现代长江洪水预报的关键在于模型系统

2023-10-16 理论教育版权反馈

【摘要】：管理要点之一，是选择瑞方IACTCH自主开发的PREVAH模型。植物截留模型特别关注蒸散发的估算。图13.1模型结构框图图13.2模型运行框图如图13.2所示，PREVAH模型中气象要素处理需要输入的条件包括降雨、温度、大气湿度、地球辐射、相对日照时间和风俗，这些是该分布式模型所必需的。表13.1模型主要参数2)软件系统。PREVAH模型实时预报系统是一个综合进行空间数据、水文气象信息预处理，评估流域水量平衡和实时洪水预报计算的完整工具。

(1)管理要点之一，是选择瑞方IACTCH自主开发的PREVAH模型。PREVAH模型涵盖的子模型丰广，其原理简明，软件系统完整。

1)PREVAH模型原理。PREVAH(Precipitation-Runoff-Evapotranspiration-Hydrotope Model)水文预报模型是IACTCH自主开发的分布式水文模型，它主要包括下面几个模型：①雪模型；②冰模型；③植物截留模型；④土壤水分存储和蒸散发消退模型；⑤径流形成模型；⑥汇流和洪水演进模型。

雪模型主要处理积雪的积聚和溶化。它取决于温度指数和能量平衡处理的结合，这种考虑无降雨期被动辐射消融和平流消融特征，模型也考虑了积雪下液态水的滞留和冰冻。

冰模型是一个基于分布式温度指数的冰溶化模型。它包括潜在的直接太阳辐射，而这种辐射通常也可以用在融雪模型中。

植物截留模型考虑了影响截留过程的各种函数变化关系，如植物类型包括植物密度或树叶面积指数、植物覆盖程度。截留水分蒸发发生在植物覆盖层表面，只要截留水箱有足够的水分，蒸发一直会进行。岩石土壤和都市面积表层压力水容量也考虑到直接蒸发量计算中。

植物截留模型特别关注蒸散发的估算。蒸散发潜力用Penman，Penman-Mantaith或其他蒸发公式计算。根据不同的地表特征或土壤类型进行参数取值调整。准确蒸散发计算基于Penman-Monteith方程，它考虑了植物根系层微小孔隙组织变化的各种级别。当土壤水分低于给定门槛值时，土壤水分短缺使孔隙组织减少。净辐射总量计算根据位置来进行改正，取决于朝向、坡度、植物反射率、土壤表面特征和积雪，计算基于不同的气象输入变量。

蒸散发和径流间，水量变化重要连接取决于植物根系层土壤深度和植物获取土壤水分能力。已掌握岩层或实地表面，裸地和都市地区变化规律，在此情况下蒸散发的准确计算采用彭曼蒸发能力方程，它取决于土地水分含量或表面压力水容量。

土壤水水库输入和径流存贮根据考虑土壤水分杭墚和土壤特征分布式函数方法计算。径流形成各个子模型已形成一个ETH版本的HBV模型，它具有很强的模拟能力，能适应径流形成分布式模型的特殊需要。径流模型中三种分别计算，如直接径流，壤中流和地下径流。地下径流根据两个地下水水箱分成两种地下径流成分，一种快的地下径流和慢的径流成分，每种径流成分分配取决于水箱有效出流系数。地下水水箱渗透计算取决于土壤水分传到能力和上层水箱土壤水分含量。洪水演进计算基于串联线性水库，删去地区径流形成过程建议以1小时时间间隔计算，水平衡计算以1天时间间隔计算更为有效。

模型结构框图如图13.1所示，模型运行框图如图13.2所示。

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图13.1　模型结构框图

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图13.2　模型运行框图

如图13.2所示，PREVAH模型中气象要素处理需要输入的条件包括降雨、温度、大气湿度、地球辐射、相对日照时间和风俗，这些是该分布式模型所必需的。在模型参数率定前期工作中，需要对这些气象要素进行空间内插和参数值校正，空间内插是根据流域地形图等不同GIS信息，按照不同的内插方法，将已知测点的气象信息插补，试其合理的分布在整个流域网络，而参数的校正则是根据不同的方法和门槛值对气象信息在空间分布上的合理性、准确性进行校正，一般校正方法包括IDW(inverse-distance-weighting)、KRIGing等。

