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硕士学位论文乔音河流域分布式岩溶水文模 型构建与应用学科专业水文学及水资源 乔音河流域分布式岩溶水文模型构建与应用摘要岩溶地区由于其复杂的地下结构以及特殊性，如何预测岩溶地区的径流成为当今时 代研究的难点。本文以DEM为基础，对新安江模型进行改进，建立了以流域DEM栅 格为计算单元、针对于岩溶区域的分布式岩溶水文模型，然后对该水文模型的参数进行 了敏感性分析和优化，最后使用优化得到的参数在广西壮族自治区的乔音河流域进行了 径流预报应用。文章首要介绍了以栅格为计算单元的分布式岩溶水文模型的原理，总共分为4个模 块：产流模块、蒸散发模块、分水源模块、汇流模块，然后根据岩溶地区的特殊性对模 型进行改进，主要是在分水源模块对地下水再次划分为两个部分：裂隙流与管道流，即 快速地下径流RG与慢速地下径流RG2,最后与壤中流和地表径流汇流于流域出口。然 后使用Arc GIS提取了流域的流向、汇流累积量、水网、泰森多边形等研究流域DEM图 层数据，根据提取得到的DEM底层数据计算得到了流域汇流的最优计算次序以及分析 得到了模型汇流的计算时间步长。基于Visual studio2010使用C#语言编制模型计算程序，利用GLUE算法分析参数的敏感性，从而将参数划分为不敏感参数、较敏感参数、敏感 参数；使用SCE-UA优化算法优化得到不同洪水的最优参数，再经人工率定得到可适用 于流域不同类型洪水的模型参数。在收集到的2011-2015年的数据中选取了 10场洪水进行模型的场次模拟，其中6 场洪水作为参数率定期洪水，4场作为参数验证期洪水。结果显示：率定期洪水平均确 定性系数为0.717、合格率为86.7%,可得参数率定期预报精度为乙级预报精度；验证 期洪水平均确定性系数为0.818、合格率为100%,可得参数验证期预报精度为乙级预报 精度。结合验证期与率定期结果可知模型模拟精度达到乙级，洪水模拟效果较好，说明 构建的岩溶地区分布式水文模型可应用于乔音河流域的洪水预报中。关键字：分布式岩溶水文模型岩溶流域参数优化乔音河流域Construction and Application of Distributed Karst-Hydrological Model in Qiaoyin River BasinABSTRACTBec ause of its c omplic ated underg round struc ture and partic ularity how to forec ast the runoff in karst area bec omes the diffic ult point in the present ag e.This paper is based on the DEM,Xinan jiang model was improved to establish a distributed karst-hydrolog ic al model for karst reg ion whic h taking the DEM g rid as the c omputing unit,then the sensitivity analysis and optimization of the parameters of the hydrolog ic al model are c arried out,finally the optimized parameters are used for forec asting the runoff in Qiaoyin river basin whic h belong to the Guang xi Zhuang Autonomous Reg ion.This paper introduc es the princ iple of distributed karst-hydrolog ic al model whic h taking the DEM g rid as the c onfuting unit,is divided into 4 modules:runoff module,evapotranspiration,water diversion module,c onfluenc e module,and then improve the distributed model ac c ording to the partic ularity of karst area,the underg round water is mainly divided into