基于水文与水动力模型耦合的未控区径流预报方法与流程

本发明属于水利工程学领域，具体涉及一种基于水文与水动力模型耦合的未控区径流预报方法。

背景技术：

未控区是指没有实测水文资料或者缺乏足够实测水文资料的区域。本发明中特指从上游控制区流域最下游边界延伸到下游积水水域上边界的无实测径流资料的区域。这一类型的未控区广泛存在于河流、湖泊和海洋边界的外缓冲区内。由于无实测水文资料，在水量估算中未控区常常被忽略，导致水资源量很难被准确计算，这对全球及区域水资源的管理和洪涝干旱的预防造成很大困难。由于未控区通常位于平原区，包括下游水体的洪泛区，地势平坦，河湖串联，水流湍急无固定流向，河网结构不稳定，没有固定的子流域界线，很难利用水文预报模型直接建模。未控区不稳定的河网、子流域结构，导致水文仪器无法准确测量其径流量，因此成为未控区。由于大部分水文预报模型都需要实测径流数据进行参数率定与验证，受限于无实测数据，未控区水文预报与结果验证成为难题。

针对未控区水文预报问题，国际水文协会(iahs)于2003年正式启动未控区水文预测(pub)的国际计划，从水文理论、遥感、对地测量及水量、水质等多方面探索新的水文模拟方法，尝试解决未控区水文预报问题。相关文献如下：

tetzlaff,d.,troch,p.a.,uhlenbrook,s.,wagener,t.,winsemius,h.c.,woods,r.a.,zehe,e.,andcudennec,c.:adecadeofpredictionsinungaugedbasins(pub)—areview,hydrologicalsciencesjournal,58,1198-1255,doi:10.1080/02626667.2013.803183,2013.

sivapalan,m.,takeuchi,k.,franks,s.w.,gupta,v.k.,karambiri,h.,lakshmi,v.,liang,x.,mcdonnell,j.j.,mendiondo,e.m.,o'conell,p.e.,oki,t.,pomeroy,j.w.,schertzer,d.,uhlenbrook,s.,andzehe,e.:iahsdecadeonpredictionsinungaugedbasins(pub),2003–2012:shapinganexcitingfutureforthehydrologicalsciences,hydrologsci,48,857-880,doi:10.1623/hysj.48.6.857.51421,2003.

dessiem,verhoestnec,pauwelsvrn,etal.waterbalanceofalakewithfloodplainbuffering:laketana,bluenilebasin,ethiopia[j].journalofhydrology,2015,522:174-186.

smecx.hydrologicalstudyofthetana-belessubbasins[j].surfacewaterinvestigation,mowr,addisababa,ethiopia,2008.

kebede,s.,admasu,g.,travi,y.,2011.estimatingungaugedcatchmentflowsfromlaketanafloodplains,ethiopia:anisotopehydrologicalapproach.isot.environ.healthstud.47(1),71–86.

dawidekj,ferenczb.waterbalanceofselectedfloodplainlakebasinsinthemiddlebugrivervalley[j].hydrology&earthsystemsciencesdiscussions,2014,18(10):10061-10082.

dessiem,verhoestnec,admasut,etal.effectsofthefloodplainonriverdischargeintolaketana(ethiopia)[j].journalofhydrology,2014,519,parta:699-710.

harman,c.:asimilarityframeworktoassesscontrolsonshallowsubsurfaceflowdynamicsinhillslopes,waterresourceresearch,45,2009.

黄燕,徐高洪,沈燕舟,等.平原水网区水资源量平衡分析方法研究[j].人民长江,2008,39(17):24-26.

马新忠,刘大庆.洞庭湖区间径流模拟[j].水力发电学报,2011,30(5):10-15.

王船海,王娟,程文辉,等.平原区产汇流模拟[j].河海大学学报:自然科学版,2007,35(6):627-632.

刘克强.平原河网地区产汇流计算方法浅析[c]//中国水论坛第四届学术研讨会.2006.

