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  暴雨灾害   2020, Vol. 39 Issue (6): 666-673.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2020.06.015

“2020年梅汛期降水研究”专刊

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2020.06.015

资助项目

国家重点研发计划(2018YFC1507200);国家自然基金重点国际合作研究项目(41620104009);湖北省气象局科技发展基金重点项目(2015Z02,2018Z05)

第一作者

殷志远, 主要从事水文气象耦合预报及径流模拟研究。E-mail:yzy87888073@126.com.

通信作者

杨芳, 主要从事气象信息通信研究。E-mail:548599113@qq.com.

文章历史

收稿日期:2020-10-30
定稿日期:2020-11-20
自动站分钟降雨数据在流域径流模拟中的应用研究
殷志远1 , 杨芳2 , 彭涛1 , 胡小梅3     
1. 中国气象局武汉暴雨研究所 暴雨监测预警湖北省重点实验室, 武汉 430205;
2. 湖北省气象信息与技术保障中心, 武汉 430074;
3. 湖北省漳河工程管理局, 荆门 448100
摘要:以湖北省漳河水库为例,选取2008—2017年的降雨和流量数据,分析了新安江模型和SCS模型基于分钟降雨条件下的径流模拟情况,同时结合2020年漳河水库6月27—29日的一次洪水过程,对比分析了不同流域洪水过程中,两个模型的模拟特点。结果表明:(1)新安江模型的效率系数高于SCS模型10%~20%,洪峰相对误差和峰现时差两者相当,但SCS模型可用于无水文资料地区的径流模拟。(2)对漳河水库历史个例的模拟,当时间分辨率低于阈值时,新安江模型和SCS模型计算的效率系数会趋于稳定,且新安江的分辨率阈值要小于SCS模型。在时间分辨率为15 min左右时,两个模型的洪峰相对误差和峰现时差达到最小值。(3)在2020年洪水个例的模拟中,两个模型在效率系数和洪峰相对误差上均存在最优时间分辨率阈值为10 min。
关键词分钟降雨    径流模拟    SCS模型    漳河流域    
Application research of minute precipitation data from automutic rainfall stations in runoff simulations
YIN Zhiyuan1 , YANG Fang2 , PENG Tao1 , HU Xiaomei3     
1. Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research, Institute of Heavy Rain, Wuhan 430205;
2. Hubei Meteorological Information and Technological Support Centre, Wuhan 430074;
3. Hubei Zhanghe Project Administration Bureau, Jingmen 448100
Abstract: Taking Zhanghe reservoir in Hubei province as an example, the runoff simulations of Xin'anjiang model and SCS model under the condition of minute precipitation were analyzed based on the precipitation and discharge data from 2008 to 2017. At the same time, combining with a event at Zhanghe reservoir from June 27 to 29 in 2020, the simulation characteristics of the two models in the extreme flood event in different basins were compared and analyzed. The result show that:(1) The efficiency coefficient of Xin'anjiang model was 10%-20% higher than that of SCS model, and the relative errors in flood peak and the peak time difference are comparable. But SCS model can be used for runoff simulation in areas without hydrological data. (2) In the simulation of the Zhanghe reservoir historical case, the time resolution threshold existed in the efficiency coefficient of Xin'anjiang model and SCS model, and the resolution threshold of Xin'anjiang model was smaller than that of SCS model. When the resolution was about 15 min, the relative error of flood peak and the peak time difference of the two models can reach the minimum value. (3) In the simulation of the flood in 2020, the two models had the optimal time resolution threshold that is 10 min both in efficiency coefficient and relative error of flood peak.
Key words: minute precipitation    runoff simulation    SCS model    Zhanghe    
引言

