CN110928965B - 一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法 - Google Patents

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CN110928965B CN201811525777.4A CN201811525777A CN110928965B CN 110928965 B CN110928965 B CN 110928965B CN 201811525777 A CN201811525777 A CN 201811525777A CN 110928965 B CN110928965 B CN 110928965B
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Abstract

本发明提出一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法，包括以下步骤：S1、构建半湿润半干旱流域的新安江‑Green Ampt混合产流计算模型；S2、对半湿润半干旱流域进行蓄满超渗子流域划分进行精细分类；S3、构建半湿润半干旱流域的蓄满超渗空间灵活架构模型并进行计算。本发明为预报半湿润半干旱地区洪水过程提供了一种方便有效的方法，对流域进行精细分类，提出了一种较为合理可靠地模拟洪水的模拟方法，提高了水文模型计算的精度。同时解决了缺少观测资料的中小流域中山区性流域分类问题，为半湿润半干旱地区洪水预报等方面提供了重要的基础数据，增强了半湿润半干旱地区洪水预报的科学性。本发明数据来源稳定可靠、计算效率高、结果客观合理。

Description

一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法
技术领域
本发明涉及水文技术领域，具体是针对半湿润半干旱流域，通过流域精细分类以及模型灵活架构的一种流域洪水模拟方法。
背景技术
洪水灾害是我国最常见的自然灾害之一，尤其是北方半湿润半干旱地区，暴雨量大时急，洪水陡涨陡落，因此，洪水预报在防范洪水中变得尤为重要。我国北方流域基本属于半湿润半干旱地区，由于气候较为干燥，植被种类分布不均匀，土壤保水能力差、下渗量小，容易产生较大量级的洪水。在半干旱半湿润地区，蓄满与超渗的产流面积随着时间和空间发生变化的现象尤其明显。例如：同一个区域，这一场洪水发生的是超渗产流，在下一场洪水就有可能变为蓄满产流；即使是同一场洪水，流域上某点这一刻是超渗产流，下一刻也可能转为蓄满产流。
由于流域特征千差万别，不同的学者对流域水文过程的认知存在差异，参数化方法也有差别，因而形成了多种多样的概念性水文模型，我国有新安江模型、陕北模型、陆浑降雨-径流模型、大伙房模型等；国外有TANK模型、萨克拉门托模型等。模型种类众多、计算繁简不一，在实际应用过程中，模型的选择是个困难的问题，而且存在巨大的不确定性。加上传统概念性模型产流模式单一，无法描述该地区径流形成的复杂物理过程。在新的历史条件下，开展中半湿润半干旱地区的治理工作和提升半湿润半干旱地区的防洪能力已经成为亟待解决的重大问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法，半湿润半干旱地区的洪水预报方便有效，精确度高。
技术方案：本发明提出一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法，包括以下步骤：
S1、构建半湿润半干旱流域的新安江-Green Ampt混合产流计算模型；
S2、对半湿润半干旱流域进行蓄满超渗子流域划分进行精细分类；
S3、构建半湿润半干旱流域的蓄满超渗空间灵活架构模型并进行计算。
进一步，所述步骤S1构建的半湿润半干旱流域的新安江-Green Ampt混合产流计算模型是
以新安江模型理论为基础，将Green-Ampt公式进行变形，与新安江模型并联架构，在蓄满产流区域使用蓄水容量曲线计算蓄满产流量，未蓄满区域采用Green-Ampt下渗曲线计算超渗产流量；设蓄满产流量计算的结果为R，则蓄满产流面积比是FR＝R/PE，未蓄满产流面积比为1-FR，超渗产流量irs计算如下：
当PE≥fmm irs＝(PE-f)×(1-FR) 公式一
当PE<fmm
Figure GDA0003811111710000021
