大伙房模型在石佛寺流域洪水预报方案中的应用

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doi:10.3724/SP.J.1201.2012.02093

摘要：为了提高辽河流域洪水预报精度，缓解流域下游的防洪压力，为水库防洪调度提供科学依据，现以水文自动测报系统为技术支持，以大伙房模型为例研究了石佛寺水库的洪水预报方案，并使用粒子群算法对大伙房模型进行了参数优选。计算结果表明，模拟预报结果都属于甲级方案，预报方案合理，并且符合石佛寺流域的结构特点，充分反映了洪水的时空变化，可用于石佛寺水库的预报调度。

关键词：石佛寺水库；洪水预报；大伙房模型；粒子群算法

中图分类号：TV122.1 文献标识码：A 文章编号：

1672-1683（2012）02-0093-05

Application of DHF Model in Flood Forecasting for Shifosi Basin

WANG Meng,PENG Yong,LIANG Guo-hua

(School of Hydraulic Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Abstract:In order to improve the accuracy of flood forecasting and relieve the flood prevention of the downstream in Liaohe basin,a reasonable flood forecasting model is needed to provide scientific references for reservoir flood control operation.This paper proposes a flood forecasting scheme for the Shifoshi basin based on the DHF model.The scheme is supported technically by the hydrological automatic monitoring system and uses the particle swarm optimization (PSO) to calibrate the parameters in the DHF model.The results show that the simulated flood predictions are highly accurate and the forecasting scheme is reasonable considering the structure of the Shifoshi basin and reflecting the spatial and temporal variations of flood,and therefore the flood forecasting scheme can be used in practical application for Shifoshi reservoir.

Key words:Shifosi reservoir;flood forecasting;DHF model;particle swarm optimization

辽河是中国东北地区南部最大河流，是中国七大河流之一。辽河流域大部分地区属温带半湿润半干旱的季风气候，洪水灾害频繁，平均每两年就会发生一次较大洪水，给人们的生命财产带来了严重的威胁。石佛寺水库是辽河干流上唯一的控制性工程，是一座以防洪为主的水库，但单靠工程措施来解决辽河流域洪水危害问题是有限的。石佛寺流域降雨集中，历时短、强度高，其洪水特点是峰高量小、陡涨陡落。流域内已建成的水文自动测报系统可以为洪水预报提供及时准确的水雨情信息支持，但上游支流较多，洪水预报十分复杂。所以，研究适合石佛寺流域特点的预报方法，做好石佛寺水库的洪水预报工作可以提前泄水迎洪，对解决目前石佛寺水库乃至辽河流域防汛问题具有非常重要的意义。

1 工程背景

石佛寺水库位于辽河干流，水库控制流域面积16.48万km2，是国内流域干流上大型的平原水库，防洪任务非常艰巨，所以提高洪水预报的预见期与准确性十分重要。石佛寺水库主要任务是解决辽河中下游地区的防洪标准偏低问题，完善辽河干流的防洪体系，通过与辽河干流左侧三大支流上的南城子水库、清河水库、柴河水库、榛子岭水库4座大型水库联合调控，将石佛寺水库以下辽河干流的防洪标准由现状的30年一遇提高到100年一遇［1］。从而保护石佛寺以下辽河两岸21.647万hm2耕地和102.6万人生命财产安全［2］。石佛寺水库流域测站分布及子流域划分如图1所示。

2 石佛寺水库洪水预报模型研究

2.1 流域划分

石佛寺水库的入库洪水主要来自通江口至石佛寺区间流域，此区域洪水占石佛寺水库洪水组成的70％以上，降雨中心也多发生在此区域。由于通江口至石佛寺的洪水传播时间为56 h，预见期已达到石佛寺调度要求，故通江口上游流域不进行洪水预报研究，直接采用通江口的实际流量过程向下演进［7］。根据石佛寺水库流域内水利工程特性，及石佛寺水库水文自动测报系统站点布设情况，以及考虑到石佛寺水库的洪水组成与已有预报经验，将石佛寺水库以上流域共分成4个子流域（松树以上流域、松树-开原区间流域、开原-铁岭区间流域、铁岭-石佛寺区间流域），对4个子流域分别进行洪水预报，再将4个子流域的预报洪水过程与辽河左岸4座大型水库（南城子水库、清河水库、柴河水库、榛子岭水库）的放流及通江口测站的流量过程错时段叠加，组成石佛寺水库入库洪水过程。