two parts in the water diversion module:frac ture flow and pipe flow,namely fast underg round runoff RGi and slow underg round runoff RG2,finally,it c onverg e to the basin outlet with subsurfec e flow and surfac e runoff Arc GIS is used to extrac t the flow direc tion,flow ac c umulation,the water network and Tyson polyg on from the DEM data of River Basin,ac c ording to the data obtained from the bottom of the DEM,optimal c alc ulation order of watershed c onfluenc e and c alc ulation time step of model c onverg enc e is obtained.C#lang uag e is used to prog ramming the c alc ulation model based on Visual studio2010,using the GLUE alg orithm to analyze the sensitivity of parameters to obtain insensitive parameters,sensitive parameters and more sensitive parameters;the SCE-UA optimization alg orithm is used to obtain the optimal parameters of different flood,the model parameters whic h c an be applied to different flood are obtained by c ombining the manual c alibrated.10 floods from 2011to 2015 were selec ted for model simulating,6 floods were selec ted as reg ularly period of flood,4 floods were selec ted as verific ation period of flood.The results 11showed:the averag e deterministic c oeffic ient of reg ular flood was 0.717,the qualified rate is 86.7%,c an g et the forec asting ac c urac y rate of reg ular flood is B;the averag e unc ertainty c oeffic ient of verific ation period of flood is 0.818,the qualified rate is 100%,c an g et the forec asting ac c urac y rate of verific ation flood is B.We c an know simulation ac c urac y is B of the distributed model ac c ording to the rate of verific ation period and reg ular results,it has quite a g ood effec t on the simulation of flood,the results show that the distributed hydrolog ic al model c an be applied to the flood forec asting in the middle and small karst basin in Guang xi Zhuang Autonomous Reg ion.Key words:distributed karst-hydrological model;karst watershed;parameter optimization;Qiaoyin