式中，PE为降水量；irs为未蓄满区域的超渗产流量；FR为蓄满产流面积比；f为流域某点下渗率；fmm为流域最大下渗率；EF为下渗容量曲线指数；
未蓄满面积上超渗产生的径流与蓄满面积上蓄满产生的径流共同通过自由水蓄水库划分水源和调节出流；
产流量计算完毕后，蓄满面积上的蓄满产流量与未蓄满面积上的超渗产流量之和为总产流量，进而进行三水源划分，其中，壤中流和地下径流计算方法与新安江模型一致，仅地表径流计算增加了一部分超渗径流；地表径流RS计算公式如下：
当
Figure GDA0003811111710000022
Figure GDA0003811111710000023
当
Figure GDA0003811111710000024
Figure GDA0003811111710000025
上式中，PE为降水量；RS为地表径流；irs为未蓄满区域的超渗产流量；FR为蓄满产流面积比；SM为自由水平均蓄水容量；S流域某点自由水蓄水容量；SSM为流域最大自由水蓄水容量；EX为自由水容量分布曲线指数；AU为相应平均蓄水深的最大蓄水深。
进一步，所述步骤S2对半湿润半干旱流域进行蓄满超渗子流域划分进行精细分类的方法是采用CN-TI联合划分法对研究流域进行蓄满超渗子流域划分：利用ArcGIS对流域划分自然子流域，根据子流域的土壤类型和土地利用类型计算网格的CN值，进而通过区域分析工具求面平均的CN值；将划分好的自然子流域分为两类：蓄满产流主导型子流域，超渗产流主导型子流域；计算面平均地形指数，在CN值划分的基础上进行调整，得到最终的子流域蓄满超渗划分结果。
进一步，所述步骤S2包括以下步骤：
S2.1：利用ArcGIS中水文分析工具提取研究流域的集水范围以及水系分布图；
S2.2：利用ArcHydro工具对研究流域进行自然子流域划分；
S2.3：根据研究流域边界，提取流域范围的土壤类型地图；
S2.4：根据研究流域边界，提取流域范围的土地利用地图；
S2.5：根据子流域的土壤类型和土地利用类型查表(美国土壤保持局CN表)得到网格的CN值；
S2.6：采用ArcGIS中通过区域分析工具求面平均的CN值；
S2.7：计算流域的面平均地形指数；
S2.8：将划分好的自然子流域分为两类：CN面平均值小(<75)的子流域为蓄满产流主导型子流域，反之则为超渗产流主导型子流域；
S2.9：在CN划分的基础上，将超渗产流子流域中，面平均地形指数很大(>9)的子流域改为蓄满产流子流域，同时将蓄满产流子流域中，面平均地形指数很小的子流域改为超渗产流子流域，得到最终的子流域蓄满超渗划分结果，将半湿润半干旱流域划分为若干子流域单元，所述子流域单元包括蓄满产流子流域单元和/或超渗产流子流域单元；
S2.10：降雨数据子流域插值：在原有雨量站降水资料的基础上，采用距离平均倒数法，对降水数据进行插值处理：以子流域周围各雨量站到该子流域中心距离平方倒数作为权重，用各权重与雨量相乘，求和得到每个子流域面平均降水。计算公式如公式六所示：
Figure GDA0003811111710000031
式中，Pj代表第j个子流域的将雨量；nj为参加第j个子流域计算的雨量站个数；Pi为参加计算的各雨量站的降雨量；Wi为各雨量站对应于第j个子流域的权重。
进一步，所述步骤S3构建半湿润半干旱流域的蓄满超渗空间灵活架构模型是
选择新安江模型、Green-Ampt超渗产流模型和步骤S1得到的新安江-Green Ampt模型，构建蓄满超渗空间灵活架构模型；所述蓄满超渗空间灵活架构模型中包含三种产流模式：蓄满产流模式、超渗产流模式和混合产流模式；所述三种产流模式之间可以相互组合，也可以单独使用，构成蓄满超渗空间灵活架构模型中的六种计算模型，
M1模型：蓄满产流计算模型(XAJ模型)；
M2模型：蓄满产流(XAJ模型)和混合产流(XAJG模型)组合计算模型；
M3模型：混合产流计算模型(XAJG模型)；
M4模型：蓄满产流(XAJ模型)和超渗产流(GA模型)组合计算模型；
M5模型：超渗产流(GA模型)和混合产流(XAJG模型)组合计算模型；
M6模型：超渗产流计算模型(GA模型)；
所述蓄满超渗空间灵活架构模型的计算步骤包括
S3.1、蒸散发计算
蒸散发计算模型选用三层蒸发模型，模型中输入的是蒸发皿实测水面蒸发，使用经验公式来推求流域的蒸发能力，将所述蒸发能力数据以及步骤2.10的子流域面平均降水数据导入三层蒸发模型计算实际蒸散发；
S3.2、产流计算
