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全过程联合校正方法在饶河流域洪水预报中的应用分析

  摘要:为提高饶河流域洪水预报精度,将全过程联合校正(EPJC)方法与三水源新安江(XAJ)模型结合,按一定比例划分洪水预报总误差为各过程误差,基于系统响应理论反演得到面雨量计算误差和模型参数误差,重新输入流域水文模型正演得出校正后的洪水过程。选取洪峰流量相对误差、峰现时间绝对误差、径流深相对误差和确定性系数作为模型评价指标,量化XAJ预报与EPJC校正结果,并与传统的动态系统响应曲线(DSRC)方法进行对比。结果表明,EPJC能够考虑全过程误差,与实际误差分布情况更相符,可提升饶河流域的洪水作业预报精度,值得进一步研究与推广。

  1引言

  实时校正是洪水预报系统的重要组成部分,是保障并提升洪水预报精度的关键技术手段,也是水文科学长期以来的研究热点与难点[1-3]。在实际洪水作业预报中,预报误差会产生于预报模型的降雨输入、产流计算、汇流计算等各个过程[4-5],当总误差过大、预报精度达不到要求时,利用实时校正技术降低洪水预报误差十分必要[6-9]。目前,国内外对实时校正方法的研究已取得颇为丰硕的成果,主要包括终端误差校正类方法和过程误差校正类方法[10]。终端误差校正类方法是指直接对最终的预报总误差(终端误差)进行修正的方法,如:误差自回归校正模型[11]、递推最小二乘算法[12]、分位数回归校正技术[13]等。过程误差校正类方法是指通过对水文预报各个过程(如降雨、产流、汇流等)进行修正进而降低终端误差的方法,如:包为民等[14]提出的基于动态系统响应曲线的误差修正方法(DynamicSys-temResponseCurvemethod,DSRC),可对自由水蓄量误差进行修正,具有一定物理基础且不损失预见期;随

  后,司伟等[15-16]应用DSRC方法于面雨量误差的修正,并改进了该方法的稳定性。为了继续提高洪水预报精度,从校正技术上形成突破,梁忠民等[17]提出了基于系统响应理论的全过程联合校正的预报误差修正方法(Entire-ProcessJointCorrectionmethod,EPJC)。EPJC方法兼具终端和过程两类实时校正方法的优点,通过建立过程误差与总误差之间的响应系统,将按一定比例划分的各过程误差反演,从而实现所有来源误差的逐阶段、全过程联合校正。该方法被初步应用于湿润的淮河流域,已取得较好的校正效果。

  鉴于此,本文尝试将EPJC方法与三水源新安江模型结合,应用于属湿润地区的饶河流域,并与传统的DSRC方法进行比较。一方面,进一步检验EPJC方法在不同流域、不同雨量站网密度情况下的应用效果;另一方面,通过分析饶河流域的误差来源规律,减小由于流域雨量站网密度低导致的面雨量计算误差和流域水文模型的参数率定误差,最终达到提升该域洪水预报精度的目的,为饶河流域的实时洪水作业预报提供参考。

  2研究对象

  2.1研究区域

  饶河是长江流域鄱阳湖水系五大河流之一,位于江西省东北部,由东支乐安河和北支昌江两大河流组成,两河在鄱阳县姚公渡处汇合。饶河流域气候湿润,属中亚热带湿润季风气候区,多年平均气温为17.2℃;

  型,其结构主要分为四个层次,四层共有18个模型参数,其中11个参数较为敏感。流域雨量充沛,多年平均降水量为1600~1950mm,多年平均年径流深为1001.5mm;流域植被良好,土壤以沙壤土和粘壤土为主,岩石以片岩分布最广。选取位于饶河流域的两个子流域作为主要研究区:昌江支流东河深渡水文站以上流域和乐安河三都站以上流域。

  深渡站以上流域控制面积为466km2,流域内共有16个雨量站,雨量站网密度为0.0343个/km2(即平均每个雨量站的流域控制面积为29km2),站网密度较高。采用该流域2013~2019年间的5场实测雨洪资料进行实时校正方法的研究。

  三都站以上流域控制面积为1372km2,流域内共有7个雨量站,雨量站网密度为0.0051个/km2(即平均每个雨量站的流域控制面积为196km2),站网密度较低,流域面雨量计算误差较大。采用该流域1990~2019年间的20场实测雨洪资料进行洪水预报及实时校正方法的研究与分析。

  2.2研究模型

  根据饶河流域的水文、地理、气候特征,该流域属于典型的湿润地区,拟采用三水源新安江模型(XAJmodel)进行实时洪水预报。

  3方法介绍

  3.1全过程联合校正方法

  EPJC方法是一种基于系统响应理论的终端和过程误差同时校正的方法,可对各个子过程误差进行校正,最终降低终端总误差。其首先根据已建立的流域雨量站网密度与误差分配比之间的定量关系,将流域洪水预报(如:XAJ模型)的终端总误差按一定比例,划分成几部分误差(如:面雨量误差和模型误差);然后基于系统响应理论,构建各部分误差与总误差之间的响应系统;最后对误差溯源,发生反演响应,从而实现面雨量误差和模型误差的逐阶段、全过程联合校正。