river basinin目录摘要.IABSTRACT.II第一章绪论.11.1 研究背景及意义.1L2研究现状.31.2.1 流域水文模型发展及现状.31.2.2 岩溶流域水文模型发展及现状.51.2.3 模型优化算法发展及现状.7L3研究目的及内容.91.3.1 研究目的.91.3.2 研究内容.91.4 技术路线.101.5 小结.11第二章分布式岩溶水文模型.122.1 模型概述.122.2 模型结构与原理.12221栅格单元内产流计算.122.2.2 栅格单元内蒸散发计算.142.2.3 栅格单元内水源划分.152.2.4 栅格单元间汇流计算.172.3 模型改进.202.4 模型参数.212.5 小结.23第三章基于乔音河流域水系特征分析.243.1 乔音河流域概况及基础数据资料情况.24IV3.1.1 乔音河流域概况.243.1.2 基础数据资料情况.263.2 基于DEM的流域数字水系提取.313.2.1 流域DEM预处理.313.2.2 流域栅格流向计算与提取.333.2.3 流域水流累积量计算与提取.353.2.4 流域栅格比降计算.373.2.5 流域栅格河网计算与提取.373.3 乔音河流域水系特征值提取.393.3.1 雨量资料提取及插值计算.39332模型汇流演算次序.41333模型时间步长选择.433.4 小结.44第四章模型参数敏感性分析.454.1 参数敏感性分析方法原理.454.2 敏感性分析样本选取.464.3 GLUE方法的应用.J.464.4 小结.50第五章 模型参数优化与应用.515.1 模型参数优化.515.1.1 参数优化目标函数及参数范围.515.1.2 模型参数模拟效果判定标准.525.1.3 参数优化方法.525.2 模型模拟洪水场次摘录.575.3 模型实例应用.575.3.1 率定期模拟结果.575.3.2 验证期模拟结果.625.4 结果分析.655.5 小结.65第六章结论与展望.666.1 结论.666.2 展望.67参考文献.69致谢.73攻读学位期间发表的学术论文.74VI尸Bff大般审士学位论文乔立河*分 布式岩溶水文模型构 健与应用第一章绪论1.1 研究背景及意义广西壮族自治区隶属于中国西南地带，是世界上最重要的岩溶区之一。广西有80 个县市有碳酸盐岩分布，面积达9.87X104km2,占广西总面积的41.57%。其中裸露的 碳酸盐岩面积为7.47X 104km2,占碳酸盐岩总面积的75.7%,覆盖碳酸盐岩面积2.41 X 104km2,占碳酸盐岩总面积的24.3%。岩溶分布十分广泛，从桂西、桂北边缘的高原山 地到桂东、桂南的丘陵平原，从陆地到海洋均有岩溶分布。由于该地区属于温暖湿润的 亚热带地区，多年以来降雨量大。雨热资源虽然丰富但分布非常不均匀，每一年大约有 70%的降雨发生在4-9月，降雨量可达到1500mm以上，导致广西各中小流域频繁发生 洪涝灾害，给广西人民带来严重的生命财产威胁皿。因此，在岩溶发育且洪涝灾害频 繁的流域建立一套可有效预测山洪灾害的方案就显得尤为重要。乔音河流域属于广西壮族自治区河池市凤山县，本次研究以该流域内凤山水文站以 上流域作为研究对象，为凤山县提供洪水预报方案。该流域内地形复杂，岩溶分布广泛，一旦遇到强降雨就可能因为岩溶地区的特性造成水量滞蓄而发生洪涝灾害。岩溶洼(谷)地受涝是岩溶石山区的普遍现象，尤其是桂西峰丛地区更为普遍。据1980年调查资料，27个石山县的洪涝面积达93.27X104亩，占耕地面积的8.0%。另据1986年不完全统计，27个石山县千亩以上连片易涝面积为6.8X104亩，约20片，余均为数十亩至数百亩的 小片涝地。截至1990年，28个石山县(含大化县)尚有75.39X 1()4亩有待除涝，其中 以都安、崇左、来宾三县为最大，分别为9.09、7.59、5.44X104亩，其余的县多数在数 千亩至2万多亩。广西石山分布最多的河池、南宁、柳州、百色四地区，洪涝面积总数 达196.61X1()4亩(含非石山区)，1990年尚有105.75X 1()4亩有待除涝，约70%散布在 岩溶石山区。表格1-1为河池市历史洪涝灾害损失概况。该地区的绝大部分的生产以 及生活用水也主要来源于岩溶地区水资源，因此，研究和管理该地区的岩溶水资源对改 善当地居民的生活水平以及促进该地区的经济发展具有极其重要的意义网。广B1大毋事士轶黄论文泰一？我必!才大水文模髭抽 应用表格1-1河池市历史洪涝灾害损失Table 1-1 Historic al flood disaster loss in Hec hi年份灾害区域损失概况6月2】一22日，发生解放以来全县最大山洪与泥石流。6月21日降雨220.2mm,22日再降雨142.2mm。