PDM水文模型评估雷达降雨估算精度

论文总字数：15273字

目 录

摘要 I

Abstract II

1　引言 1

2　水文模型概述 1

2.1　水文模型的发展历史 1

2.2　水文模型的分类及各自特点 2

3 PDM水文模型及其原理 3

3.1　土壤蓄水量概率分布 4

3.2　地表与地下蓄水模型 5

3.3　模型参数 5

4　资料与方法 6

4.1　研究流域概况 6

4.2　资料来源 7

4.3　研究方法 8

5 PDM水文模型的参数率定与参数验证 9

5.1　参数率定 9

5.2　参数验证 11

5.2　评估模型性能 12

6 用PDM水文模型评估雷达降雨估算精度 12

7 结论与展望 18

参考文献 19

致谢 20

PDM水文模型评估雷达降雨估算精度

莫琪琪

，China

Abstract：Radar quantitative measurement of precipitation has a great advantage in terms of time and space, but in terms of accuracy still there is a big error, so we can use the information of rainfall rainfall stations were assimilated precipitation radar rainfall data and information to assess and improve the accuracy of radar rainfall estimates. Firstly, according to September 2003 to February 2004 and September 2006 to February 2007, the Medway river basin every 15-minute rainfall data for parameter calibration and validation, so the hydrological behavior of the watershed hydrology can PDM model to represent. Then select the radar rainfall data November 2006 to February 2007, three times the Medway watershed rainfall rainfall stations and the corresponding data, and the use of PDM hydrological flood forecasting model test. The results show that: both from the point of view of rainfall or accumulated rainfall, rainfall station measured rainfall in most cases higher than the radar measured rainfall; and measured by flood comparison, precision precipitation station rainfall data in general is higher than that of radar rainfall data, but sometimes little difference between the two.

Key words：PDM hydrological model；parameter calibration；model validation；radar rainfall estimation accuracy

1　引言

地球表面71%都被水覆盖，水与人类生存息息相关，人们的生活和生产活动都离不开水循环过程，但随着人口数量的增加以及农工业的不断发展，水资源问题日趋严重，给我们带来了巨大损失。近些年来，人们面临着水资源分布不均、水质污染严重、极端洪涝灾害频繁发生以及水资源不合理利用等一系列问题，这就迫切需要我们建立高精度的水文模型。高精度的水文模型能够很好的进行洪水预报、水资源评价与管理以及水质生态模拟等，从而来实现水资源的合理调度与利用，提前做好防洪防涝等工作，减少损失。^[1]

另外，水循环的产生与发展过程都会受到气候条件以及下垫面条件（植被、土壤、地形、地貌）等的影响，因此，建立水文模型是定量地分析水文过程的重要手段，水文过程定量化可以节省大量人力物力，提高水文工作者的工作效率，而计算机的高速发展和雷达遥感技术的支持又为水文过程定量化研究提供了必要前提。在实时洪水预报过程中，通常会根据地面雨量站观测到的降水资料作为洪水过程流量模拟的输入，但是受到雨量站站点空间分布不均、分布密度不高和降水时空尺度存在较大差异性的影响，会导致整个模拟径流过程的不确定性。近年来，雷达作为一种主动遥感方式，具有能够在短时间内获取高时空分辨率、大范围流域面积的实时降水信息的特点，同时，利用天气雷达定量监测降雨量的方法，还可以使得洪水预报的实效性及精度得到很大的提高，因此，这一技术在流域的径流模拟与水文预报中有着良好的发展前景，有待我们进一步的发展研究，相信在未来的发展中，雷达监测降雨技术会在很多方面的研究上带来便利。

当我们选择某一水文模型对一流域进行径流模拟和水文预报时，该模型的输入资料信息、结构特征以及参数的不确定性问题都是无法避免的，这些不确定性问题会导致径流模拟和预报结果的不确定性；就目前来看，国内外在围绕水文模型结构特征和参数不确定性引起最终结果的不确定性方面，已经取得了不少研究成果，但我们往往忽略了降雨量的数据输入误差也会直接引起水文模型的不确定性，降雨资料输入误差会在水文模拟过程中会加以传递，因此，评估和提高降雨资料输入的精度就显得格外重要，它对减小整个预报结果的不确定性有着重大意义。^[2]

2 水文模型概述

2.1 水文模型的发展历史

水文模型能够近似地描述自然界中复杂的水循环过程，对于水文科学研究而言，它是一个重要的研究手段和方法，确定一个精度高的水文模型能给水文工作者带来诸多便利，提高工作效率，减轻工作负担。水文模型的发展历史源远流长，而水资源的不合理利用、水质污染严重、生活生产用水紧张以及洪涝灾害事件的频繁出现等问题，都是促使水文模型诞生和不断发展完善的根本动力。

