模型，同時(shí)實(shí)現(xiàn)模型的自由組合，如圖6所示。

圖6 模型搭建Fig.6 Model construction

(3) 該平臺(tái)提供洪水摘錄、管理功能。模型搭建后之后進(jìn)行洪水摘錄，摘錄時(shí)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)插值和洪水特征值統(tǒng)計(jì)，如圖7所示。

圖7 次洪摘錄Fig.7 Extract of flood

(4) 該平臺(tái)提供自動(dòng)率參和手動(dòng)率參功能。以摘錄的場(chǎng)次為基礎(chǔ)，利用SCE_UA算法實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)率定，同時(shí)支持手動(dòng)率參功能，便于用戶進(jìn)行參數(shù)率定和參數(shù)驗(yàn)證，如圖8所示。

圖8 參數(shù)率定 Fig.8 Parameter calibration

(5) 該平臺(tái)提供方案管理功能。預(yù)報(bào)成果管理通過(guò)方案名稱(模糊查詢)、方案類型、制作人、方案制作時(shí)間范圍、方案開(kāi)始時(shí)間范圍以及方案結(jié)束時(shí)間范圍查詢預(yù)報(bào)成果實(shí)現(xiàn)，并能對(duì)單個(gè)成果方案進(jìn)行查看和刪除操作，如圖9所示。

圖9 方案管理Fig.9 Scheme management

(6) 該平臺(tái)提供模型應(yīng)用功能。利用存儲(chǔ)的模型方案，輸入雨量和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行水文模擬計(jì)算，如圖10所示。

圖10 模型應(yīng)用Fig.10 Model application

4 應(yīng)用案例分析

漢江是長(zhǎng)江中游最大的一級(jí)支流，發(fā)源于陜西省漢中市寧強(qiáng)縣潘冢山，自西向東流經(jīng)陜西省漢中市、安康市，于安康市白河縣出陜西進(jìn)入湖北十堰，在湖北省丹江口與漢江最大的支流丹江匯合進(jìn)入丹江口水庫(kù)，出丹江口水庫(kù)后繼續(xù)向東南流，過(guò)襄陽(yáng)、荊門等市，在武漢市匯入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)1 577 km，流域面積15.9萬(wàn)km2。

選取漢江流域中的安康-白河區(qū)間作為此次模型驗(yàn)證的目標(biāo)流域。該區(qū)間總面積為5 531 km2，包含安康、桂花園、向家坪、長(zhǎng)沙壩、白河5個(gè)水文站，其中，桂花園水文站為支流壩河的控制站，向家坪水文站為支流旬河的控制站，長(zhǎng)沙壩水文站為支流夾河的控制站，白河水文站為該區(qū)間出口斷面控制站。洪水預(yù)報(bào)計(jì)算模型中涉及18個(gè)雨量站，分別為獅坪、秋坪、茨溝、花里墟、平利、六口、米糧、南寬坪、兩河關(guān)、長(zhǎng)槍鋪、安康、縣河口、桂花園、向家坪、蜀河、紅軍、長(zhǎng)沙壩、白河雨量站，區(qū)間雨量站位置分布如圖11所示。根據(jù)水文模型適用性和子流域的下墊面情況，區(qū)域子流域劃分及模型選擇情況如圖12所示。安康-白河區(qū)間1992～2010年間的20場(chǎng)洪水作為全部樣本，其中1992年7月11日至2000年間的12場(chǎng)洪水作為參數(shù)率定樣本，用以得出系統(tǒng)所需要的各個(gè)參數(shù)并進(jìn)行調(diào)整，2000～2010年間的8場(chǎng)洪水作為驗(yàn)證樣本，用以驗(yàn)證率定所得參數(shù)是否正確，評(píng)估系統(tǒng)的模擬效果。

圖11 流域水文站網(wǎng)構(gòu)架Fig.11 Framework of hydrological station network in the basin

注：XAJ為新安江模型；API為API模型；TANK為水箱模型；NAM為NAM模型。圖12 研究區(qū)域子流域劃分及模型選擇Fig.12 Sub watershed division and model selection in the study area

模擬結(jié)果如圖13～14，表1～2所示。12場(chǎng)洪水在率定期的模擬值與實(shí)測(cè)值基本重合，洪峰合格率達(dá)到100%，平均確定性系數(shù)達(dá)到0.94，峰現(xiàn)時(shí)間合格率達(dá)到75%(以3 h以內(nèi)為合格)；8場(chǎng)洪水在驗(yàn)證期的模擬值與實(shí)測(cè)值基本重合，洪峰合格率達(dá)到91%，平均確定性系數(shù)達(dá)到0.91，峰現(xiàn)時(shí)間合格率達(dá)到75%(以3 h以內(nèi)為合格)，模擬精度較高，能夠滿足生產(chǎn)實(shí)際需求。

圖13 12場(chǎng)洪水參數(shù)率定結(jié)果Fig.13 Calibration results of 12 flood parameters

注：為直觀展示顯示效果，本文重點(diǎn)驗(yàn)證洪峰流量，橫坐標(biāo)刻度未均勻分布，數(shù)值對(duì)應(yīng)為洪峰出現(xiàn)時(shí)間。圖14 8場(chǎng)洪水參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果Fig.14 Verification results of 8 flood parameters

表1 12場(chǎng)洪水參數(shù)率定結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical table of 12 flood parameter calibration results

表2 8場(chǎng)洪水參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical table of verification results of 8 flood parameters

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究適用于不同下墊面條件下的產(chǎn)匯流模型庫(kù)，可有效提高模型搭建的準(zhǔn)確性。通過(guò)自由選擇的方式進(jìn)行流域水文模型的智能搭建，在模型搭建過(guò)程中，用戶可依據(jù)模型搭建的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)各計(jì)算單元產(chǎn)匯流模型的自由組合，從而提高模型的計(jì)算精度。