  3.1.1系统响应理论

  认为面雨量计算值和模型参数(模型已选定)的变化是引起流域出口断面流量变化的主要因素,可将洪水预报模型概化为如下非线性系统。

  4应用结果与分析

  采用深渡站以上流域2013~2019年间的5场加密观测资料(共16个雨量站),包括历史洪水的降雨、蒸发和流量资料,分别构建面雨量误差、模型误差与雨量站网密度之间的定量关系。将各定量关系用最小二乘曲线拟合,可观察到误差分配比随雨量站网密度的变化趋势。

  图2给出了5场特定洪水构建的定量关系和5个定量关系的平均线,可以看出:(1)随着流域雨量站网密度ρ的增加,面雨量误差ηp逐渐减小,最终趋近于0.0;与之相反,模型误差ηM逐渐增大,最终趋近于1.0。这说明流域内的雨量站数目越多,面雨量计算值越接近真值,面雨量误差就越小。(2)当雨量站网密度小于0.002个/km2(即平均每个雨量站的流域控制面积为500km2)时,预报总误差的来源以面雨量误差为主导;当雨量站网密度等于0.002个/km2时,面雨量误差与模型误差接近1∶1的比例,各占总误差的一半;当雨量站网密度大于0.002个/km2时,总误差来源以模型误差为主导。(3)5场次洪确定的定量关系彼此差别算时段为1h)进行实时校正方法的验证研究。同时,为了对比研究,也采用DSRC方法对面雨量误差进行预报误差修正。统计这20场洪水的原始XAJ模型预报结果、DSRC方法校正结果和EPJC方法校正结果,分别用4种评价指标进行量化。此外,为了比较不同次洪间多指标综合效果,将4种评价指标根据平均值进行归一化处理(δQm处理后为δQ*;△T处理后为△T*;δR处理后为δR*;DC处理后为DC*)[21]。归一化后的指标数值越大,越接近1,表示效果越好;反之,越接近0,表示效果越差。指标δQ*、△T*、δR*和DC*处于同一数量级后,可用雷达图的形式展示,适合进行综合对比评价。一般来说,雷达图所围面积越大,表示该校正方法的误差修正效果越好。

  三都站以上流域预报及校正结果雷达图如图3所示,可以看出:(1)EPJC方法的雷达图所围范围明显覆盖了XAJ模型预报的雷达图所围范围;且在大多数情况下,EPJC方法的雷达图面积均比DSRC方法的雷达图面积更大。由此说明,EPJC方法对在不同年份、不同量级的洪水进行预报误差校正的情况下,均能有效提升预报精度,提升效果也优于其他校正方法。(2)在不大,可用所有场次的平均线(η′和η′)来作为代表。

  由此说明,虽然不同年份、不同季节的场次洪水大小可能差异较大,但根据高密度站网获得的场次洪水资料建立的这种定量关系是较为固定的。

  三都站以上流域20场洪水的预报及校正的确定性系数对比如图4所示,可以看出:(1)XAJ模型预报结果的在0.85左右,经DSRC方法校正后提升至0.90左右,经EPJC方法校正后提升至0.95左右。由此可见,EPJC方法的提升幅度比DSRC方法高。(2)所有EPJC方法校正结果的均在0.90以上,由此说明,该方法不仅能提升所有场次洪水的预报效果,还能稳定地提升至一个较高的精度。

  选取20场洪水中的第20000530号洪水作为代表,查看误差修正效果(见图5)。从图5可看出:(1)两种校正方法对于该场洪水均具有较好的校正效果,相较而言,EPJC方法对洪水整个过程的模拟效果更为理再同时对各过程误差进行联合校正的做法更为合理,可进一步提高洪水预报精度。

  5结论

  以饶河流域为研究对象,利用EPJC方法对该流域的洪水预报结果进行实时校正,并与DSRC方法对比,得出以下结论:

  (1)在理论方面,EPJC方法的特点是考虑了洪水预报的全过程误差,将预报总误差按一定的比例分为面雨量误差和模型误差进行联合校正。相比于仅对面雨量误差修正的DSRC方法,EPJC方法的概念更符合实际水文过程中误差的来源及分布,更具先进性。

  (2)在应用方面,EPJC方法对饶河流域洪水预报过程的精度提升效果明显。校正前,XAJ模型预报结果的确定性系数在0.85左右;经DSRC方法校正后,确定性系数提升至0.90左右;经EPJC方法校正后,确定性系数均达0.90以上。相较于传统的DSRC方法,EPJC方法对洪峰、洪量、以及整个洪水过程的修正都有进一步提升,表明该校正方法在饶河流域有更好的适用性。

  参考文献:

  [1]葛守西.现代洪水预报技术[M].北京:中国水利水电出版社,1999.

  [2]朱华.水情自动测报系统[M].北京:水利电力出版社,1993.

  [3]包为民,张建云.水文预报[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

  [4]芮孝芳.流域水文模型研究中的若干问题[J].水科学进展,1997,(1):97-101.

  [5]朱元甡,刘九夫.防洪减灾风险管理之思辨[J].水文,2013,33(2):1-5.

  [6]田雨,雷晓辉,蒋云钟,等.洪水预报实时校正技术研究综述[J].人民黄河,2011,33(3):25-26.

作者:王钦钊 黄一昕 梁忠民 邓晓栋 单位:江西省水文监测中心 河海大学 水文水资源学院 江西省信江饶河水文水资源监测中心