①松树以上流域。松树测站位于寇河下游，其流域为一闭合流域，控制流域面积1 190 km2，流域内测站及其权重见表1。当某个测站资料缺失时，将其他测站权重归一化，4个子流域均采用相同的方法。

②松树-开原区间流域。开原测站位于清河下游，其洪水由上游松树子流域、清河上的清河水库的泄流、右侧支流叶赫河上的南城子水库的泄流、以及开原与松树区间洪水四部分组成。开原子流域的区间流域面积为600 km2。松树、南城子水库和清河水库泄流的河道洪水演进方法采用错时段法，本文河道洪水演算均用此方法。区间内的测站及其权重见表2。

③开原-铁岭区间流域。铁岭测站位于辽河中游，其洪水由上游通江口站洪水、左侧支流开原站的洪水、左侧支流柴河上的柴河水库的泄流、及其流域区间洪水四部分组成，区间流域面积为2 450 km2。区间内的测站及其权重见表3。

④铁岭-石佛寺区间流域。石佛寺子流域洪水由其上游铁岭站的洪水、左侧泛河支流上榛子岭水库的泄流、及其流域区间洪水三部分组成，区间流域面积为1 951 km2。区间内的测站及其权重见表4。

2.2 大伙房流域模型介绍

大伙房洪水预报模型（简称为DHF模型）于1973年由辽宁省大伙房水库管理局提出。模型主要适用于北方干旱半干旱地区，尤其在东北地区得到了广泛应用，并取得良好的效果。DHF模型分为产、汇流两部分，产流部分是根据超渗产流原理，采用双层入渗曲线进行扣损计算，并以抛物线描述表层蓄水量和下层渗率的分布状况；汇流部分是变强度、变速度的经验单位线汇流计算模型［3,9］，模型结构见图2。

流域下垫面分为表层、下层和地下水蓄存三部分。表层土壤中的张力水蓄量、植物截留与填洼储存合称表层蓄水量Sa，其极值为表层蓄水容量S0；下层土壤中的张力水蓄量称下层蓄水量Ua，其极值为下层蓄水容量U0；地下水储水量以Va表示，极值为V0。

图2中，C为日降雨观测的时段数；KC为流域蒸发能力与大水体水面蒸发量之比；PE为净雨强度；R为下渗强度；g为不透水面积与流域面积之比；f为流域平均总下渗率；RC为下层下渗强度；RL为地下水库下渗强度。

2.3 模型的参数优选

2.3.1 粒子群算法原理

粒子群算法作为一门新兴的优化算法有着算法简单、迭代速度快、具有记忆能力、参数较少等优点，在水库（群）优化调度、水文模型参数优选等方面得到了广泛应用。粒子群算法的数学描述为：设定粒子群体规模为M，在D维空间内随机搜索，粒子在空间中的坐标位置可以表示为Xi=(Xi1,Xi2,…，XiD)，粒子i（i=1,2,…,M）的速度定义为每次迭代中粒子移动的距离，用Vi=(Vi1,Vi2,…,ViD)表示，粒子的速度更新公式为：

Vt+1i=ω・Vti+c1・r1・（Pti-Xti）+c2・r2・(Ptg-Xti)（1）

粒子的位置更新公式为：

Xt+1i=Xti+Vt+1i（2）

式中：Pi―每个粒子到目前为止所出现的最佳位置；Pg―所有粒子到目前为止所出现的最佳位置；r1、r2―0~1之间的随机数；c1、c2―学习因子，一般c1等于c2，并且范围在0和4之间；ω―惯性权重，其大小决定了对粒子当前速度继承的多少。用粒子的最大速度Vmax来限制粒子的速度，决定了搜索空间的粒子性，同时防止搜索过程中的溢出现象［4-6］。