暴雨洪涝灾害因其影响范围广、致灾程度大等特点一直是我国各级政府关注的焦点(国家科委全国重大自然灾害综合研究组,1994水利部水文局,2010)。近年来,许多水文气象专家学者通过采用多种研究方式将水文学和气象学进行耦合,开展了大量的水文气象模拟试验研究。包红军和赵琳娜(2012)以TIGGE集合预报结果(共计105个集合预报成员)驱动水文模型,对2007—2008年淮河汛期进行洪水预报试验,结果表明,TIGGE集合预报驱动的洪水预报预见期延长了72—120 h。叶金印等(2013)将5种雷达降雨数据与水文模型HEC-HMS相耦合对淮河息县流域进行径流模拟,结果表明:分布式水文模型能有效减小雷达降雨数据的传递误差,5种雷达降雨数据中,联合校准法的模拟效果最好。彭涛等(2017)基于不同时间尺度,针对湖北省古洞口水库开展了流域致汛临界面雨量研究,研究结果给出了在不同基准水位和时间尺度下,流量和水位的变化曲线。殷志远等(2017)基于WRF模式不同空间分辨率降雨预报产品对湖北省漳河流域开展洪水预报试验研究,试验结果表明模式预报降雨用于驱动水文模型,在空间分辨率上并不是越高越好,而是存在一个最佳取值。闵心怡等(2020)将多种卫星降雨数据与站点实测降雨数据进行融合,对新安江流域开展了洪水模拟研究,研究表明,卫星降雨数据与实况降雨进行融合后,误差明显减小,洪水模拟效果显著提高。

以上研究展示了目前常见的水文气象耦合方式,这些研究成果延长了洪水预报预见期,在一定程度上提高了洪水预报精度,但是对时间分辨率的考虑大都停留在小时量级,对于产汇流时间较短的流域,其预报结果可能会出现较大的偏差,因此需要进一步提高时间分辨率来满足预报需要。目前,已有专家学者对自动气象站分钟降雨数据进行了一些研究(盛杰等,2012陈静等,2015方怡等,2017刘樱等,2019),从研究结论来看,自动站逐分钟降雨数据对计算结果的影响大都是正效应,有效弥补了小时雨量时间分辨率低的缺陷。本文以湖北省漳河水库为例,将湖北省气象自动站的分钟降雨数据用于入库洪水的径流模拟,探讨在分钟级时间尺度洪水径流模拟的差异,为分钟级降雨数据应用于洪水预报进行一些有益的尝试。

1 资料和方法 1.1 数据资料

本文采用的计算资料主要包括:2008—2017年漳河水库逐小时流量数据,以及对应时段的湖北省气象自动站逐分钟降雨数据,其中2008—2013年的8次洪水过程用于模型参数的率定,2014—2017年的4次洪水过程用于模拟检验。2020年6月入梅以来,长江流域持续遭受大范围强降雨的袭击,多个站点和流域的水位流量观测值破历史记录,造成7 000多万人次受灾、直接经济损失超过2 100亿元,因此针对今年湖北省内的汛情,收集了2020年漳河水库6月27—29日的一次个例过程,此次过程水库水位上涨1.58 m,拦蓄洪水1.39亿立方米,削峰率达到100%。需要说明的是,由于实测流量只有小时流量数据,没有分钟流量数据,因此只能在有实测数据的时间节点上对计算结果进行检验和比较。漳河位于湖北省中部,东距荆门市城区18 km,漳河水库承雨面积2 212 km2,总库容20.35亿立方米,是以灌溉为主,兼有防洪、发电、养殖、航运等综合利用的大型水利枢纽(赵金河和陈学德,2001),流域内分布有17个自动气象站点(图 1)。

图 1 漳河流域示意图 Fig. 1 Map of Zhanghe river basin.
1.2 模型方法

本文分别采用了新安江和SCS两种水文模型进行计算分析。其中新安江模型最早由原华东水利学院(现为河海大学)的赵人俊教授等提出来的(赵人俊,1984赵人俊和王佩兰,1988),并开始在水情预报和遥测自动化的实时洪水预报系统中大量应用,模型按照蓄满产流概念计算降雨产生的总径流量,通过水源划分把总径流量划分成饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流,然后综合采用单位线法、线性水库法和马斯京根法对地面径流、壤中流和地下径流进行汇流演算,进而得到流域出口断面的流量。该模型发展至今已形成了理论上具有一定系统性、结构较为完善、应用效果较好的流域水文模型,并被联合国科教文组织列为国际推广模型而广为国内外水文学家所了解和应用。

SCS模型是由美国农业部(USDA)于1954年开发(Ponce V M et al., 1989), 用于计算地表直接径流, 现更名为URC-CN模型。该模型是应用最为广泛的水文模型之一, 具有参数少、简单易行、对观测数据要求不严格等特点。该模型考虑了流域下垫面的特点以及人类活动对径流的影响,能反映不同土壤类型、不同土地利用方式及前期土壤含水量对降水径流的影响,可应用于无资料流域(甘衍军等,2010罗鹏和宋星原,2011)。模型的关系式如下:

