冀連華

【摘要】分布式水文模型以其具有明確物理意義的參數(shù)結(jié)構(gòu)和對(duì)空間分異性的全面反映，能夠準(zhǔn)確詳盡地描述和模擬流域內(nèi)真實(shí)的降水徑流過(guò)程而被廣泛需求和關(guān)注。在模擬土地利用、土地覆蓋、水土流失等各種變化過(guò)程的水文響應(yīng)，面源污染、陸面過(guò)程、氣候變化影響評(píng)價(jià)等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。模型的預(yù)報(bào)精度和誤差至關(guān)重要，決定了模型的應(yīng)用和推廣。

【關(guān)鍵詞】分布式；水文模型；誤差分析；參數(shù)

水文模型是研究水文自然規(guī)律和解決水文實(shí)踐問(wèn)題的重要工具。在水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、水資源評(píng)價(jià)、水土保持等方面的研究和發(fā)展中得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的水文經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、概念模型已?jīng)不能滿(mǎn)足需要，對(duì)先進(jìn)的分布式模型的需求在不斷增長(zhǎng)。

1、分布式水文模型

1.1分布式水文模型的概念

從水文信息學(xué)的角度來(lái)講，水文模型是符號(hào)的綜合體。從反映水流運(yùn)動(dòng)的空間變化能力而言，水文模型可分為集總式模型和分布式模型兩類(lèi)。分布式水文模型是充分考慮了模型中變量和參數(shù)空間變異性的基于自然物理過(guò)程的水文模型。

1.2建模原則

水文模型的建立和使用必須按照一定的步驟和順序進(jìn)行，即是建模原則。建模原則在原則上是靈活的，適用的，即使形式化后，也應(yīng)該是易改變的。分布式水文建模一般原則如圖1所示。

1.3建模思路

分布式流域水文模型建模主要思路是：將整個(gè)流域劃分成足夠多的若干網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格降雨、植被、土壤和高程等均有差異，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格采用不同的產(chǎn)流計(jì)算參數(shù)分別計(jì)算產(chǎn)流量；通過(guò)比較相鄰網(wǎng)格的高程確定各網(wǎng)格的流向，根據(jù)各網(wǎng)格的坡度、糙率和土壤等因素確定參數(shù)，將其徑流演算到流域出口斷面得到流域出口斷面的徑流量。

1.4分布式水文模型的一般結(jié)構(gòu)

分布式水文模型一般可分為純物理模型和半物理模型兩種形式。從功能上來(lái)說(shuō)，分布式水文模型包括功能不同且相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)從數(shù)學(xué)上描述水文循環(huán)的一個(gè)子過(guò)程。盡管可用不同的方式描述水文過(guò)程，但模型的基本構(gòu)架大同小異。

1.5模型驗(yàn)證

分布式模型參數(shù)多，數(shù)據(jù)輸入量龐大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，模型驗(yàn)證困難。嚴(yán)格地說(shuō)模型驗(yàn)證原則上是不可行的。我們所說(shuō)的模型驗(yàn)證即證明特定的模型可得出符合特定性能標(biāo)準(zhǔn)精度要求的模擬結(jié)果，實(shí)際上是觀(guān)測(cè)模型成功驗(yàn)證的數(shù)量和概率，進(jìn)而確定模型的可靠性。為了證明校準(zhǔn)后模型的實(shí)用性，必須用不同于校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

2、分布式水文模型誤差分析

模型預(yù)測(cè)精度是評(píng)價(jià)和衡量一個(gè)模型質(zhì)量好壞的關(guān)鍵性指標(biāo)，也是一個(gè)模型能否被同行業(yè)人員認(rèn)可和接受的決定性因素。分布式水文模型涉及參數(shù)和影響因素較多，對(duì)分布式水文模型進(jìn)行誤差分析不但可以?xún)?yōu)化模型參數(shù)，而且可以更加清楚建模目的、原理和建模思路，優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，提高模型預(yù)測(cè)精度。模型建模工作中，誤差源是大量的。分布式水文模型的誤差來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面。