输入气象要素处理结果作为模型运行的输入条件，模型接着进行各个子模型的率定计算，如蒸散发计算、产流计算以及流域汇流和河道汇流的计算。(www.chuimin.cn)

模型主要参数见表13.1。

表13.1　模型主要参数

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2)软件系统。PREVAH模型实时预报系统是一个综合进行空间数据、水文气象信息预处理，评估流域水量平衡和实时洪水预报计算的完整工具。该系统可以完成模拟流域从空间数据的处理、水文气象数据资料的空间插值到模型参数的率定、定时数据的模拟以及实时预报作业。

统实时预报操作和历史洪水模拟均可在主界面上进行，它可以选择不同的流域不同场次洪水进行洪水模拟，也可以根据前期模拟进行实时预报，计算结果以图形的形式显示出来，可以进行预报实时校正，也可以输出到文件进行保存。Quick tuning功能框中可以对预报参数进行快速的调节。

其中，界面右侧为系统主要工具(自上而下)：模拟定律工具、空间数据预处理工具、气象信息的插补处理工具、模型结果快速浏览工具、空间格网数据快速查看工具、率定过程可视化工具、不同类型格网间转换工具、水文气象数据处理工具、地球土壤信息图处理工具、与长江委数据库连接取数专用工具、设置工具条各工具地址工具、帮助文档及文件路径设置工具。其中系统进行流域建模过程的主要工具如下：①水文气象数据处理：工具主要用了处理模型需要的各种数据(历史和实时)，如水文流量数据、降水量、大气风速、温度等，将这些数据处理撑系统所需要的格式(数据记录时间长、数据时段等)，存放在系统数据库中，所有的操作可以由用户自行设定，工具性能较完善；②空间数据处理：该工具主要用于利用现有的GIS图片(如数字高程图、土地利用图、土壤厚度图等)，由确定的流域控制站坐标在图上选择适合已知流域面积的子流域，工具自动根据已知条件切割该子流域，然后根据通过对GIS图片的处理，形成不同信息的空间信息文件(以不同后缀表示相应的文件)，供系统参数模拟使用；③气象信息的插补处理工具：该工具通过已知站点的气象条件和流域DHM图、流域内观测站点坐标等已知条件，通过不同的气象数据插补方法对整个流域网格内的数据进行插补，最后得到所有网格的数据参数；④模型率定工具：该工具对所建流域进行参数的率定。用户可以根据需要选择模型运行的方式(type of run列表中选择)，确定输出文件的路径、模型率定的时间段，还须进入子目录去进行详细的设计，如输入控制文件的设置、参数的设置、输出文件的设置等，值得注意的是：各个环节的设置必须要周密，须参照用户说明，否则系统会出现问题。

整个系统可以完成从流域的选择、数据的准备、参数的率定以及洪水模拟和实时预报工作，系统功能完善。

(2)管理要点之二，是选准试验流域模型。一旦洪水预报数学模型确立后，关键就在于验证模拟数学模型的试验流域模型的选择。包括试验流域建模与模型运行及检验等。

1)试验流域建模。本次项目选择了大宁河作为试验流域对模型进行了试验。大宁河是长江三峡段左岸支流，控制站巫峡水文站以上控制面积2001km2，流域内几乎没有水利工程，属于自然的流域，对于试验模型具有非常好的条件。

大宁河流域PREVAH模型率定所需的输入条件包括：①根据NOAA卫星提供的三峡区间的数字高程图、土地利用、土壤厚度等遥感卫星图片文件；②流域控制站1990～2002年水位流量数据文件；③三峡区间雨量站1990～2002年雨量数据文件；④气象站气象资料文件，包括温度、风速、日照时间等；⑤相关测站坐标文件。

系统首先将水文气象数据通过数据工具转化为模型系统所需格式数据存放数据库，然后根据空间信息从三峡遥感图中切割大宁河流域，处理各种图片文件存库。

2)模型运行及检验。模型系统运行结果可通过hydrograph.exe查看，本次模型率定采用1990～1997年数据，其中1990～1995年数据用来率定参数1996～1997年数据检验模型。

整个模型结果存放在文件中，通过可视化的工具可以查看。从模型运行及检验结果可以看出，该模型在大宁河流域的应用效果比较好。

现代长江洪水预报的关键在于模型系统

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