两日雨量共362.4mm。造成全县通讯、交通中断7天之久，冲毁公路77处26km,冲毁公路桥梁四座。盘阳、巴莫、坡心三大河床改道18处，1983河池市凤山县所有防洪堤、坝全部被冲毁。冲毁小型水利工程330条(处)，其中冲毁无法恢复的 水田有6691亩,全年损失粮食806.3x104公斤。直接或间接殃及全县1226个屯,23000 多户，占全县92%,被淹民房1132户，房屋倒塌524间，被水冲走120间，被洪水 冲死4人，被泥石流淹埋4人。县城一片汪洋，最深处达L5m。8月1013日，4天共降雨221.9mm。全县中晚稻受淹5353亩，占中晚稻总面1991河池市凤山县积10%,1104亩被冲毁无收。损失粮食产量125x1()4公斤。91条水利被冲毁。袍里 乡坡心排灌站坝首被洪水冲垮，渡槽倒塌，位于河中心的坡心水电站左岸坝头被洪 水冲垮，坝上坝下河岸被水冲塌长100余m,纵深10多m。迄今无法修复。6月22日4-12时，全县连续下中、大暴雨，山洪暴发。11个乡镇遭到不同程度的水灾。全县田玉米被淹8154亩，无收2647亩；地玉米被冲、淹26170亩，无收7410亩，田地旱黄豆受灾27170亩，无收7920亩，共损失粮食441.5x1()4公斤。1993河池市凤山县冲毁农田6355亩，水利设施541处，房屋倒塌34户92间，死6人，重伤4人，失 踪7人。林帽乡览板凳屯，背后山山体土滑坡，造成3人重伤、两人失踪的惨剧。全县财贸、商业、供销部门损失共145.25x1()4元(含商品133.55x1()4元)。全县广播、通讯中断。1994河池市凤山县5月中下旬，连续遭受暴风雨袭击，降雨量234.7mm,造成严重的洪涝灾害。8月17日到19日，境内各乡镇普遍下大暴雨，8月17日降水量达76.1mm,全1996河池市凤山县县有56个村L8X IO农户受灾，全县受淹房屋289间，倒塌93间。全县被冲毁公 路30条，防洪堤16条，公路塌方80处，有3乡26个村交通中断。县城街道被淹，最深处L5m。2006河池市全市全市共倒塌房屋107间，农作物受灾5800公顷。部分县市出现交通中断的情况。全市11个县市共有139个乡镇153.03X 1()4人受灾，造成4人死亡，1058人受2008河池市全市伤。作物受灾面积74634.13公顷，房屋倒塌12807间，损毁房屋30370间，其中共有3个县城被淹。2009河池市全市6月30日至7月5日全市发生大暴雨，甚至部分地区雨量均值超过200mm。大 暴雨造成水库损毁一处。大暴雨造成各乡镇道路损毁，引起交通不便。5月11至13日，全市大范围出现大到暴雨天气，2.05X104人受灾，倒塌房屋2011河池市全市60间，转移受灾人口 0.02X104人，作物受灾面积达到19630公顷，成灾18180公顷。期间造成2条公路中断，损坏灌溉 设施5处，造成直接经济损失0.1172亿元。2014河池市凤山县6月4日凌晨，凤山县遭受暴雨袭击，至上午7时，部分乡镇降雨量达205mm,洪 灾造成道路中断，商店进水，部分学校停课，县城部分街道出现严重内涝。2广西大4fcM士学位论文乔华分布式岩溶水文模54构通电应用本次研究主要解决岩溶地区水文预报问题，采用Arc GIS软件提取研究流域内的 DEM数据，在此基础上构建岩溶分布式水文模型。由于分布式水文模型是在每一个栅 格的基础上进行水文演算，具有较好的物理意义以及模拟过程，因此可用于岩溶流域上 预报水文过程。根据收集得到的降雨、蒸发、流量等实测得到的资料并结合构建的岩溶 分布式水文模型，可以建立一个在岩溶流域上使用的洪水预报方案，为在岩溶地区饱受 洪涝灾害的人民生命财产带来安全保障。1.2 研究现状1.2.1 流域水文模型发展及现状流域水文模型即是在流域上发生的全水文过程进行模拟计算所建成的数学模型，对 流域产汇流计算、洪水分析与预报以及水资源优化配置与调度等具有重要的现实意义。1990年后，全球温室效应逐渐明显，研究在全球范围内的各种尺度水文物理过程及其 与大自然和生物圈的相互作用，渐渐成为各国水文研究工作者关注的新焦点。为了满足 水文模拟对大量气象、地理、植被数据的需求，数据库技术和地理信息系统的应用再次 使水文模拟发生“革命”。流域水文模型有很多不同的分类方法旧，经过长时间的不 断摸索，目前国内外水文模型据模型结构以及参数的物理完善性，水文模型可分为以下 2类，即分布式水文模型和概念性水文模型。1.概念式水文模型概念性水文模型利用的是一些比较简单的物理概念以及经验关系，如蒸发公式、下 渗曲线或者是有物理意义的结构单元，比如线性水库、线性河段等组成一个系统来近似 地描述水流在流域的运动状态，是一种比较概化性的水文模拟模型。很多具有代表性的 流域水文模型都属于概念性水文模型，如由日本营原正己博士提出的水箱模型(Tank Model),通过串联调蓄计算出口断面径流过程并采用人工率定参数雨；由美国天气局 sitten提出的前期降雨指数模型APL是一个主要以降雨径流与单位线为核心的经验模型，该模型的适用性强且参数简单；Beven和Kirby于1979年在山坡水文学理论的基础上提 出了半分布式水文模型TOPMODEL 口叫国内赵人俊教授于1973年提出的三水源新安江 模型，该模型采用蓄满产流、三层蒸散发以及马斯京根法汇流的方式计算出口断面的流 量值)；Crafbrd和Linsley于1960年提出的斯坦福模型是以超渗产流为基础对流域的径 流过程来进行模拟；以及由意大利Todini提出的Arno模型等。2.分布式水文模型3广西大学硕士学位论文乔育河流域分布式岩溶水文横理构建与应用分布式水文模型是现在适用范围比较广，同时也是一个水文领域研究以及应用的重 要方向。分布式水文模型与其他模型的模型相比较，是建立在单元流域上进行产汇流计 算，能够更加准确的描述水文物理过程的机理，并能有效地利用地理信息系统和遥感技 术提供大量的空间信息皿。Freeze和Harlan于1969年首次提出分布式水文物理模型(physic ally-based distributed models)o Freeze和Harlan建议建立模型不仅同时要考虑降雨的时间与空间上的变化，而 且提出模型应同时考虑流域内垂直方向和水平方向上的水量交换。之后，分布式水文 模型在国外得到了长远的发展，许多优秀的水文工作者提出了很多具有典型意义的分布 式水文模型，例如1986年由英国、法国和丹麦的科学家一起合作研制的SHE模型以、1994年由Wig mosta提出的DHSVM模型、1997年由Arnold研制的SWAT模型|、1995 年由Kite提出的SLURP模型四、2002年由Todini研制的TOPKAP1模型“支国内对分布式水文模型的研究起步相对较晚，但是近年来许多学者也开展了的大量 工作。随着社会的发展，分布式水文模型需要提高与遥感技术以及数字化技术结合的水 平，以及提高对水文循环影响的耦合模拟能力12叫任立良、刘新仁于1999年将高程流 域水系模型(DEDNM)与水文模型相结合，在此基础上使用DEDNM构造了河网水系 拓扑结构并将此应用于淮河史灌河流域，对数字地形着重进行了研究，在平坦部位流向 设定等方面进行了研究，取得了比较好的成果,并于2000年深度阐述水文模型与流 域数字结合的现状，同时对数字地球在未来的发展进行了展望，对数字模型在国际上的 长足发展进行了探讨田；国外Maidment等对数字技术在分布式流域水文模型中的作用 进行了总结，认为正是由于数字技术使用才促成了从集总式流域水文模型到分布式流域 水文模型的转化24】。2002年芮孝芳、朱庆平总结了对单元流域划分的几种方法，考虑了单元流域之间的 相互作用3】；此外，郭生练、刘昌明、王中根、吴险峰等同样都对国内外分布式模型的 研究进展做过全面评述【2627,28。2000年郭生练、熊立华等建立了一个分布式物理水文模 型，结合DEM分析了截留、下渗、蒸散发、融雪、地下径流方向以及洪水演算等水文过 程，在流域进行了应用取得了比较好的研究成果2003年刘志雨改进了TOPKAPI模 型，对模型增加了一部分模型计算模块并调整了壤中流模块，将土壤在垂直方向上分为 了上下两层，使TOPKAPI模型在模型结构方面更加贴合与实际，使得模型具有了更好的 物理意义3；2004年李丽、郝振纯、王加虎提出在新安江模型的基础上一个纯产流模式 的分布式水文模型，重点研究了流域汇流与线性水库相结合来进行流域出口过程的计算,4广西大学，M 士学位论文舜3St缎分布大岩溶水文棋髭枸京纪应用研究表明该方法可有效的提高水文模型模拟精度，为以后水文模型在流域汇流方面的改 进提出了一个新的方法】。2007年赵强利用水箱模型模拟在流域上的每一个子流域，采 用非线性的分布函数分析土壤空间特性从而使得分布式模型参数具有更加明确的水文 意义口力；2012年陈星、余钟波、许钦使用分布式水文模型在太湖丘陵地区注重于研究水 文产流模拟过程，在产流模块分别使用了SCS曲线以及格林安普特模型，耦合了垂直以 及水平方向上的水流运动模拟水量交换过程，验证了分布式水文模型模拟小尺度水文过 程的适用性R1；2015年焦伟杰、龙海峰将格林安普特模型应用于分布式水文模型，在模 型中增加了超渗产流机制并结合纳什系数模型分析模型应用结果，与原模型对比后认为 改迸后的模型优于原模型，更加适用于半干旱半湿润地区4；2016年董晓华、方燕琴等 在淮河流域上分析了SWAT模型在短时期内由于人类活动、环境变化以及气候的原因导 致土地利用情况变化而造成的的水文响应，由于水库的存在修改了模型中有关于水库的 特性，通过输入详细的水库数据计算取得了与实际相对比较吻合的结果PS】。