2.1被排除在外的因素引起的誤差

在建模時(shí)，每個(gè)環(huán)節(jié)都有許多影響因子，把每個(gè)因子都引入到模型中是不現(xiàn)實(shí)的，也是不可能做到的。所以就要對(duì)影響因子有所選擇，有所拋棄，被拋棄的因子會(huì)給模型預(yù)報(bào)帶來(lái)一定的影響，產(chǎn)生一定量的預(yù)測(cè)誤差。此類(lèi)誤差是不可能完全消除和避免的，主要的分析方法有主成分分析法和專(zhuān)家打分法。主成分分析法是指通過(guò)對(duì)一組變量的幾個(gè)線(xiàn)性組合來(lái)解釋這組變量的方差和協(xié)方差結(jié)構(gòu)，以達(dá)到數(shù)據(jù)的壓縮和數(shù)據(jù)的解釋的目的。專(zhuān)家打分法是通過(guò)建立專(zhuān)家打分模型的方法以確定模型中各因子的敏感性評(píng)價(jià)值和權(quán)重，進(jìn)而確定選取的敏感性因子。通過(guò)各位專(zhuān)家單獨(dú)確定的各模型因子的敏感性評(píng)價(jià)值和權(quán)重，進(jìn)行匯總和分析，即可確定各個(gè)模型因子的的敏感性強(qiáng)弱，為模型參數(shù)的選擇提供依據(jù)和參考。

2.2實(shí)測(cè)歷史記錄資料的隨機(jī)或系統(tǒng)誤差

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)精度的高低、誤差的大小決定于測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)和成熟程度，影響模型模擬的擬合度從而影響模型的預(yù)測(cè)精度。大部分流域降雨徑流資料由于測(cè)量技術(shù)受到限制，其精度可能無(wú)法反映真實(shí)水文現(xiàn)象。另外人類(lèi)活動(dòng)的影響會(huì)導(dǎo)致某些水文因素的變化，使歷史資料無(wú)法直接與現(xiàn)狀資料統(tǒng)一應(yīng)用，而無(wú)論是修正歷史資料還是還原現(xiàn)狀資料都有一定的難度。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定所產(chǎn)生的誤差大小，進(jìn)而計(jì)算出調(diào)整系數(shù)，是減小此類(lèi)誤差的主要方法。

2.3參數(shù)誤差

參數(shù)誤差包括每個(gè)參數(shù)的取值非最優(yōu)產(chǎn)生的模型預(yù)報(bào)誤差和各個(gè)參數(shù)組合在一起非最優(yōu)產(chǎn)生的模型預(yù)報(bào)誤差。通常模型參數(shù)的選擇需要遵循即科學(xué)性、實(shí)用性和可行性的和原則。不同的參數(shù)對(duì)于模擬結(jié)果的影響是不同的，有的參數(shù)直接影響模擬結(jié)果，有的則是許多參數(shù)共同作用，來(lái)反映對(duì)結(jié)果的影響。

2.4模型結(jié)構(gòu)誤差

不完善的模型結(jié)構(gòu)帶來(lái)的誤差在模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證階段難以發(fā)現(xiàn)，所以在模型構(gòu)建階段需要對(duì)模型結(jié)構(gòu)的正確性進(jìn)行充分的討論。模型結(jié)構(gòu)不完善的原因主要是由于對(duì)水文過(guò)程理解不夠而造成的模型框架結(jié)構(gòu)不能真實(shí)地反映水文實(shí)際過(guò)程，忽略了產(chǎn)匯流的隨機(jī)性，模型較少甚至不考慮環(huán)境變化對(duì)流域產(chǎn)匯流機(jī)制的影響等。另外，在模型設(shè)計(jì)和建立過(guò)程中采用的不正確的計(jì)算方法，不合適的時(shí)間步長(zhǎng)，不恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行次序，不完整或有偏差的模型結(jié)構(gòu)等，都會(huì)引起的模型預(yù)報(bào)誤差。

3、結(jié)語(yǔ)

分布式水文模型的誤差來(lái)源有被排除在外的因素引起的誤差、實(shí)測(cè)歷史記錄資料的隨機(jī)或系統(tǒng)誤差、參數(shù)誤差和模型結(jié)構(gòu)誤差等。前兩類(lèi)誤差必須在模型建立過(guò)程中和試運(yùn)行之前進(jìn)行分析將其降到最低。在對(duì)模型校準(zhǔn)過(guò)程中，必須明確區(qū)分不同誤差來(lái)源，不要用對(duì)一種誤差源的調(diào)整去彌補(bǔ)另一種誤差源的影響，如通過(guò)參數(shù)調(diào)整來(lái)彌補(bǔ)模型結(jié)構(gòu)誤差等。在參照和借用國(guó)外較為成熟的分布式水文模型研究方法和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，建立和使用適合我國(guó)各流域條件的分布式水文模型，通過(guò)誤差分析確定各類(lèi)誤差的產(chǎn)生途徑和規(guī)律，利用現(xiàn)有資料及處理方法減小和降低各類(lèi)誤差，進(jìn)而提高模型的預(yù)測(cè)精度和適用性，是我國(guó)水文建模研究今后發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]王中根，夏軍，劉昌明，等.分布式水文模型的參數(shù)率定及敏感性分析[J].自然資源學(xué)報(bào)，2007，22（4）：649-655.