水文模型的研究和应用经过了漫长的岁月，社会需求是水文模型诞生和不断发展完善的根本动力，而计算机技术尤其是20世纪60年代以后计算机技术的发展为水文模型的快速发展提供了可靠的物质保障。总结过去一百多年来水文模型研究和开发工作所走过的历程，可以将水文模型的发展概括为萌芽阶段、概念性水文模型阶段和分布式水文模型阶段。

（1）水文模型萌芽时期。进入20世纪30年代，伴随着工程水文学兴起，水文模型这一概念应运而生。特别是结合19世纪时期Mulvaney提出的合理化公式，科学家们也陆续发表了自己新提出的概念，比如Horton提出的下渗理论以及Sherman提出的单位线概念等。总而言之， 在20世纪50年代之前，水文研究者并没有把水循环过程看作一个整体，而只是针对某一个水文环节（例如产流、汇流等）进行的，所以我们可以把20世纪50年代之前的时期定义为水文模型的萌芽时期。

（2）概念性水文模型时期。进入20世纪50年代以后，水文研究者开始把水文循环的整个过程看作一个整体来研究，而不是仅仅针对某一个水文环节，并且之后提出了“流域模型”的概念。1959年，Stanford这一著名水文模型被发表，接着从20世纪60年代初开始，到80年代中期这一阶段，迎来了概念性水文模型的蓬勃发展时期。例如API模型、HEC-1模型、SSARR模型、Stanford模型、Tank模型等一些闻名于世的概念性水文模型，就是在这个期间被提出的。

（3）分布式水文模型时期。分布式水文模型的概念是在1969年被Freeze和Harlan首先提出来的。而这种水文模型真正被快速发展起来却是在20世纪80年代之后，因为当时选取符合分布式水文模型的资料非常困难且计算机技术具有局限性。包括IHDM模型、SHE模型、TOPKAPI模型、VIC模型、SWAT模型等一系列国外主要的分布式水文模型也是从那时候才开始陆续出现。^[3]

2.2 水文模型的分类及各自特点

我们可以将到目前为止国内外提出的多种流域水文模型大致分为集总式水文模型、半分布式水文模型和全分布式水文模型这三大类，而每一大类又能再分成几个不同的具体水文模型。由于每一种水文模型都有它自己特定的适用流域、优缺点以及建模思路等，因此，同一水文模型在不同流域的应用效果以及同一流域应用不同水文模型的效果，都会存在比较大的差异。当我们在进行特定流域的洪水流量过程模拟研究时，要结合流域的具体条件，选取合适该流域的水文模型；另外，当我们在应用特定的水文模型进行不同流域的水文模拟分析时，也要结合模型的建模思路，选取较为合适的试验研究流域。^[4]

（1）集总式水文模型。将流域作为一个整体来描述或模拟降雨径流形成过程是集总式水文模型最为基本的特征表现由于集总式水文模型各因素的输入参数一般都取流域的平均值，所以它实质上反映的是有关因素对径流形成过程的平均作用，而不考虑流域下垫面条件，如土壤含水容量、植被类型、降水量的空间分布不均匀、水力特性等因素对流域降雨径流产生的影响。

（2）全分布式水文模型。与集总式模型相反，若考虑流域内各处地质、地貌、土壤、植被、降水等要素的不均匀性，将流域划分为若干个小单元；每个小单元上用一组参数反映其流域特征；以小单元作为水文模拟的基本单元，小单元出口与流域出口用河网连接，并通过河网汇流而得到全流域的总输出过程，则该模型称为分散性模型。分布式模型最基本的特征是按流域各处气候信息（如降水）和下垫面特性（如地形、土壤、植被、土地利用）要素信息的不同，将流域划分为若干小单元；在每一个单元上用一组参数反映其流域特征，具有从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均匀对流域降雨径流形成影响的功能。根据模型的结构和性质，分布式模型大致可分为以下两类。

1）松散耦合型分布式模型。其主要特点是在每个单元网格或子流域上应用概念性集总式模型来计算净雨量，再进行汇流计算，计算出流域出口断面的流量过程，代表的模型有SWAT模型、新安江模型，GLS模型等。由于SWAT模型结构、计算都比较简单且，所以它能够适用于不同土壤类型的复杂大面积流域以及资料缺乏的流域。

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