通过标记码，选择对应的计算模型进行产流计算；如果所有子流域单元都标记的是①，则选择M1模型；如果所有子流域单元都标记的是②，则选择M6模型；如果所有的子流域都标记为③，则选择M3模型；如果子流域单元包括①、②和③中的两种及以上标记，那么选择M2、M4或M5模型来进行计算；
其中M1模型的产流计算采用新安江模型；M6模型的产流计算采用Green-Ampt模型；M3模型的产流计算采用步骤S1构建的新安江-Green Ampt混合产流计算模型；M2、M4或M5模型的产流计算采用新安江模型、Green-Ampt模型和新安江-Green Ampt混合产流计算模型组合计算；
S3.3、水源划分计算
通过标记码，选择对应的计算模型进行水源划分计算；如果所有子流域单元都标记的是①，则选择M1模型；如果所有子流域单元都标记的是②，则选择M6模型；如果所有的子流域都标记为③，则选择M3模型；如果子流域单元包括①、②和③中的两种及以上标记，那么选择M2、M4或M5模型来进行计算；
其中M1模型的水源划分计算采用新安江模型的三水源计算公式进行水源划分：用自由水蓄水库的结构将总径流划分为地表径流RS、壤中流RI以及地下径流RG；M6模型的水源划分计算采用Green-Ampt模型的两水源计算公式进行水源划分：通过稳定下渗率FC将产流划分为地表径流和地下径流；M3模型的水源划分计算采用步骤S1构建的新安江-GreenAmpt模型的三水源划分方法进行计算；M2、M4或M5模型的水源划分计算采用新安江模型、Green Ampt模型和新安江-Green Ampt混合产流计算模型组合计算；
S3.4、汇流计算
汇流指子流域内坡面及河网汇流，及子流域出口至流域出口河道洪水演算；其中，坡面汇流：地面径流直接汇入河网；壤中流和地下径流用线性水库模拟；河网汇流：单元面积河网汇流采用滞后演算法；河道汇流：以圣维南方程组为理论基础进行演算。
有益效果：本发明公开了一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法，为预报半湿润半干旱地区洪水过程提供了一种方便有效的方法，同时也考虑了半湿润半干旱地区的特殊情况，在自然条件下对流域进行精细分类的基础上进一步发展，提出了一种较为合理可靠地模拟半湿润半干旱地区洪水的模拟方法，提高了传统概念性水文模型计算的精度，对半湿润半干旱地区流域水文预报具有重要意义。同时解决了缺少观测资料的中小流域中山区性流域分类问题，为半湿润半干旱地区山洪预警、洪水预报等方面提供了重要的基础数据，增强了半湿润半干旱地区洪水预报的科学性，能够更好地切实保护下游地区的安全。本发明主要应用流域数字高程模型，数据来源稳定可靠、计算效率高、结果客观合理，有利于水库库区河道宽度的快速估算和提取，方法中变量之间的函数关系明确，有利于流域河道宽度的自动化生成，保证了结果的客观合理性，有利于分布式水文预报模型的直接调用。
附图说明
图1：本发明的流程图；
图2：本发明新安江-Green Ampt混合产流模型结构图；
图3：本发明蓄满超渗子流域划分流程图；
图4：本发明蓄满超渗空间灵活架构模型结构图；
图5：案例东湾流域DEM图；
图6：案例东湾流域水系及站点分布图；
图7：案例东湾流域土地利用分布图；
图8：案例东湾流域土壤类型分布图；
图9：案例东湾流域面平均地形指数图；
图10：案例东湾流域CN指标面平均值图；
图11：案例东湾流域划分蓄满与超渗子流域分布图；
图12：案例洪水模拟过程线对比图。
具体实施方式
如图1，本发明提出一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法，包括以下步骤：
S1、构建半湿润半干旱流域的新安江-Green Ampt混合产流计算模型；
S2、对半湿润半干旱流域进行蓄满超渗子流域划分进行精细分类；
S3、构建半湿润半干旱流域的蓄满超渗空间灵活架构模型并进行计算。
如图2，所述步骤S1构建的半湿润半干旱流域的新安江-Green Ampt混合产流计算模型是
以新安江模型理论为基础，将Green-Ampt公式进行变形，与新安江模型并联架构，在蓄满产流区域使用蓄水容量曲线计算蓄满产流量；对于混合产流区域，随着降雨累积量的不断增大，产生的径流中，既有蓄满产流，也会出现超渗产流，其中超渗产流在未蓄满面积上产生，蓄满产流在蓄满面积产生；未蓄满区域采用Green-Ampt下渗曲线计算超渗产流量；设蓄满产流量计算的结果为R，则蓄满产流面积比是FR＝R/PE，未蓄满产流面积比为1-FR，超渗产流量irs计算如下：
当PE≥fmm irs＝(PE-f)×(1-FR) 公式一
当PE<fmm
Figure GDA0003811111710000061
式中，PE为降水量；irs为未蓄满区域的超渗产流量；FR为蓄满产流面积比；f为流域某点下渗率；fmm为流域最大下渗率；EF为下渗容量曲线指数；
未蓄满面积上超渗产生的径流与蓄满面积上蓄满产生的径流共同通过自由水蓄水库划分水源和调节出流；
产流量计算完毕后，蓄满面积上的蓄满产流量与未蓄满面积上的超渗产流量之和为总产流量，进而进行三水源划分，其中，壤中流和地下径流计算方法与新安江模型一致，仅地表径流计算增加了一部分超渗径流；地表径流RS计算公式如下：
当
Figure GDA0003811111710000071
Figure GDA0003811111710000072
当
Figure GDA0003811111710000073
Figure GDA0003811111710000074
上式中，PE为降水量；RS为地表径流；irs为未蓄满区域的超渗产流量；FR为蓄满产流面积比；SM为自由水平均蓄水容量；S流域某点自由水蓄水容量；SSM为流域最大自由水蓄水容量；EX为自由水容量分布曲线指数；AU为相应平均蓄水深的最大蓄水深。
如图3，所述步骤S2对半湿润半干旱流域进行蓄满超渗子流域划分进行精细分类的方法是采用CN-TI联合划分法对研究流域进行蓄满超渗子流域划分：利用ArcGIS对流域划分自然子流域，根据子流域的土壤类型和土地利用类型计算网格的CN值，进而通过区域分析工具求面平均的CN值；将划分好的自然子流域分为两类：蓄满产流主导型子流域，超渗产流主导型子流域；计算面平均地形指数，在CN值划分的基础上进行调整，得到最终的子流域蓄满超渗划分结果。
所述步骤S2包括以下步骤：
S2.1：利用ArcGIS中水文分析工具提取研究流域的集水范围以及水系分布图；
S2.2：利用ArcHydro工具对研究流域进行自然子流域划分；
S2.3：根据研究流域边界，提取流域范围的土壤类型地图；
S2.4：根据研究流域边界，提取流域范围的土地利用地图；
S2.5：根据子流域的土壤类型和土地利用类型查表(美国土壤保持局CN表)得到网格的CN值；
S2.6：采用ArcGIS中通过区域分析工具求面平均的CN值；
S2.7：计算流域的面平均地形指数；
S2.8：将划分好的自然子流域分为两类：CN面平均值小(<75)的子流域为蓄满产流主导型子流域，反之则为超渗产流主导型子流域；
S2.9：在CN划分的基础上，将超渗产流子流域中，面平均地形指数很大(>9)的子流域改为蓄满产流子流域，同时将蓄满产流子流域中，面平均地形指数很小的子流域改为超渗产流子流域，得到最终的子流域蓄满超渗划分结果，将半湿润半干旱流域划分为若干子流域单元，所述子流域单元包括蓄满产流子流域单元和/或超渗产流子流域单元；
S2.10：降雨数据子流域插值：在原有雨量站降水资料的基础上，采用距离平均倒数法，对降水数据进行插值处理：以子流域周围各雨量站到该子流域中心距离平方倒数作为权重，用各权重与雨量相乘，求和得到每个子流域面平均降水。计算公式如公式六所示：
Figure GDA0003811111710000081
式中，Pj代表第j个子流域的将雨量；nj为参加第j个子流域计算的雨量站个数；Pi为参加计算的各雨量站的降雨量；Wi为各雨量站对应于第j个子流域的权重。
如图4，所述步骤S3构建半湿润半干旱流域的蓄满超渗空间灵活架构模型是
选择新安江模型、Green-Ampt超渗产流模型和步骤S1得到的新安江-Green Ampt模型，构建蓄满超渗空间灵活架构模型；所述蓄满超渗空间灵活架构模型中包含三种产流模式：蓄满产流模式、超渗产流模式和混合产流模式；所述三种产流模式之间可以相互组合，也可以单独使用，构成蓄满超渗空间灵活架构模型中的六种计算模型，
M1模型：蓄满产流计算模型(XAJ模型)；
M2模型：蓄满产流(XAJ模型)和混合产流(XAJG模型)组合计算模型；
M3模型：混合产流计算模型(XAJG模型)；
M4模型：蓄满产流(XAJ模型)和超渗产流(GA模型)组合计算模型；
M5模型：超渗产流(GA模型)和混合产流(XAJG模型)组合计算模型；
M6模型：超渗产流计算模型(GA模型)；
所述蓄满超渗空间灵活架构模型的计算步骤包括
S3.1、蒸散发计算
蒸散发计算模型选用三层蒸发模型，模型中输入的是蒸发皿实测水面蒸发，使用经验公式来推求流域的蒸发能力，将所述蒸发能力数据以及步骤2.10的子流域面平均降水数据导入三层蒸发模型计算实际蒸散发；