张建中,王白陆.海河流域平原区降雨产流模型研究[j].海河水利,2013(1):50-53.

张超.平原地区产流模型的研究及应用[d].天津大学,2008.

郭家力,郭生练,李天元,等.鄱阳湖未控区间流域水量平衡分析及校验[j].水电能源科学,2012(9):30-32.

在pub计划中，未控区水文预测研究主要集中于选择简单的水量平衡方程，将径流量定义为降雨量与蒸散发的差值。这种方法不适用于未控区径流的准确模拟。一些学者使用区域化方法进行水文预报，通过将控制区流域的水文参数转移到未控区，计算未控区径流量。这些研究缺乏对未控区水文预报结果的验证。另外一些学者对未控区径流量模拟结果进行了验证，通过对比考虑未控区径流的湖泊水量平衡与未考虑未控区径流的水量平衡来实现。在这些验证中，水量平衡方程的输入数据时间分辨率低，且没有考虑湖泊水动力过程。流域水文模型与湖泊水动力模型耦合方法可用于解决未控区径流模拟与验证问题。通常，未控区下游存在河流、湖泊或海洋等水域。水域出水口往往会设置径流测站，水面有水位测站。利用水域下游出水口的径流量、水面水位等实测水文信息，建立水体水动力学模型，通过对比考虑未控区与未考虑未控区两种情景的水动力模型，验证未控区径流模拟结果。由于未控区下垫面破碎，很难直接构建水文模型；在水文模型与水动力耦合的研究中，甚少涉及未控区河网流域结构构建和径流量分配等问题。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于水文与水动力模型耦合的未控区径流预报方法，能够解决未控区径流模拟和验证问题。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种基于水文与水动力模型耦合的未控区径流预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.利用swat模型构建控制区河网流域结构：将流域河网数据、地形dem数据、控制区流域出口测站位置作为arcswat模型的输入，利用arcswat模型的流域绘制模块，得到具有拓扑关系的控制区河网与子流域结构数据；拓扑关系满足arcswat模型的数据输入要求；其中，控制区河网流域的结构，可以用于辅助构建未控区河网流域结构。

步骤2.利用delft3d模型构建未考虑未控区径流的湖泊水动力模型：将控制区流域出口断面实测径流、未考虑未控区的河流入湖点、湖泊边界、出湖口水位作为湖泊水动力模型的输入，构建未考虑未控区径流的湖泊水动力模型情景orgscenario；利用湖泊实测水位与出湖口实测径流数据对orgscenario情景的水动力模型进行参数率定与验证，得到delft3d模型的率定参数及orgscenario情景下的湖口径流模拟值；水动力模型中，湖泊边界从遥感数据中获得。

步骤3.流域水文模型与湖泊水动力模型的耦合，包括：步骤3-1.构建未控区河网流域结构：根据上游控制区河网流域结构、未考虑未控区径流的湖泊水动力模型上边界，构建未控区河网流域结构；构建未控制区河网流域结构包括以下步骤：首先，使用swat模型绘制河网、子流域及各子流域出口；由于swat模型输出的结果可能不满足河网流域绘制的约束条件，因此，之后需要手动编辑河网、子流域边界及各子流域出口以满足约束条件；步骤3-2.构建swat模型，计算未控区径流量：将气象数据、土壤数据、土地利用类型数据、地形dem数据、控制区与未控区河网流域数据作为swat模型的输入，构建整个流域的swat模型；利用控制区流域出口测站实测径流，分别率定各控制站对应的上游子流域的水文参数；并将水文参数迁移到对应的下游未控区子流域；计算未控区的径流量，未控区总径流量计算为整个流域出口总径流量与控制区流域出口总径流量的差值；步骤3-3.未控区径流量分配：根据流域内河网流域结构、入湖点位置，分别计算未控区流域对各个入湖点径流量的贡献；对于每一个入湖口，将未控区与控制区径流量进行加和计算，得到入湖点径流量；其中控制区径流量设定为实测值；各入湖泊点径流量作为考虑未控区径流的湖泊水动力模型的入湖径流量；步骤3-4.构建考虑未控区径流的湖泊水动力模型：将考虑未控区径流的湖泊水动力模型的入湖径流量、考虑未控区径流的湖泊上边界、出湖口水位作为湖泊水动力模型的输入，模型参数设置为与orgscenario情景中一样，构建考虑未控区径流的湖泊水动力模型情景adjscenario，得到考虑未控区径流的湖泊出湖口径流的模拟值；至此，完成流域水文模型与水动力模型的耦合。其中，adjscenrio情景的上边界条件，根据未控区河网流域结构及orgscenario的上边界条件得到；湖泊边界与orgscenario情景中一致，其入湖点与未控区流域出口对应；各入湖泊点径流量由步骤3-3中得到。

步骤4.未控区径流量模拟结果的验证：通过对比湖泊水动力模型的orgscenario与adjscenario情景中出湖口径流的模拟精度，验证未控区径流模拟的有效性。其中，水动力模型的出湖口径流的模拟精度由判定系数和均方根误差来评价。

进一步地，本发明提供的基于水文与水动力模型耦合的未控区径流预报方法，具有以下特征：湖泊水动力模型上边界条件包括湖泊边界、河流入湖点、各入湖点的径流量；河流入湖点在湖泊的边界上；在orgscenari情景中，河流入湖点为河流延长线与湖泊边界的交点；各入湖点径流量为入湖点对应的上游流域汇流量，用流域河流出口断面的实测径流量表示。

进一步地，本发明提供的基于水文与水动力模型耦合的未控区径流预报方法，具有以下特征：为了确保水文模型swat和水动力模型delft3d在空间上完美结合，在步骤3-1中，未控区子流域、河流、流域出口、湖泊入湖口的绘制应遵循以下约束条件：(1)未控区河网需连接上游控制区的河流和下游水体水动力模型上边界的入湖点；(2)将上游控制区流域的控制测站设置为未控区流域的入口；控制区流域的最下游边界应与未控区最上游边界重合；(3)未控区流域的出口必须与水动力模型上边界入湖点完全重合；而未控区流域最下游边界应与水体上边界重合；(4)未控区的子流域应覆盖未控区整个区域。遵循这些原则，流域水文模型可以与湖泊水动力模型在空间上无缝耦合。

发明的作用与效果

本发明所提供的基于水文与水动力模型耦合的未控区径流预报方法，通过耦合流域水文与湖泊水动力模型，构建了未控区河网流域结构，评估并验证未控区径流量；为无实测径流数据区域的水文预测与验证提供一种新思路，为更准确的流域水量评估与水量平衡分析提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例涉及的鄱阳湖流域水系结构、湖泊的边界条件及实测水文气象站位置示意图，其中(a)为鄱阳湖流域水系结构示意图，(b)为湖泊的边界条件及实测水文气象站位置示意图；

图2为本发明实施例涉及的基于水文与水动力模型耦合的未控区径流预报方法的流程图；

图3为本发明实施例涉及的流域水文模型与水动力模型空间耦合示意图，其中(a)为上游控制区河网流域结构示意图，(b)为下游控制区河网流域结构示意图；

图4为本发明实施例涉及的考虑未控区径流量的水动力模型与未考虑未控区径流的水动力模型对比结果示意图，其中(a)为判定系数r²的对比结果示意图，(b)为均方根误差rmse的对比结果示意图；

图5为图1(a)的原图放大示图；

图6为图3(a)的原图放大示图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的基于水文与水动力模型耦合的未控区径流预报方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

如图1所示，本实施例中以鄱阳湖流域未控区为例对本发明的未控区径流预报方法进行具体说明。图1(a)展示了鄱阳湖流域结构，整个流域包括三部分：控制区、未控区和鄱阳湖。控制区流域包括五大子流域：修水流域、赣江流域、抚河流域、信江流域、饶河流域；其径流量分别由七个径流测站——虬津和万家埠、外洲、李家渡、梅岗、虎山和杜锋坑控制。未控区处于平原区，从七个径流测站延伸到鄱阳湖边界。图1(b)展示了流域下游积水水域(即鄱阳湖)的边界条件及实测水文气象站位置。湖泊的上游流域包括控制区与未控区，其径流量分流到11个入湖点(d1,d2,d3…d11)，汇入湖泊。

