基于分布式水文模型的历史暴雨洪水重现技术研究

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MapWindow和SQL Server作为可视化GIS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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 土地利用／覆被变化的水文效应研究进展

1．2．2 考虑水利工程群调蓄的分布式水文模拟研究进展

1．2．3 水文模型参数率定技术研究进展

1．2．4 洪水管理系统软件开发进展

1．3 研究存在问题

1．3．1 考虑人类活动影响的分布式水文模型开发

1．3．2 考虑人类活动的分布式水文模型高维参数率定技术

1．3．3 高维参数分布式水文模型的验证及异参同效

1．3．4 多级水利工程群调蓄模块及其与水文模型的耦合应用

1．4 总体框架

1．5 主要研究内容

第二章 流域径流变化影响因素分析

2．2 流域概况

2．2．1 自然地理

2．2．2 暴雨特性

2．2．3 洪水特性

2．2．4 径流特性

2．3 径流变化的影响因素分析

2．3．1 自然因素

2．3．2 人类活动影响

2．4 本章小结

第三章 考虑土地利用空间异质性的分布式水文模型构建

3．1 模型总体框架

3．2 土地利用单元及产汇流计算

3．2．1 土地利用单元离散

3．2．2 土地利用单元内产汇流计算

3．3 模型参数及推求

3．3．1 产流参数

3．3．2 汇流参数

3．3．3 模型可调参数

3．3．4 参数率定

3．4 土地利用变化对产流影响的实例分析

3．4．1 研究区域模型数据准备

3．4．2 模型参数时间尺度验证

3．4．3 模型参数空间尺度验证

3．4．4 模型产流重现及对比分析

3．4．5 各土地利用类型产流贡献率分析

3．5 本章小结

第四章 分布式水文模型的水利工程群调蓄模块研发

4．1 水利工程处理

4．2 水利工程拓扑关系

4．2．1 虚拟水库入流

4．2．2 大中水库入流

4．3 水利工程调洪计算

4．3．1 调洪试算法

4．3．2 防洪调度图

4．4 水利工程调蓄参数识别

4．4．1 调度图绘制

4．4．2 水利工程参数识别

4．5 水利工程对汇流影响

4．5．1 研究区域模型数据准备

4．5．2 分布式水文模型参数识别

4．5．3 水利工程参数识别

4．5．4 水利工程对洪水过程影响分析

4．6 本章小结

第五章 参数敏感性信息引导搜索方向的优化技术研究

5．1 参数敏感性分析方法

5．2 单纯多边形进化算法

5．3 参数敏感性信息引导搜索方向的动态维度搜索算法

5．3．1 动态维度搜索算法

5．3．2 改进的动态维度搜索算法

5．4 改进的动态维度搜索算法测试优化问题

5．4．1 算法测试优化问题

5．4．2 评价指标与目标函数

5．5 改进的动态维度搜索算法性能评价

5．5．1 研究区域模型数据准备

5．5．2 MDDS算法与DDS算法的搜索机制比较分析

5．5．3 MDDS算法与SCE算法的性能比较分析

5．5．4 MDDS算法与仅识别最敏感参数DDS算法的性能比较分析

5．5．5 randn’分布服从方差对MDDS算法性能影响分析

5．5．6 LH抽样数对MDDS算法性能影响分析

5．5．7 基于MDDS算法识别的EasyDHM参数值及合理性分析

5．6 改进的动态维度搜索算法缺点及局限性

5．7 本章小结

第六章 考虑人类活动影响的历史暴雨洪水重现系统研发

6．1 系统开发目标

6．2 系统总体体系

6．2．1 体系结构

6．2．2 系统架构

6．2．3 系统运行环境

6．3 系统开发

6．3．1 Fortran组件化方法

6．3．2 DLL组件的创建

6．3．3 DLL组件调用

6．4 数据库设计

6．4．1 数据库设计步骤

6．4．2 数据库表结构

6．5 系统功能实现

6．5．1 系统登录管理

6．5．2 水文分析模块

6．5．3 雨水情信息模块

6．5．4 洪水重现及调度模块

6．6 本章小结

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

7．2 五道沟断面历史暴雨洪水重现及分析

7．3 丰满以上流域历史暴雨洪水重现研究

7．4 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间参与的科研项目及发表学术论文情况

致谢