S3.2、产流计算
通过标记码，选择对应的计算模型进行产流计算；如果所有子流域单元都标记的是①，则选择M1模型；如果所有子流域单元都标记的是②，则选择M6模型；如果所有的子流域都标记为③，则选择M3模型；如果子流域单元包括①、②和③中的两种及以上标记，那么选择M2、M4或M5模型来进行计算；
其中M1模型的产流计算采用新安江模型；M6模型的产流计算采用Green-Ampt模型；M3模型的产流计算采用步骤S1构建的新安江-Green Ampt混合产流计算模型；M2、M4或M5模型的产流计算采用新安江模型、Green-Ampt模型和新安江-Green Ampt混合产流计算模型组合计算；
S3.3、水源划分计算
通过标记码，选择对应的计算模型进行水源划分计算；如果所有子流域单元都标记的是①，则选择M1模型；如果所有子流域单元都标记的是②，则选择M6模型；如果所有的子流域都标记为③，则选择M3模型；如果子流域单元包括①、②和③中的两种及以上标记，那么选择M2、M4或M5模型来进行计算；
其中M1模型的水源划分计算采用新安江模型的三水源计算公式进行水源划分：用自由水蓄水库的结构将总径流划分为地表径流RS、壤中流RI以及地下径流RG；M6模型的水源划分计算采用Green-Ampt模型的两水源计算公式进行水源划分：通过稳定下渗率FC将产流划分为地表径流和地下径流；M3模型的水源划分计算采用步骤S1构建的新安江-GreenAmpt模型的三水源划分方法进行计算；M2、M4或M5模型的水源划分计算采用新安江模型、Green Ampt模型和新安江-Green Ampt混合产流计算模型组合计算；
S3.4、汇流计算
汇流指子流域内坡面及河网汇流，及子流域出口至流域出口河道洪水演算；其中，坡面汇流：地面径流直接汇入河网；壤中流和地下径流用线性水库模拟；河网汇流：单元面积河网汇流采用滞后演算法；河道汇流：以圣维南方程组为理论基础进行演算。
本发明将步骤2.9划分的蓄超子流域精细分类的结果以及步骤2.10整理好的水文数据，加载到蓄超空间灵活架构模型中；其中根据步骤2.9划分的结果，标记每个子流域选择计算的模型，形成初始文件，蓄超空间灵活架构模型根据标记码选择对应的产流模型进行计算，最终得到流域出口的水文过程线。
通过本发明进行洪水预报时，还包括以下步骤：
步骤S4.1：参数率定
本发明洪水模拟时采用人工试错法和SCE-UA自动优化法相结合的方式，为了减少率定过程中参数的不确定性，减轻计算负担，只对敏感和重要的参数自动优化，对于次洪来说主要是分水源和汇流参数，其余参数由人工估计。目标函数以洪量合格数与洪峰合格数为主，洪峰和径流深模拟合格标准见《水文情报预报规范》。
对于不敏感的参数，例如B、C等，进行数值上的固定，对敏感的参数采用SCE-UA自动优化法进行率定。为保证模型结果的可比性，本发明假设同一流域内下垫面性质是相同的，模型之间相同的不敏感参数取相同的数值，从而达到减少率定参数的个数，尽可能减小模型的不确定性。
步骤S4.2：评价标准
依据传统的水文模拟与预报精度评定准则，参考《水文情报预报规范》规定，选择4种评价指标：径流深相对误差；洪峰相对误差；峰现时间误差；确定性系数。
S4.2.1：径流深相对误差。径流深误差为评价实测径流深与模拟径流深之间的偏差，其值越小说明模拟径流深越接近实测值。径流深平均相对误差计算公式如下：
Figure GDA0003811111710000101
Figure GDA0003811111710000102
式中，
Figure GDA0003811111710000103
为径流深误差合格率；N为洪水场数；ΔRi为第i场洪水径流深合格数；
Figure GDA0003811111710000104
为第i场洪水径流深误差；Φi为第i场洪水径流深允许误差。
S4.2.2：洪峰相对误差。洪峰相对误差为评价实测洪峰值与模拟洪峰值之间的偏差其值越小说明模拟洪峰值越接近实测值。以实测洪峰的20％作为许可误差判定预报洪峰是否合格。洪峰平均相对误差公式如下：
Figure GDA0003811111710000105
式中，
Figure GDA0003811111710000106
为洪峰平均相对误差；N为洪水场数；ΔQi为第i场洪水洪峰相对误差。
S4.2.3：峰现时间误差。即为预报洪峰发生的时间和实测洪峰发生的时间之间的差值。以峰现时间小于3h为许可误差。