构建swat模型需要河网数据、地形数据dem、土地利用数据、土壤数据、气象数据。其中气象数据来源于中国气象数据共享服务系统(http://data.cma.cn/)，主要包括降雨、温度、风速、相对湿度等数据。地形数据dem，来源于2000年的srtm(航天飞机雷达地形任务)，空间分辨率为90米。土地利用数据来源于2000年的landsattm和etm+影像分类结果(chen等人，2007)。七个径流测站数据用于swat模型上游控制区流域的参数率定。delft3d模型所需的数据包括湖泊边界、湖泊地形和七个径流测站的实测径流数据。如图1(b)所示，以鄱阳湖1998年汛期的遥感影像提取的湖岸线作为湖泊的边界。地形数据由中国长江水利委员会进行测量。从江西省水利信息网站(http://www.jxsw.cn/)下载了2000-2011年星子、都昌、康山站日水位和湖口日流量数据，用于水动力模型率定与验证；其中湖口为湖泊的出湖口。

如图2所示，本实施例所提供的基于水文与水动力模型耦合的未控区径流预报方法包括以下步骤：

步骤1.利用swat模型构建控制区河网流域结构：

流域河网数据、地形dem数据、控制区流域出口测站位置作为arcswat模型的输入，利用arcswat模型的流域绘制模块，得到具有拓扑关系的控制区河网与子流域数据。拓扑关系满足arcswat模型的数据输入要求。

其中，控制区河网流域的结构，可以用于辅助构建未控区河网流域结构。

步骤2.利用delft3d模型构建未考虑未控区径流的湖泊水动力模型：

将控制区流域出口断面实测径流、未考虑未控区的河流入湖点、湖泊边界、出湖口水位作为湖泊水动力模型的输入，构建未考虑未控区径流的湖泊水动力模型情景orgscenario.利用湖泊实测水位与出湖口实测径流数据对orgscenario情景的水动力模型进行参数率定与验证，得到delft3d模型的率定参数及orgscenario情景下的湖口径流模拟值；水动力模型中，湖泊边界从遥感数据中获得。

其中，湖泊水动力模型上边界条件包括湖泊边界、河流入湖点、各入湖点的径流量；河流入湖点在湖泊的边界上。orgscenari情景中，河流入湖点为河流延长线与湖泊边界的交点；各入湖点径流量为入湖点对应的上游流域汇流量，用流域内河流出口断面的实测径流量表示。

orgscenraio情景中湖泊水动力模型上边界如图1(b)所示，其上边界的入湖点为d1,d2…d9。

步骤3.流域水文模型与湖泊水动力模型的耦合，包括：

步骤3-1.构建未控区河网流域结构：

构建未控区河网流域结构，实现了水文模型与水动力模型的空间耦合，这是模型耦合的关键。此步骤，根据上游控制区河网流域结构、未考虑未控区径流的湖泊水动力模型上边界，构建未控区河网流域结构。为了确保水文模型swat和水动力模型delft3d在空间上完美结合，未控区子流域、河流、流域出口、湖泊入湖口的绘制应遵循以下约束条件：(1)未控区河网需连接上游控制区的河流和下游水体水动力模型上边界的入湖点。(2)将上游控制区流域的控制测站设置为未控区流域的入口；控制区流域的最下游边界应该与未控区最上游边界重合。(3)未控区流域的出口必须与水动力模型上边界入湖点完全重合；而未控区流域最下游边界应该与水体上边界重合。(4)未控区的子流域应覆盖未控区整个区域。遵循这些原则，流域水文模型可以与空间中的湖泊流体动力学模型无缝耦合。