$ \frac{R}{S} = \frac{Q}{{P - {I_a}}} $ (1)

式(1)中,R为实际入渗量(mm),S为流域当时可能最大的滞留量(mm),Q为地表径流量(mm),P为过程降雨总量(mm),Ia降雨初损值(mm)。

根据美国农业部水土保持局对本土多个流域的大量实验分析总结出Ia = 0.2S (Victor M P et al., 1996),再结合水量平衡原理就可以得出用于一般情况下的计算表达式:

$ \left\{\begin{array}{cc} \frac{(p-0.2 S)^{2}}{(p+0.8 S)} & P \geq 0.2 S \\ 0 & P \leq 0.2 S \end{array}\right. $ (2)

S是一个无量纲参数,通过引入参数CN可以得到CNS的关系式为:

$ S = \frac{{25400}}{{CN}} - 254 $ (3)

式(3)中,CN是一个反映土地利用、土壤类型、前期土壤含水量的一个综合指标。CN的取值范围在0~100之间,一般由土壤前期湿润程度和土壤类型所决定,可通过查表得到不同条件下的CN值(SCS national engineering handbook, 1985; Boughton W J, 1996),本文中CN的取值为92,汇流模型采用的是单位线法。

模型计算结果评价指标采用的是效率系数(DC),洪峰相对误差(DQ)和峰现时差(DT)三个指标(水利部水文局,2000)。需要说明的是,下文中出现的平均效率系数指的是各洪水过程的效率系数算术平均值,平均绝对洪峰相对误差指的是多个洪水过程的洪峰相对误差绝对值取算术平均,平均绝对峰现时差指的是多个洪水过程的峰现时差绝对值取算术平均。

由于新安江模型参数较多,需要通过实测资料进行参数率定,因此建立目标函数CTF

$ C T F=\sum\limits_{i=0}^{n}\left(Q_{\text {实 }}-Q_{\text {计 }}\right)^{2}+\left(Q_{\text {max 实 }}-Q_{\text {max 计 }}\right)^{2}+\left|T_{\text {实 }}-T_{\text {计 }}\right| $ (4)

式(4)中,Q为实测流量(m3·s-1),Q为模拟流量(m3·s-1),Qmax实为实测流量最大值(m3·s-1),Qmax计为模拟流量最大值(m3·s-1),T为实测流量峰现时间(h),T为模拟流量峰现时间(h)。当CTF取最小值时,对应的模型参数即为最优。

表 1 新安江模型参数 Table 1 Parameters of Xin'anjiang model.
2 历史个例径流模拟 2.1 新安江模型模拟试验

文中基于1 min降雨数据,对时间分辨率进行了进一步分类,划分的标准是将1 h平均分成若干份相同的时间段,比如将1 h按1 min间隔划分可以得到60等份,按2 min间隔划分可以得到30等份,依次类推,按照这种分法可以得到12种时间分辨率:1 min,2 min,3 min,4 min,5 min,6 min,10 min,12 min,15 min,20 min,30 min,60 min。从表 2可以看出时间分辨率为60 min时,新安江模型率定期的平均效率系数为78.34%,平均绝对洪峰相对误差为13.40%,平均绝对峰现时差为1.5 h,达到了乙等作业水平,可以用于流域的径流模拟计算。验证期的平均效率系数为77.78%,平均绝对洪峰相对误差为3.63%,平均绝对峰现时差为3.25 h,从整体模拟效果上看,洪峰流量模拟误差较小,峰现时差模拟误差较大。从洪峰量级上来看,峰值流量较大过程的各项指标要优于峰值流量较小的过程。

表 2 60 min分辨率漳河水库新安江模型率定期和验证期计算结果 Table 2 The result of Xin'anjiang model at the resolution of 60 min during calibration and validation periods in Zhanghe reservoir.