S4.2.4：确定性系数。用来评价洪水实测过程与预报过程之间的拟合程度，越接近1，说明模拟的效果越好，公式如下：
Figure GDA0003811111710000111
式中：DYi为第i场洪水的确定性系数；Qoj为第i场洪水实测流量值；Qcj为第i场洪水模拟计算流量值；
Figure GDA0003811111710000112
为第i场洪水实测流量均值；m为第i场洪水模拟时段数。
实施案例
以河南省东湾流域为例，东湾流域位于伊河河源地区，位于东经111°59′，北纬34°03′，流域面积2856km2。降雨量的分布不均匀，流域内降水量500～1100mm之间，年降水量随地形高度增加而递增，年水面蒸发量在1000～1300mm之间，属于半干旱半湿润地区。暴雨日降水量一般100mm以上，大的可达400～600mm，暴雨一般出现在5～10月之间，7～8月占总数的60～80％。该流域气候类型属于暖温带大陆性季风气候区，山地季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。年降水量随地形高度增加而递增，山地为多雨区，河谷及附近丘陵为少雨区，年内降雨时间分布不均，7～9月份降水量占全年的50％以上，年最多降水量为年最少降水量的2.4～3倍。流域内洪水多由暴雨产生，具有陡涨陡落、洪峰高、历时短等特点，对中下游的防洪安全具有较大影响。流域地势西高东低，上游植被良好，主要为林地，下游河道边裸地较多。本例的研究区中的数字高程数据(DEM)采用美国太空总署(NASA)与国防部国家测绘局(NIMA)联合提供的90m分辨率的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)数据,如图5。
操作步骤：
根据步骤S2，对东湾流域进行CN-TI蓄满超渗子流域划分：
步骤S2.1：利用ArcGIS中水文分析工具提取研究流域的集水范围，见图5以及水系分布图，见图6；
步骤S2.2：利用ArcHydro工具对研究流域进行自然子流域划分；
步骤S2.3：根据研究流域边界，提取流域范围的土壤类型地图，见图8；
步骤S2.4：根据研究流域边界，提取流域范围的土地利用地图，见图7；
步骤S2.5：根据子流域的土壤类型和土地利用类型查表(美国土壤保持局CN表)得到网格的CN值；
步骤S2.6：采用ArcGIS中通过区域分析工具求面平均的CN值，见图10；由图10可知，东湾流域CN指标面平均值结果，图中显示潭头以上区域CN指标值普遍偏大，说明中上游部分由超渗产流主导；而下游部分北部比南部颜色略浅，南部子流域由蓄满产流主导。
步骤S2.7：计算流域的面平均地形指数，见图9；在ArcGIS中，结合已划分的子流域，采用空间分析功能计算每个子流域地形指数的面平均值，结果如图9。从研究流域的面平均图来看，地形指数大的区域主要集中在河道附近，说明在河道附近容易发生蓄满产流。东湾流域地形指数较大区域主要分布在中下游以及下游北部。
步骤S2.8：将划分好的自然子流域分为两类：CN面平均值小(<75)的子流域为蓄满产流主导型子流域，反之则为超渗产流主导型子流域。东湾流域的超渗产流区域面积相当大，占总流域面积的68％，主要位于流域上游及流域下游主河道北侧。流域上游CN指标值偏大，因而划分为超渗产流区域；流域下游主河道北侧植被稀疏，未利用地及建设用地较多，CN指标值仍然偏大，因而也被划分为超渗产流区域。
步骤S2.9：在CN划分的基础上，将超渗产流子流域中，面平均地形指数很大(>9)的子流域改为蓄满产流子流域，同时将蓄满产流子流域中，面平均地形指数很小的子流域改为超渗产流子流域，得到最终的子流域蓄满超渗划分结果，见图11。东湾流域CN-TI联合划分法划分的蓄满产流与超渗产流区域。由于下游子流域地形指数较大，应该归为蓄满产流区域，重新划分后蓄满与超渗产流面积各占50％。上游地形指数小，土壤为下渗能力不大，下游地形指数大，土壤为下渗能力较大，说明地形因素与土壤因素有一定的相关性。由于人类活动的影响，下游耕地及建设用地较多，因而出现了一些超渗产流的因素，下游仍有1个子流域为超渗产流子流域单元。
本次案例选用东湾流域1994～2011年共16场次洪水进行模拟，将整理好的水文数据以及划分的蓄满超渗子流域等流域信息作为输入文件，加载到蓄满超渗空间灵活架构模型中进行计算。
参数结果：
表一东湾流域六种模型部分参数结果比较
Figure GDA0003811111710000121
Figure GDA0003811111710000131
表一为6种计算模型在东湾流域部分参数的率定结果，其中IMGA是超渗产流不透水面积比，CS是河网蓄水消退系数，CI是壤中流消退系数，IM是新安江模型计算的不透水面积比，SM是表层土自由水容量。从表中发现，模型参数大体分为两大部分，蓄满产流部分以及超渗产流部分，汇流参数采用一致的参数进行演算。综上来看，无论是单一产流模型，还是混合产流模型，又或者是组合产流模型，模型参数均由主导水文模型来决定。
洪水结果：
表二东湾流域六种模型模拟结果比较
Figure GDA0003811111710000132
从表二看出，随着模型顺序的增加，径流深合格率逐渐降低，偏蓄满的模型模拟效果较好；洪峰合格率先增大后降低，并在M2模型洪峰合格率最大；平均确定性系数和峰现时间合格率界限比较明显，偏蓄满的模型平均误差小，偏超渗的模型误差比较大。整体模拟结果反映出，在东湾流域偏蓄满的模型模拟结果好于偏超渗的模型，见图12。

Claims (4)

1.一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建半湿润半干旱流域的新安江-Green Ampt混合产流计算模型；
S2、对半湿润半干旱流域进行蓄满超渗子流域划分进行精细分类；
S3、构建半湿润半干旱流域的蓄满超渗空间灵活架构模型并进行计算；
所述步骤S1构建的半湿润半干旱流域的新安江-Green Ampt混合产流计算模型是以新安江模型理论为基础，将Green-Ampt公式进行变形，与新安江模型并联架构，在蓄满产流区域使用蓄水容量曲线计算蓄满产流量，未蓄满区域采用Green-Ampt下渗曲线计算超渗产流量；设蓄满产流量计算的结果为R，则蓄满产流面积比是FR＝R/PE，未蓄满产流面积比为1-FR，超渗产流量irs计算如下：
当PE≥fmm irs＝(PE-f)×(1-FR) 公式一
当PE<fmm
Figure FDA0003748369810000011
式中，PE为降水量；irs为未蓄满区域的超渗产流量；FR为蓄满产流面积比；f为流域某点下渗率；fmm为流域最大下渗率；EF为下渗容量曲线指数；
未蓄满面积上超渗产生的径流与蓄满面积上蓄满产生的径流共同通过自由水蓄水库划分水源和调节出流；
产流量计算完毕后，蓄满面积上的蓄满产流量与未蓄满面积上的超渗产流量之和为总产流量，进而进行三水源划分，其中，壤中流和地下径流计算方法与新安江模型一致，仅地表径流计算增加了一部分超渗径流；地表径流RS计算公式如下：
当
Figure FDA0003748369810000012
Figure FDA0003748369810000013
当
Figure FDA0003748369810000014
Figure FDA0003748369810000021
上式中，PE为降水量；RS为地表径流；irs为未蓄满区域的超渗产流量；FR为蓄满产流面积比；SM为自由水平均蓄水容量；S为流域某点自由水蓄水容量；SSM为流域最大自由水蓄水容量；EX为自由水容量分布曲线指数；AU为相应平均蓄水深的最大蓄水深。
2.根据权利要求1所述的一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法，其特征在于：所述步骤S2对半湿润半干旱流域进行蓄满超渗子流域划分进行精细分类的方法是采用CN-TI联合划分法对研究流域进行蓄满超渗子流域划分：利用ArcGIS对流域划分自然子流域，根据子流域的土壤类型和土地利用类型计算网格的CN值，进而通过区域分析工具求面平均的CN值；将划分好的自然子流域分为两类：蓄满产流主导型子流域，超渗产流主导型子流域；计算面平均地形指数，在CN值划分的基础上进行调整，得到最终的子流域蓄满超渗划分结果。
3.根据权利要求2所述的一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S2.1：利用ArcGIS中水文分析工具提取研究流域的集水范围以及水系分布图；
S2.2：利用ArcHydro工具对研究流域进行自然子流域划分；
S2.3：根据研究流域边界，提取流域范围的土壤类型地图；
S2.4：根据研究流域边界，提取流域范围的土地利用地图；
S2.5：根据子流域的土壤类型和土地利用类型查表得到网格的CN值；
S2.6：采用ArcGIS中通过区域分析工具求面平均的CN值；
S2.7：计算流域的面平均地形指数；