构建未控制区河网流域结构包括以下步骤：首先，使用swat模型绘制河网、子流域及各子流域出口；由于swat模型输出的结果可能不满足这些约束条件，因此，之后需要再编辑河网、子流域边界及各子流域出口以满足约束条件。

图3展示了未控区河网与流域绘制结果，及其与上游控制区流域、下游湖泊边界的关系；这是流域水文与湖泊水动力空间耦合结果。如图3(a)所示，控制区流域的出口为虬津和万家埠、外洲、李家渡、梅港、虎山和杜锋坑等7个径流测站，作为未控区子流域的河流入口。如图3(b)所示，d1,d2…d11是未控制区流域出口，也是整个流域的出口，也是湖泊上边界的入湖点，是考虑未控区径流的湖泊水动力模型上边界。根据流域径流量最终汇入的入湖点，将子流域分为11个组(goup1,goup2…group11)，每组内的子流域径流量最终汇入相同的入湖点(d1,d2…d11)。

对于不同的组别内，控制区流域径流量为控制区流域出口站点的径流量，未控区总径流量计算为整个流域出口径流量与控制区流域径流量之差。goup1的子流域径流量汇入d1，包括未控区子流域b12,b13,b14和控制区子流域b16，b18，其中控制区子流域模拟的总径流流量可以用流域出口虬津与万家埠的径流量之和表示，group1的总径流量可用流域出口d1的径流量表示；goup2的子流域径流量汇入d2，包括未控区子流域b11和控制区子流域b19,b21,b22,b25,b27,b28,b29,b30,b31,b34,b35,b36,b37,b38,b39,其中控制区子流域总径流流量可以用流域出口万家埠的径流量表示，group2的总径流量可用整个流域出口d2的径流量表示；goup3的子流域汇入d3，包括未控区子流域b10，不存在控制区子流域，group3的总径流量可用流域出口d3的径流量表示；goup4的子流域汇入d4，包括未控区子流域b9，不存在控制区子流域，group4的总径流量可用流域出口d4的径流量表示；goup5的子流域汇入d5，包括未控区子流域b8，不存在控制区流域，group5的总径流量可用流域出口d5的径流量表示；goup6的子流域汇入d6，包括未控区子流域b7和控制区子流域b23,b24,b26，其中控制区子流域的总径流流量可以用流域出口李家渡径流量表示，group6的总径流量可用流域出口d6的径流量表示；goup7的子流域汇入d7，包括未控区子流域b6和控制区子流域b20，其中控制区子流域的总径流流量可以用流域出口梅港的径流量表示，group7的总径流量可用流域出口d7的径流量表示；goup8的子流域汇入d8，包括未控区子b4,b5和控制区子流域b17，其中控制区子流域的总径流流量可以用流域出口虎口的径流量表示，group8的总径流量可用流域出口d8的径流量表示；goup9的子流域汇入d9，包括未控区子流域b3和控制区子流域b15，其中控制区子流域的总径流流量可以用流域出口杜锋坑的径流量表示，group9的总径流量可用流域出口d9的径流量表示；goup10的子流域汇入d10，包括未控区子流域b2，不存在控制区子流域，group10的总径流量可用流域出口d10的径流量表示；goup11的子流域汇入d11，包括未控区子流域b1，不存在控制区子流域，group11的总径流量可用流域出口d11的径流量表示。

步骤3-2.构建swat模型，计算未控区径流量：

将气象数据、土壤数据、土地利用类型数据、地形dem数据、控制区与未控区河网流域数据作为swat模型的输入，构建整个流域的swat模型。利用控制区流域出口测站实测径流，分别率定各控制站对应的上游子流域的水文参数；并将水文参数迁移到对应的下游未控区子流域；计算未控区的径流量，未控区总径流量计算为整个流域出口总径流量与控制区流域出口总径流量的差值。

