降雨時(shí)空分辨率的尺度變化對分布式水文模擬影響的分析研究

徐 飛

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043)

當(dāng)前，分布式水文模型可綜合考慮流域下墊面及降水時(shí)空分辨率變化，成為水文模擬的一種重要用途[1]。降雨作為水文模型的重要輸入，其時(shí)空尺度變化對水文模擬影響程度較大。當(dāng)前，降雨時(shí)空尺度變化對分布式水文模擬的影響已取得一定的研究成果[2- 5]，但大都基于靜態(tài)參數(shù)，即采用同一組參數(shù)分析降雨時(shí)空尺度變化對分布式水文模擬精度的影響，而對于動態(tài)參數(shù)，即參數(shù)動態(tài)變化下降水時(shí)空尺度變化對分布式水文模擬精度影響的研究還較少，為此本文同時(shí)結(jié)合靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)，結(jié)合當(dāng)前在國內(nèi)應(yīng)用較為成熟的SWAT模型[6- 9]，以渾河干流主要控制站沈陽站為研究區(qū)域，定量分析降雨時(shí)空變化尺度對分布式水文模擬的影響。

1 研究方法

1.1 時(shí)間尺度分析

從兩個(gè)方面進(jìn)行時(shí)間尺度變化對分布式水文模擬精度的影響：①靜態(tài)參數(shù)分析法，結(jié)合3h降雨時(shí)段數(shù)據(jù)，通過聚集方法將其離散成不同時(shí)段雨量數(shù)據(jù)探討其對分布式水文模擬精度的影響；②動態(tài)參數(shù)分析法，結(jié)合不同時(shí)間分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)用動態(tài)變化模型參數(shù)，使得模擬值和實(shí)測值盡可能吻合，從而探討不同降雨累計(jì)時(shí)間對水文模擬參數(shù)及模擬精度的影響。

1.2 空間尺度分析

為分析降雨空間分辨率對分布式水文模擬精度的影響，將空間分辨率的網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)通過聚集方法離散成空間分辨率分別為1、4、8、13、32、64km分辨率的網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)，由于在流域分水線降雨空間聚集較容易產(chǎn)生較大的誤差，因此本文采用柵格加權(quán)平均對流域網(wǎng)格降雨進(jìn)行空間加權(quán)平均。再將空間加權(quán)平均后的降雨數(shù)據(jù)離散分配到每一個(gè)網(wǎng)格計(jì)算單元是，使得網(wǎng)格計(jì)算單元內(nèi)具有相同的降雨量值。

在進(jìn)行降雨空間尺度分析時(shí)，降雨數(shù)據(jù)在確定不發(fā)生變化的前提下，需要使得模型的參數(shù)進(jìn)行固定，使得所有場次洪水的模擬精度具有可比性，因此在分析降雨空間尺度變化時(shí)增加兩個(gè)降雨變化的特征參數(shù)進(jìn)行分析。

流域累計(jì)面平均雨量AVP的計(jì)算方程為：

(1)

式中，αi—降雨權(quán)重指數(shù)；Pi—第i個(gè)單元網(wǎng)格的累計(jì)降雨量；N—網(wǎng)格單元的個(gè)數(shù)。

結(jié)合CV值來表示降雨空間離散程度的變差系數(shù)值，其計(jì)算方程為：

(2)

式中，變量含義同公式(1)中的變量含義。

2 研究結(jié)果

2.1 研究區(qū)域概況

沈陽站是渾河中游的重點(diǎn)水情控制站(在大伙房水庫以下73km)。大伙房水庫至沈陽站區(qū)間集水面積2482km2，是由山區(qū)至平原的漸變段，區(qū)間有遼寧省重要工業(yè)城市撫順市。沈陽站來水由大伙房水庫泄流和大伙房水庫至沈陽站區(qū)間洪水組成。流域內(nèi)有7個(gè)雨量站點(diǎn)，各雨量站點(diǎn)的權(quán)重見表1。結(jié)合區(qū)域內(nèi)1980—2017年實(shí)測洪水?dāng)?shù)據(jù)，對比分析不同降雨時(shí)空尺度變化對分布式水文模擬精度的影響。

表1 沈陽站以上流域內(nèi)降雨站點(diǎn)權(quán)重值

2.2 降雨時(shí)間分辨率影響分析

2.2.1靜態(tài)參數(shù)分析結(jié)果

首先對SWAT模型采用靜態(tài)參數(shù)分析不同時(shí)間分辨率下的洪水模擬精度，通過聚集方法將其離散成不同時(shí)段雨量數(shù)據(jù)探討其對分布式水文模擬精度的影響，選取沈陽站較為典型的6場洪水進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2—4。