S2.8：将划分好的自然子流域分为两类：CN面平均值<75的子流域为蓄满产流主导型子流域，反之则为超渗产流主导型子流域；
S2.9：在CN划分的基础上，将超渗产流子流域中，面平均地形指数>9的子流域改为蓄满产流子流域，同时将蓄满产流子流域中，面平均地形指数很小的子流域改为超渗产流子流域，得到最终的子流域蓄满超渗划分结果，将半湿润半干旱流域划分为若干子流域单元，所述子流域单元包括蓄满产流子流域单元和/或超渗产流子流域单元；
S2.10：降雨数据子流域插值：在原有雨量站降水资料的基础上，采用距离平均倒数法，对降水数据进行插值处理：以子流域周围各雨量站到该子流域中心距离平方倒数作为权重，用各权重与雨量相乘，求和得到每个子流域面平均降水，计算公式如公式六所示：
Figure FDA0003748369810000031
式中，Pj代表第j个子流域的将雨量；nj为参加第j个子流域计算的雨量站个数；Pi为参加计算的各雨量站的降雨量；Wi为各雨量站对应于第j个子流域的权重。
4.根据权利要求3所述的一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法，其特征在于：所述步骤S3构建半湿润半干旱流域的蓄满超渗空间灵活架构模型是选择新安江模型、Green-Ampt超渗产流模型和步骤S1得到的新安江-Green Ampt模型，构建蓄满超渗空间灵活架构模型；所述蓄满超渗空间灵活架构模型中包含三种产流模式：蓄满产流模式、超渗产流模式和混合产流模式；所述三种产流模式之间能够相互组合，也能够单独使用，构成蓄满超渗空间灵活架构模型中的六种计算模型，
M1模型：蓄满产流计算模型；
M2模型：蓄满产流和混合产流组合计算模型；
M3模型：混合产流计算模型；
M4模型：蓄满产流和超渗产流组合计算模型；
M5模型：超渗产流和混合产流组合计算模型；
M6模型：超渗产流计算模型；
将蓄满超渗空间灵活架构模型中的蓄满产流模式、超渗产流模式和混合产流模式依次标记①、②和③，然后根据步骤S2.9的子流域蓄满超渗划分结果，对每一个子流域单元进行标记；其中蓄满产流子流域单元标记为①或③，超渗产流子流域单元标记为②或③；
所述蓄满超渗空间灵活架构模型的计算步骤包括：
S3.1、蒸散发计算
蒸散发计算选用三层蒸发模型，模型中输入的是蒸发皿实测水面蒸发，使用经验公式来推求流域的蒸发能力，将蒸发能力数据以及步骤2.10的子流域面平均降水数据导入三层蒸发模型计算实际蒸散发；
S3.2、产流计算
通过标记码，选择对应的计算模型进行产流计算；如果所有子流域单元都标记的是①，则选择M1模型；如果所有子流域单元都标记的是②，则选择M6模型；如果所有的子流域都标记为③，则选择M3模型；如果子流域单元包括①、②和③中的两种及以上标记，那么选择M2、M4或M5模型来进行计算；
其中M1模型的产流计算采用新安江模型；M6模型的产流计算采用Green-Ampt模型；M3模型的产流计算采用步骤S1构建的新安江-Green Ampt混合产流计算模型；M2、M4或M5模型的产流计算采用新安江模型、Green-Ampt模型和新安江-Green Ampt混合产流计算模型组合计算；
S3.3、水源划分计算
通过标记码，选择对应的计算模型进行水源划分计算；如果所有子流域单元都标记的是①，则选择M1模型；如果所有子流域单元都标记的是②，则选择M6模型；如果所有的子流域都标记为③，则选择M3模型；如果子流域单元包括①、②和③中的两种及以上标记，那么选择M2、M4或M5模型来进行计算；
其中M1模型的水源划分计算采用新安江模型的三水源计算公式进行水源划分：用自由水蓄水库的结构将总径流划分为地表径流RS、壤中流RI以及地下径流RG；M6模型的水源划分计算采用Green-Ampt模型的两水源计算公式进行水源划分：通过稳定下渗率FC将产流划分为地表径流和地下径流；M3模型的水源划分计算采用步骤S1构建的新安江-Green Ampt混合产流计算模型的三水源划分方法进行计算；M2、M4或M5模型的水源划分计算采用新安江模型、Green Ampt模型和新安江-Green Ampt混合产流计算模型组合计算；
S3.4、汇流计算
汇流指子流域内坡面及河网汇流，及子流域出口至流域出口河道洪水演算；其中，坡面汇流：地面径流直接汇入河网；壤中流和地下径流用线性水库模拟；河网汇流：单元面积河网汇流采用滞后演算法；河道汇流：以圣维南方程组为理论基础进行演算。
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