2.3.2 基于粒子群算法的模型参数优选

本文对大伙房模型的产汇流参数分别进行参数优选，产流部分的目标函数为

minni=1|Rs(i)-Rm(i)|（3）

式中： n―洪水场次数；Rs―实际净雨；Rm―预报净雨；汇流部分以场次洪水平均确定性系数（DC）最大为目标函数。

DHF模型作为一种概念性模型，大多数参数都是在满足其物理意义前提下确定的，只有6个参数需要优化确定，如表5所示。大伙房模型优化参数值相当于粒子在空间中的坐标位置，参数的值域为粒子的变化空间，当粒子溢出时，取值域边界。终止准则可以设定为满足最大迭代次数或满足给定精度，本文选择最大迭代次数为终止准则。具体的求解流程如下。

①确定群体规模、粒子群算法参数（学习因子、惯性权重等）及各优选参数的值域，并在优选参数值域内随机生成粒子群的位置和速度。

②将每个粒子的初始位置（参数值）代入目标函数，计算各自的适应值，并给粒子的个体极值点和全局极值点赋初值。

③根据速度更新公式和位置更新公式更新粒子的速度和位置，将每个粒子的位置（参数值）代入目标函数，计算各自的适应值。

④通过各粒子当前适应值和个体极值的比较，如果当前适应值优于个体极值，则更新个体极值，再与全局极值比较，如果优于全局极值，则更新全局极值。

⑤如果达到终止准则，结束循环，否则，转到步骤③。

2.4 实例计算

本文选取松树子流域1954年-1992年共38场历史洪水进行参数优选，1994年-2010年共11场洪水作为检验洪水，松树子流域的模型参数优选结果见表6。根据《水文情报预报规范》［12］进行精度评定，产流预报模拟结果和检验结果见表7和表8。

松树子流域率定期产流预报合格率为86%，检验期合格率为91%，率定期和检验期合格率均达到甲级标准，可用于实际洪水预报中。同理得到了其他子流域的模型参数，率定期和检验期合格率均达到了甲级标准。

以19940806号场次洪水为例，应用上述模型进行石佛寺水库入库洪水预报。使用石佛寺流域水文自动测报系统提供的逐时雨量与流量数据，进行数据预处理，计算各子流域的面平均雨量，并根据模型参数优选结果，设定各子区间大伙房模型参数；利用大伙房模型计算松树子流域的洪水过程；预报开原子流域区间洪水过程，将松树洪水过程、南城子水库和清河水库的放水过程进行错时段演算，并与开原子流域区间洪水过程叠加，得到开原洪水过程；预报铁岭区间洪水过程，与错时段演算后的开原洪水过程、通江口洪水过程、 柴河水库放水过程进行叠加，组成铁岭洪水过程；预报铁岭-石佛寺区间洪水过程，并与错时段演算后的榛子岭水库放水过程进行叠加，得到石佛寺水库的入库洪水过程。各关键断面洪水过程见图3-5，石佛寺水库入库洪水过程见图6。

3 结语

本文针对石佛寺流域的特点，将流域划分为4个子流域，并采用大伙房水文模型分别进行洪水预报。结果表明，大伙房模型适合于石佛寺水库流域的洪水预报，预报精度较高；并且本文流域划分合理，不但可以预报出石佛寺水库的洪水过程，同时可以预报出流域内每个防洪关键断面的流量过程，充分反映了洪水的空间变化。石佛寺洪水预报方案可以使流域内工程措施与非工程措施相结合，做到蓄洪错峰使防洪变被动为主动，给辽河干流的防洪安全提供了帮助。

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［12］ SL 250-2000,水文情报预报规范［S］.(SL 250-2000,Standard for Hydrological Information and Hydrological Forecasting ［S］.省略/kcms/detail/13.1334.TV.20120417.1025.015.省略

通讯作者：彭 勇(1979-)，男，湖北公安人，讲师，博士，主要从事防洪减灾决策支持系统方面的研究。E-mail: