基于分布式水文模型的历史暴雨洪水重现技术研究

发布时间：2014-12-03 14:56

【摘要】 松花江流域水土资源相对较丰富,是我国重要的粮食主产区之一。流域属寒温带大陆季风气候区,降雨量年内分布极不均匀,汛期降雨量约占年降雨量70%以上。该流域洪水峰高量大、历时长,保障防洪安全是该流域的首要任务。近年来国民经济发展、人口增多、生活水平提高,对防洪安全提出了更高要求。而随着经济社会发展,松花江流域的土地利用等下垫面覆被及河道状况发生了一定变化,同时流域内修建了大量水利工程,对洪水特性产生了重要影响。本文以第二松花江丰满以上流域作为研究区域,以包括土地利用变化和水利工程兴建在内的人类活动对洪水过程的影响研究为基础,以历史暴雨在现状下垫面下产生的洪水过程变化特性研究为重点,主要内容和成果如下：(1)流域径流变化规律及其影响因素分析研究了第二松花江丰满以上流域内径流量的年内分配、汛期径流量的年代际和年际变化特点。其中,年际变化规律中总结了汛期径流量和最大洪峰的多年变化趋势、突变变化以及丰枯周期性变换规律。分析了影响径流变化的自然因素和人类活动干扰。统计分析了气候因素、厄尔尼诺和拉尼娜现象以及太阳黑子等自然因素对径流的影响。统计了土地利用和水利工程等人类活动干扰因素的发展变化情况,为开展土地利用变化和水利工程兴建对径流影响分析提供了数据支撑。(2)考虑土地利用空间异质性的分布式水文模型研发对分布式水文模型EasyDHM进行了改进,提出了按土地利用类型进行空间离散的方法。将原EasyDHM内等高带(子流域内计算单元)单元,按土地利用类型细化为若干土地利用单元。每个等高带内有至多六个土地利用单元,分别为耕地、林地、草地、水域、居民地及未利用土地单元。每个土地利用单元的下垫面覆被特征采用独立的土地利用参数表征。土地利用参数具有明确的物理意义,在下垫面覆被方式改变后,可仅改变土地利用单元面积、直接移用参数值的方式。通过该模型分析了流域土地利用变化对产流的影响和各土地利用类型的产流贡献率。通过1980年和2000年下垫面覆被下的产流分析,耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地的产流变化率分别为9.18%,0.64%,-1.63%,-5.03%,-3.08%和24.59%。各类土地利用类型的产流单位面积贡献率,由大到小依次为水域、居民地、未利用土地、耕地、林地、草地。基本呈现植被较好的土地利用类型比植被较差的土地利用类型产流少的趋势。(3)分布式水文模型水利工程群调蓄模块研发建立了能够描述不同规模缺资料水库群间主要水力联系的模块。该水利工程调蓄模块中,能够准确定位的大中型水库单独划分水库分区,只能大概定位的小型水库按其所在子流域打包为虚拟水库。不同规模水库间自小型至大型水库按上游到下游位置呈串联关系；同规模小型水库间假定调蓄能力相当,呈并联关系。无实测实时运行资料的水库均按调度图的方式进行蓄泄模拟,相同规模水库采用相同的通用调度图。包括调度图及虚拟水库位置参数在内的水利工程参数采用优化算法率定得到。采用嵌有水利工程群调蓄模块的分布式水文模型,分析水利工程对洪水的影响和进行现状下垫面下的历史暴雨洪水的重现。结果表明,考虑水利工程影响后的模拟精度有所提高：水库在大型洪水和小洪水都起到了很明显的削峰拦洪的作用,并且水库库容变化率对小洪水更加敏感。(4)参数敏感性信息引导搜索方向的优化技术研究受水文模型参数的敏感度不同启发,提出了一种以参数敏感性信息引导搜索方向的动态维度搜索算法,MDDS算法,即为解决高维参数优化问题而提出的DDS算法改进版本。该算法中敏感性分析独立且先于DDS算法运行。搜索策略是设置参数变异概率与参数敏度度呈正相关,模型输出响应较明显的敏感参数相比较敏感度弱的参数具有更多的变异机会,同时敏感度弱的参数仍有一定的变异机会；这种策略结合了敏感参数的变异倾向性和动态选择参数的随机性,在较低计算量下具有较高的搜索效率。测试结果表明,MDDS算法更适合具有高参数维度空间的分布式水文模型。在模型评价次数有限时,MDDS算法相对于DDS算法有更高的搜索效率和更好的稳定性。在与SCE算法和仅识别15个敏感参数DDS算法的性能比较中,MDDS算法均表现除了较高的搜索效率。(5)历史暴雨洪水重现系统研发系统采用Microsoft Visual Studio. NET为集成开发系统环境,以图形用户界面友好的C#语言和计算效率较高的Fortran语言分别作为系统集成和水文模型组件的开发语言。以Fortran语言编写动态链接库(DLL),在DLL中提供计算函数接口：在C#中调用该DLL中的计算函数,实现系统的运行计算。该系统采用混合编程技术、以Map Window和SQL Server作为可视化G1S软件平台和数据库管理系统,建立了一个集GIS技术、计算机技术、数据库技术和考虑人类活动的分布式水文模型等多项技术为一体的综合历史暴雨洪水重现系统。该系统应具有水文分析、水雨工情查询与分析、历史暴雨洪水重现功能及结果的展示与分析的功能。(6)流域内历史暴雨洪水重现规律研究将集成了考虑人类活动影响的洪水重现模型及高维参数识别技术的应用系统,应用到第二松花江丰满以上流域,重现历史洪水在现状下垫面下的演进过程,总结人类活动对洪水过程的影响规律。根据流域出口断面历史大洪水在现状下垫面条件下的重现结果,若历史暴雨在下垫面变化后的现状条件下发生,洪水的洪峰和洪量均有减小的现象；20世纪80年代前的洪水重现时,洪现时间有延迟现象。 