实施例中，同一组别子流域的水文参数相同，以group1子流域为例说明水文参数迁移的过程。对于goup1内的子流域，上游控制区子流域b16、b18的水文参数由测站虬津的实测径流量率定；此水文参数被迁移到对应的下游未控区子流域b12、b13、b18。未控区总径流量计算为整个流域出口总径流量与控制区流域出口总径流量之差，其中整个流域出口总径流量为d1,d2…d11径流量之和，控制区流域出口总径流量为流域出口虬津、万家埠、外洲、李家渡、梅港、虎山、杜锋坑等径流量之和。

步骤3-3.未控区径流量分配：

根据流域内河网流域结构、入湖点位置，分别计算未控区流域对各个入湖点径流量的贡献；对于每一个入湖口，将未控区与控制区径流量进行加和计算，得到入湖点径流量；其中控制区径流量设定为实测值。各入湖泊点径流量，作为考虑未控区径流的湖泊水动力模型的入湖径流量。

实施例中，未控区流量分配如下表1所示。表中qungau,di表示未控区径流中流入入湖点di的径流量，qswat,di表示swat模型模拟的出口di处的径流量，qswat,staion(qswat,qiujin,qswat,wanjiabu,…qswat,dufengkeng)表示swat模拟的上游控制区流域出口的径流量；qungau,di表示未控区总径流量。其中qiujin,wanjiabu,waizhou,lijiadu,meigang,hushan,dufengkeng分别表示为虬津、万家埠、外洲、李家渡、梅港、虎山、杜锋坑测站。

表1未控区对各入湖口径流量的贡献

步骤3-4.构建考虑未控区径流的湖泊水动力模型：

将考虑未控区径流的湖泊水动力模型的入湖径流量、考虑未控区径流的湖泊上边界、出湖口水位作为湖泊水动力模型的输入，模型参数设置为与orgscenario情景中一样，构建考虑未控区径流的湖泊水动力模型情景adjscenario，得到考虑未控区径流的湖泊出湖口径流的模拟值。至此，完成流域水文模型与水动力模型的耦合。

adjscenrio情景的上边界条件，根据未控区河网流域结构及orgscenario的上边界条件得到。湖泊边界与orgscenario情景中一致，其入湖点与未控区流域出口对应。各入湖泊点径流量由步骤3-3中得到。

实施例中，考虑未控区与未考虑未控区情景的湖泊水动力模型的上边界条件如下表2所示。表中di表示河流入湖点，其中，未考虑未控区径流的鄱阳湖水动力模型上边界的入湖点为d1,d2…d9，考虑未控区的鄱阳湖水动力模型上边界的入湖泊点为d1,d2…d11.qgau,di表示汇入入湖点di的控制区径流，由上游控制区流域出口测站的实测径流表示；qungau,di表示汇入入湖点di的未控制区径流，具体计算方法见步骤3.3.orgscenario情景中，odi表示入湖点di的径流量，用上游控制区流域出口测站的实测径流表示；adjscenario情景中，adi表示入湖点di的径流量，为控制区与未控区径流贡献量之和。

表2考虑未控区径流的湖泊水动力模型与未考虑未控区径流的湖泊水动力模型的上边界条件

步骤4.未控区径流量模拟结果的验证：

通过对比湖泊水动力模型的orgscenario与adjscenario情景中出湖口径流的模拟精度，验证未控区径流模拟的有效性。其中，水动力模型的出湖口径流的模拟精度由判定系数和均方根误差来评价。实施例中，未控区径流预报验证结果如图4所示。一般情况下，与未考虑未控区径流的水动力模型相比，考虑未控区径流的水动力模型r²更大，rmse更小。theoutliers标识出与之规律不同的其他数据，r²更小，rmse更大。但这种现象很少，主要出现在2010年。原因可能是2010年鄱阳湖流域出现溃堤，导致水文模型与水动力模型模拟精度偏低。总体上来说，与未考虑未控区径流的水动力模型相比，考虑未控区径流的水动力模型精度更高；此结果可以侧面验证未控区径流预报的可靠性。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于水文与水动力模型耦合的未控区径流预报方法并不限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。