表2 靜態(tài)參數(shù)下不同時(shí)間分辨率的洪水模擬精度(#19850820�)

表4 靜態(tài)參數(shù)下不同時(shí)間分辨率的洪水模擬精度(#20130720�)

在靜態(tài)參數(shù)下，降雨時(shí)間的聚集對分布式水文模型SWAT模型模擬精度影響較大，隨著降雨累計(jì)時(shí)間的增長，各場次洪水模擬精度逐漸降低。這主要因?yàn)榻涤昀塾?jì)時(shí)間的不斷增加會使得不同時(shí)段內(nèi)的雨強(qiáng)減小，使得降雨在時(shí)空分配上的均化性增強(qiáng)，從而影響洪水模擬的精度。

2.2.2動態(tài)參數(shù)分析結(jié)果

結(jié)合不同時(shí)間分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)用動態(tài)變化的模型參數(shù)對各場次洪水進(jìn)行模擬，動態(tài)化參數(shù)見表5。探討不同降雨累計(jì)時(shí)間對水文模擬參數(shù)及模擬精度的影響，洪水模擬結(jié)果見表6—7。

表5 SWAT模型參數(shù)動態(tài)設(shè)置結(jié)果

隨著降雨時(shí)間分辨率的增加，模型的參數(shù)是不能相互移用的，必須結(jié)合不同降雨分辨率數(shù)據(jù)，對模型參數(shù)進(jìn)行重新調(diào)整，這樣才能保證模型模擬的精度。此外，隨著降雨聚集程度的增加，降雨過程總體被均化，因此雨量信息會受到一定程度的丟失。

2.3 降雨空間分辨率影響分析

為分析降雨空間分辨率對分布式水文模擬精度的影響，將空間分辨率的網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)通過聚集方法離散成空間分辨率分別為1、4、8、13、32、64km分辨率的網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)，選取4場典型洪水分析不同降雨空間分辨率對分布式水文模型洪水模擬精度的影響，分析結(jié)果見表8—11。

從4場典型洪水模擬結(jié)果可看出，在靜態(tài)參數(shù)下，降雨空間分辨率的變化對分布式水文模擬精度影響程度較小，各典型場次洪水確定性系數(shù)變動較小，降雨空間分辨率的增加并未使得區(qū)域面平均降雨量有所影響，因此各典型洪水的洪峰和洪量誤差略微增加，降雨空間聚集程度增加，會使得降雨空間變化特性有所減小。

2.4 降雨-徑流特征分析

在降雨時(shí)空分辨率分析的基礎(chǔ)上，對降雨特征與洪峰、洪量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果見圖1—2。

表6 動態(tài)參數(shù)下不同降雨累計(jì)時(shí)間的洪水模擬精度(#19850820��)

表7 動態(tài)參數(shù)下不同降雨累計(jì)時(shí)間的洪水模擬精度(#20100710��)

表8 不同空間分辨率的各次洪水模擬精度(#19850820)

表9 不同空間分辨率的各次洪水模擬精度(#19960724)

表10 不同空間分辨率的各次洪水模擬精度(#20050814)

表11 不同空間分辨率的各次洪水模擬精度(#20100710)

圖1 AVP與洪量之間額相關(guān)性

圖2 AVP與洪峰之間的相關(guān)性

從圖1—2中可看出，面平均降雨量AVP值與洪峰誤差的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)均值可以達(dá)到0.551，面平均降雨之間影響流域出口的洪峰值的大小，面平均降雨AVP值與洪量誤差的相關(guān)性要低于其和洪峰誤差之間的相關(guān)性，兩者之間的相關(guān)系數(shù)的均值可以達(dá)到0.3452。從降雨特征的分析結(jié)果可看出，雨量空間聚集對面平均降雨的影響要大于降雨空間聚集程度的影響。

3 結(jié)語

(1)降雨空間分辨率對洪水模擬精度影響程度較低，只對洪峰和洪量產(chǎn)生略微影響，降雨空間聚集程度增加，會使得降雨空間變化特性有所減小。

(2)本文提出的雨量空間聚集方法對面平均降雨的影響要大于降雨空間聚集程度的影響，在以后的研究中還應(yīng)改進(jìn)雨量空間聚集的方法。