图 2给出的结果来看,验证期四次过程平均效率系数,在时间分辨率为1 min时的数值较小,随着分辨率的降低,效率系数迅速增加,在分辨率为3 min时逐渐达到稳定,数值在70%上下波动,在分辨率为30 min时达到最大值79.43%,平均绝对洪峰相对误差随时间分辨率的降低而减小,在60 min时达到最小值为3.63%,平均绝对峰现时差呈现出来回振荡的特点,但是总体趋势还是随分辨率的降低而减小,在30 min时达到最小值2.25 h。从模拟效果来看,时间分辨率对效率系数的影响存在一个阈值,当分辨率降低到一定程度,效率系数将稳定在一个区间范围内,洪峰相对误差和峰现时差随时间分辨率的变化比较明显,误差最小值一般在分辨率低于15 min时出现。

图 2 新安江模型验证期四次过程分钟级各项模拟指标均值:(a)效率系数和洪峰相对误差;(b)峰现时差 Fig. 2 The simulation indices' mean values of four events during validation period calculated by Xin'anjiang model at minute level. (a) Efficiency coefficient and relative error of flood peak, and (b) time difference of peak.
2.2 SCS模型模拟试验

表 3可以看出,时间分辨率为1 h时,SCS模型率定期的平均效率系数为66.47%,平均绝对洪峰相对误差为9.64%,平均绝对峰现时差为2 h,与新安江模型的模拟结果相比效率系数偏低10%,洪峰相对误差偏小,峰现时差略微偏大。验证期的平均效率系数为60.27%,平均绝对洪峰相对误差为5.44%,平均绝对峰现时差为2 h,从整体模拟效果上看,洪峰相对误差和峰现时差与新安江模型的模拟结果较为接近,但是效率系数明显偏低。

表 3 60 min分辨率漳河水库SCS模型率定期和验证期计算结果 Table 3 The result of SCS model at the resolution of 60 min during calibration and validation periods in Zhanghe reservoir.

图 3给出的验证期分钟级结果来看,随着时间分辨率的降低,平均效率系数逐渐变大,在时间分辨率为30 min时达到最大值63.24%,平均绝对洪峰相对误差则呈现出双峰变化结构,在3 min时达到最大值13.34%,在60 min时达到最小值为2.76%,平均绝对峰现时差在分辨率高于15 min时变化较小,在20 min时迅速减小到最小值1 h。从验证期的模拟效果来看,SCS模型和新安江模型在各项指标上具有不同的特点,其中SCS模型效率系数的分辨率阈值较大,新安江模型的分辨率阈值较小,SCS模型的洪峰相对误差随时间分辨率变化趋势的一致性较新安江模型较弱,但是最小误差对应的时间分辨率较为一致,SCS模型的峰现时差变化与新安江模型相比振荡幅度较小,最小误差对应的时间分辨率大致接近。

图 3 SCS模型验证期四次过程分钟级各项模拟指标均值:(a)效率系数和洪峰相对误差;(b)峰现时差 Fig. 3 The simulation indices' mean values of four events during validation period calculated by SCS model at minute level. (a) Efficiency coefficient and relative error of flood peak, and (b) time difference of peak.
3 2020年汛期漳河水库模拟试验

图 4给出了漳河水库6月26日08—29日20时12种时间分辨率下新安江模型的径流模拟情况,可以看出当时间分辨率为1 min和2 min时,效率系数不足20%,洪峰相对误差超过70%,模拟流量曲线和实测值相差较大,当分辨率为3 min、4 min和5 min时,效率系数逐渐增加至60%左右,洪峰相对误差也减小到50%以内,模拟流量曲线开始逐渐逼近实测值,当分辨率降低至6 min以后,效率系数基本在70%左右上下波动,分辨率为60 min时达到最大值83.94%,洪峰相对误差的变化情况与效率系数相似,变化幅度维持在20%以内,分辨率为30 min时达到最小值-0.88%,峰现时差的变化与前两个指标有所区别,在分辨率高于12 min时,峰现时差基本维持在5 h左右,低于12 min时,才有所减小,当分辨率低于15 min时,误差在2h左右波动。从图 5给出的三项指标结果来看,效率系数和洪峰相对误差的分辨率阈值均为6 min,峰现时差的总体变化趋势是逐渐减小,与第2节中验证期结果相比,三项指标所能达到的最优值比较接近,但是最优值对应的时间分辨率有一定的差别。

图 4 2020年6月26—29日漳河水库新安江模型模拟流量图(黑实线为实测流量,红虚线为模拟流量,下同) (a—l)依次为1 min,2 min,3 min,4 min,5 min,6 min,10 min,12 min,15 min,20 min,30 min,60 min Fig. 4 Simulated flow of Xin'anjiang model of Zhanghe reservoir from June 26 to 29, 2020 (black solid line is measured flow, and red dotted line is simulated flow. The same hereafter) The order is as follows: 1 min, 2 min, 3 min, 4 min, 5 min, 6 min, 10 min, 12 min, 15 min, 20 min, 30 min, and 60 min from (a) to (l).

图 5 2020年6月26—29日漳河水库新安江模型模拟各项指标:(a)效率系数和洪峰相对误差;(b)峰现时差 Fig. 5 The simulated indices of the Xin'anjiang model from June 26 to 29, 2020 in Zhanghe reservoir. (a) Efficiency coefficient and relative error of flood peak, and (b) time difference of peak.

图 6给出SCS模型的径流模拟结果,当时间分辨率为1 min和2 min时,效率系数小于0,洪峰相对误差超过70%,当分辨率为3 min、4 min和5 min时,效率系数开始逐渐增加,但是数值不超过30%,洪峰相对误差则减小较快,数值降低至22%。当分辨率低于10 min时,效率系数开始迅速增加,数值稳定在75%,分辨率为15 min时达到最大值77.95%,当分辨率降低至6 min以后,洪峰相对误差迅速减小,误差维持在10%,分辨率为10 min时达到最小值-0.81%,峰现时差的变化趋势随时间分辨率的降低逐渐增加,在分辨率高于6 min时,峰现时差控制在3 h以内,低于6 min时,误差逐渐增加,在分辨率为1 min、2 min、3 min时峰现时差达到最小值1 h。从图 7给出的三项指标结果来看,效率系数和洪峰相对误差达到最优值的时间分辨率分别为10 min和6 min,峰现时差的变化趋势与前述验证期的结论相反,与新安江模型计算结果相比,SCS模型的效率系数最大值略低,对应的时间分辨率较高,洪峰相对误差的最小值略低,对应的时间分辨率相同,峰现时差的变化趋势与之相反,最小值略低。

图 6 2020年6月26—29日漳河水库SCS模型模拟流量图 Fig. 6 Same as Fig. 4 but for Zhanghe reservoir from June 26 to 29 in 2020.

图 7 2020年6月26—29日漳河水库SCS模型模拟各项指标:(a)效率系数和洪峰相对误差;(b)峰现时差 Fig. 7 The simulated indices of the SCS model from June 26 to 29 in 2020 in Zhanghe reservoir. (a) Efficiency coefficient and relative error of flood peak, and (b) time difference of peak.
4 结论

本文基于湖北省气象自动站分钟降雨数据,分别采用新安江模型和SCS模型对漳河水库2008—2017年的洪水过程进行了模拟计算,同时针对2020年漳河水库6月的一次个例过程进行了分析,得出以下结论:

(1) 从2008—2017年漳河水库个例的模拟计算结果来看,不管是在率定期还是在验证期,新安江模型的效率系数要高于SCS模型,在洪峰相对误差和峰现时差上与SCS模型相当,但是SCS模型计算参数少,对实测资料依赖小,可用于无资料地区的径流模拟。

(2) 在历史个例的径流模拟中,新安江模型和SCS模型的效率系数都存在时间分辨率的阈值,且新安江的分辨率阈值要小于SCS模型。两个模型在洪峰相对误差和峰现时差上的分辨率阈值不明显,其最小值一般在分辨率15 min左右时出现。

(3) 在2020年洪水个例的模拟中,两个模型在效率系数和洪峰相对误差上均存在时间分辨率阈值,最优时间分辨率阈值为10 min。对于极端洪水过程,三项指标均有存在时间分辨率阈值的可能性,需要根据究对象进行具体分析,不可一概而论。

由于本文在研究过程中仅用到了分钟降雨数据而没有收集到对应的分钟流量数据,因此在模拟计算中不可避免的存在误差,这一点在时间分辨率较高时表现的尤为突出,尽管如此,本文在一定程度上初步揭示了分钟降雨数据在径流模拟计算中的一些特点,可为今后的相关研究提供借鉴和参考。

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