第一章绪论

1.1研究背景
我国河流众多，径流资源丰富。据统计[1]，我国大小河流总长度约42万km，其中流域面积在100 km2以上的河流有50000多条，1000 km2以上的河流有1580多条，超过10000 km2的河流有79条。全国径流总量约26000亿m3，为世界河川径流总量的6.8%、亚洲全部径流量的20.1%。如此众多的河流和丰富的径流资源，为灌溉、城市供水、发电、航运等提供了有利条件。江河湖泊的服务功能将水与人们紧密地联系在一起，同时，人们对水的依赖使其承受洪水风险成为必然。所以，洪水通常发生在降雨充沛、江河湖泊集中、人口调密、农业星殖度高的地方，如北半球暖温带、亚热带[2]。各种自然灾难中，洪水造成的死亡人口占全部因自然灾难死亡人口的75%,经济损失达40%。
以第二松花江为例，历史上多次发生洪水灾害。1856年，丰满段推算的洪流流量为15300m3/s。吉林通志记载“清咸丰六年，六七月间淫雨。松花江水溢，德京河决口，水浸省城，北极、志河、德胜三门外尽成泽国，掩没田庐无数”。1909年，吉林调查推算洪峰为12000ni3/s。吉林通志记载“松花江水溢高于北岸抚辑平，涨深二丈有余，宽约10里，江南之农学试验场及公园尽成泽国”。1923年，吉林调查洪峰10500rn3/s。县志记载“二松八月十九日起又涨大水，一丈六、七尺，沿江两岸居民均被冲倒。饮马河……水势泛滥，大田及附近居民多被掩”。建国以后，亦曾出现多次大洪水，1953、1956、1957、1960年丰满站洪峰流量均在14600m3/s以上。为更好地进行洪水风险管理，对历史洪水进行分析、模拟，以对未来洪水灾害的发生进行预测、警报有很好的现实意义。
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1.2国内外研究进展
本文将从地皮使用/覆被变革的水文效应和水利工程群的调蓄作用两个方面综述人类运动对径流的影响。在文献综述的底子上，选定通过模子构建的方法实现汗青暴雨大水重现模仿。汗青暴雨大水重现模子参数的辨认题目也是本节讨论的一个紧张方面。末了，为开辟集成有汗青暴雨大水重现技能的应用软件，对大水办理软件的开辟希望举行了综述。
1.2.1 土地利用/覆被变化的水文效应研究进展
土地利用/覆被变化(LUCC)引起的从流域尺度至全球尺度的环境变化己引起众多学者的关注其中，国际全球环境变化人文因素计划（IHDP)、国际地圈-生物圈计划第二阶段（IGBPII)也都将LUCC问题纳入研究行列通过查阅文献发现，在流域尺度上的LUCC水文效应研宄方法主要有三类流域对比试验法、水文特征参数法和流域水文模型模拟法。下面逐一进行简要介绍：
(1)流域对比试验法
流域对比试验法是LUCC水文效用研究早期采用较多的方法该方法可细分为平行流域对比分析法、单独流域法和控制流域法。①平行流域对比法。平行流域对比法是在除植被类型其他条件都相近的两个小流域上进行试验和对比分析。英国Plynlimon和Balquhidder集水区试验采用的该方法[I7]。该方法的优点是相对容易获得实验结果；缺点是在实际中不容易找到条件相近的流域和试验过程中不容易排除如气候因素等其他因素干扰。②单独流域法。该方法是在同一流域内对比不同的植被覆盖情况下水文要素的变化情况。王昕暗等[18]通过在泣江流域内选定一个代表区，观测代表区域一年时间内径流变化情况的方法，来推算整个流域的非点源污染负荷。刘舟芳等[191将山西蔡家川流域内十个不同植被覆盖的小区，对比每个小区在五年间产流产沙情况，以此分析不同LUCC的产流产沙效应。③控制流域法。该方法是对条件相似的桕邻流域釆取相同方法进行平行观测，将其中一个流域作为控制流域保持不变，对其他流域采取试验处理。根据控制流域与处理流域间水文要素的变化来分析LUCC的水文效应。Harrlod etal. I胃和Riccae/i//尸通过美国俄亥俄州Coshocton市小流域间的对比研究了LUCC的水文效应。该方法的优点娃能够较好的排除地表植被外因素的影响，比如可以通过流域间植被变化前后的输出水量差排除气候因素的影响。
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第二章流域径流变化影响因素分析

2.1流域概况
2.1.1自然地理
该流域地势变化大，山河源处天池的海拔2000米以上至递减至丰满水库处的200?500m。故该流域上下游温差也较大。根据松疗委提供的1957至2010年气象数掘（日最高气温、日最低气温、日降附、日风速和日相对湿度），该流域讯期平均气温为17.25 °C。图2.3为该流域平均气温等偾线图，可以看出，河源处气温最低，且平均气温由东南向两北呈谓加趋势。
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2.2径流变化的影响因素分析
2.3.1.1气候因素
五道沟以上流域降雨、蒸发、相对湿度、平均风速、气温日较差（最高气温与最低气温之差)和日照时数等讯期的气候要素变化趋势M-K检验结果如表2.7。本小节中使用的降雨、相对湿度、平均风速、气温日较差和日照时数的数据序列为1954~2006年日数据，蒸发的数据序列是1981?2006年日数据。由表2.7可知，在1954~2006年间,五道沟以上流域各气候要素均呈减少趋势；其中，相对湿度、平均风速和气温日较差在讯期呈显著减少趋势，其余均无显著变化趋势；相对湿度和平均风速减少趋势通过95%的置信度检验，气温日较差减少趋势通过99%的置信度检验。
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第三章 考虑土地利用空间异质性的分布式水文模型构建 .............51-77 
3.1 模型总体框架........................ 51-52 
3.2 土地利用单元及产汇流计算 ........................52-55 
3.2.1 土地利用单元离散 .....................52-53 
3.2.2 土地利用单元内产汇流计算 .............53-55 
3.3 模型参数及推求 .................55-64 
3.3.1 产流参数 ...............55-58 
3.3.2 汇流参数 ........................58-59 
3.3.3 模型可调参数 ....................59-61 
3.3.4 参数率定 ..........................61-64 
3.4 土地利用变化对产流影响的实例分析 ..............64-76 
3.4.1 研究区域模型数据准备 .........................64-69 
3.4.2 模型参数时间尺度验证 ..............69-73 
3.4.3 模型参数空间尺度验证 .................73-74 
3.4.4 模型产流重现及对比分析........................ 74-75 
3.4.5 各土地利用类型产流贡献率分析.................. 75-76 
3.5 本章小结 ...............................76-77 
第四章 分布式水文模型的水利工程群调蓄模块研发............. 77-112 
4.1 水利工程处理............................... 77-79 
4.2 水利工程拓扑关系.............. 79-82 
4.2.1 虚拟水库入流............. 80-81 
4.2.2 大中水库入流................... 81-82 
4.3 水利工程调洪计算 ...................82-85 
4.3.1 调洪试算法 ................83-84 
4.3.2 防洪调度图 ..................84-85 
4.4 水利工程调蓄参数识别..................... 85-88 
4.4.1 调度图绘制.......................... 86-87 
4.4.2 水利工程参数识别 ...................87-88 
4.5 水利工程对汇流影响 ...........88-110 
4.5.1 研究区域模型数据准备 ..............89-93 
4.5.2 分和式水文模型参数识别................ 93-101 
4.5.3 水利工程参数识别........................... 101-107 
4.5.4 水利工程对洪水过程影响分析.................. 107-110 
4.6 本章小结............................. 110-112 
第五章 参数敏感性信息引导搜索方向的优化技术研究 ..........112-134 

第七章 第二松花江丰满以上流域的历史暴雨洪水重现规律研究

第二松花江丰满以上流域，在过去几十年间经历了水利工程逐年增加和下塾面覆被的变化。为更好地描述流域下垫面覆被的空间异质性和水利工程群的调蓄作用，本文对EasyDHM模型的产汇流过程进行改进。模型在下塾面空间离散方面，提出了土地利用单元的概念，实现对不同下垫面下的产流过程单独模拟。模型考虑土地利用空间异质性的具体实现方法可查阅第三章。在水利工程群调蓄模块，以同规模水库并联、不同规模水库串联的思路进行模型构建，以调度图的方式对水库的蓄泄过程进行控制，实现水利工程群对洪水研究过程的模拟。水利工程群调蓄模块的具体实现方法可查阅第四章。水利工程群模块与考虑土地利用空间异质性的EasyDHM模型双向稱合，构成了考虑人类活动影响的历史暴雨洪水重现模型。该模型可以更合理的描述第二松花江丰满以上流域的实际产汇流过程，但也有高维参数空间的难题。针对分布式水文模型高维参数识别问题，提出了模型参数敏感性信息引导搜索方向的优化技术，其具体实现方法可查阅第五章。为将研究成果更好的应用到实际业务中，基于混合编程技术、MapWindow及SQL数据库管理系统，开发了历史暴雨洪水重现系统。该系统集成了考虑人类活动影响的洪水重现模型及高维参数识别技术，可实现第二松花江丰满以上流域历史暴雨洪水重现业务。本章假定历史暴雨发生，模拟在现状下塾面洪水重现的过程，更好地掌握第二松花江丰满以上流域内各规模水利工程对洪水的影响。
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结论

本文选取第二松花江丰满以上流域为研究流域，分析了过去53年间径流变化规律，以及影响径流变化的自然和人类活动因素。由于气候因素是径流影响成果己有很多，且气候因素是在较长时间尺度上对水文水资源的影响明显，而在短时间尺度，土地利用和水利工程对径流的影响显著。本文通过开发考虑土地利用变化和水利工程群调蓄作用的水循环模型，模拟人类活动对洪水过程的影响，并开发相应的历史暴雨洪水重现应用系统。通过研究，本文主要研宄成果有：
(1)流域内径流变化规律及其影响因素分析
该流域70%以上的降雨和径流主要集中在6?9月份。在1954-2003年间，讯期径流量和最大洪峰均呈现不显著的减少趋势，并分别在1965年和丨976年发生了不显著的由多到少的突变；讯期径流量和最大洪峰均存在一定的偏丰偏枯周期性交替变换。
文中从气候因素、厄尔尼诺和拉尼娜现象以及太阳黑子三个方面分析了自然因素对径流的影响发现：降雨是影响径流变化最主要的气候要素，对径流的减少有直接作用；相对湿度、日照时数、气温日较差、蒸发和平均风速等也通过影响降水或径流而间接影响径流变化；厄尔尼诺现象对发生当年和次年讯期径流均表现出减小影响；而拉尼娜现象对当年和次年讯期径流均表现增加径流的效应；讯期太阳黑子的急剧变化与五道沟站讯期径流量及洪峰的丰枯变化有良好的负相关。为分析人类活动对径流的影响作用，文中统计了土地利用和水利工程的发展变化。根据1980年和2000年土地利用数据，耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地的的变化率分别为9.29%、0.58%、-1.92%, -4.88%、-2.63%和25.65%。丰满以上流域有海龙水库、白山水库、红石水库三座大型水库、正常库容累计数达4亿m3的中小型水库和不计其数的塘顼，其栏蓄作用不容小觑。
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参考文献:

[1] 王加虎.  分布式水文模型理论与方法研究[D]. 河海大学 2006
[2] 刘卓颖.  黄土高原地区分布式水文模型的研究与应用[D]. 清华大学 2005
[3] 张荔.  分布式水文模型构建及在渭河流域水环境解析中的应用研究[D]. 西安建筑科技大学 2010
[4] 李丽.  分布式水文模型的汇流演算研究[D]. 河海大学 2007
[5] 王宇晖.  基于分布式水文模型的流域水循环及面源伴生过程模拟研究与应用[D]. 东华大学 2012
[6] 舒栋才.  基于DEM的山地森林流域分布式水文模型研究[D]. 四川大学 2005
[7] 凌峰.  基于空间信息技术的流域分布式水文模型研究[D]. 华中科技大学 2006
[8] 石朋.  网格型松散结构分布式水文模型及地貌瞬时单位线研究[D]. 河海大学 2006


本文编号：10214