1.2.2 岩溶流域水文模型发展及现状岩溶地区同时也称为喀斯特地区，由于地形的特殊性使得地下水系统内部结构错综 复杂，给地下水文过程的探明造成了很大的困难，再加上岩溶地区缺乏长时间的实测资 料以及详细的水文介质、地表漏斗、裂隙、地下暗河数据，给国内外许多研究学者们精 确描述岩溶地区地下水水文物理过程造成了一定的困难。建立能够适用于岩溶地区流域 水文模型需要在依托现有流域水文模型的基础上加以改进，使得流域水文模型可以更加 清楚地岩溶地区复杂的水文过程。在岩溶地区，由于碳酸盐岩的可溶性使得岩石内部孔 隙特性不断变化造成地下含水介质的非均匀性。岩溶含水系统一般分为了三类：基质孔 隙、裂隙和管道。在基质孔隙和裂隙中的水流速度较慢，而在管道中的水流相对于基质 孔隙和裂隙流较快，由此可引入地下水裂隙快速流与慢速流。在国内有两个典型的岩 溶区水文模型：“丫吉模型”和贵州典型岩溶流域研究模型。“丫吉模型”是在日本水箱 模型的基础上改建的，在桂林丫吉村试验场做了大量的试验的基础下，建立基于水化学 混合系统的二级耦合水箱模型，主要研究的是岩溶区域的水量转换研究口叫俞锦标等在 研究贵州普定南部岩溶地区时，对其水资源评价及开发利用建立了特殊产汇流岩溶地区 模型并在后寨河流域进行了分析验证，为以后在该地区建立岩溶水文模型水文模型奠定 了基础卬】。2013年陈国富等在丫吉模型的基础上在不同降雨条件下的岩溶地区岩洞进行 研究，从水量和水文过程两个方面进行实地监测，从而发现硝酸盐洞的流水水文动态变 化规律网。5广酉大 25 士学位论文乔奇河流缄分 布 式岩溶水文模型构 建与应用概念性水文模型最先被水文研究学者应用于岩溶流域。1983年Williams认为在土壤 饱和区的二次渗透性在该层土壤产生了比较大的化学效应，岩溶裂隙的扩大随着深度而 减小，随着深度的增加下渗受阻从而容易发生水的滞留，强调了地下水文过程对岩溶地 区水文模拟的重要性现。国内对于岩溶地区的水文模拟在1988年有了长足的发展，在该 年沈灿桑、陈俊鸿、高海风提出了一个基于景观产流的降雨径流准概念性模型，在3个 不同的岩溶区域针对性的采用了不同的岩溶水文模型，给出了快速流与慢速流的概念网。同年，崔光中等人在北山矿区的岩溶地区使用了等效水箱模型，采用物理模拟计算径流 过程，建立了一个基于混合模拟模型一北山模型口”。严启坤在同一时期在具有代表性的 桂林岩溶地区建立了一个针对岩溶地下水的流域水文模型，当岩溶地区地下水资料不全 时采用了相互转换的思想，将非岩溶区的地表水与岩溶区的地下水转换最后推求得到岩 溶流域的流量过程线同年河海大学博士研究生程根伟建立了新安江岩溶水文模型。认为在岩溶地区采用蓄满产流的方式合理，差别在于是不同蒸发条件、径流成分和汇流 速度。将流域分为岩溶发育面和非岩溶发育面，直接不透水面积上的结构改为岩溶面积 一不透水面积结构单元，即以不透水面积参数IM同时充当直接不透水面产流和岩溶面积 产流两个含义。进入岩溶水库后若蓄量超过岩溶水库蓄水容量时，超过部分补充地面径 流，汇流时岩溶区和非岩溶区地下径流合并为总的地下径流口3】。1993年卢卫中改进了水 箱串联形式的产汇流综合模型，使用水箱的侧孔出流来模拟径流过程，为了解决滞时效 应将水箱出流过程延迟时段后相加，在分析凤梧站的水文资料后结果表明满足水文预报 的要求4文2006年Abn使用一个系统的大型喀斯特概念性流域水文模型HYMKE,大规 模补给了地下水和解决喀斯特环境不相关的基流和表面流问题，通过比较计算地表径流 和基流分割，利用模型程序对约旦河上游三个支流的出口断面径流时间序列进行了验证，研究表明该模型可有效地模拟岩溶地区的水文径流过程口5。2009年Juki6使用一个地下水 平衡的概念降雨径流模型，将降雨-径流模型分为两个子模型。在子模型的水分平衡的 基础上覆盖土壤和表层生产存储计算有效降雨，基于渗流和潜水区的地下水平衡子模型 计算地下水补给，为岩溶地区水文模拟的研究做出了重大贡献【4纥同年尚晓三、王栋在 贵州后寨河岩溶流域建立了 BP水文模型以及基于遗传算法率定参数的概念性岩溶水文 模型，研究了水文模型有关于补给量计算、水源划分、非线性水箱模型调蓄以及BP网络 神经系统这几大部分，通过比较3个精度评定参数认为BP水文模型优于基于遗传算法率 定参数的概念性岩溶水文模型卬I。2011年刘丽红在重庆青木关岩溶槽谷地区使用概念性 模型HECHMS模拟该地区的降雨径流过程，通过分析该地区的降雨径流特征、模型参6广 W大论文乔，河 流城分布大岩水文模型梅与应用数敏感性，最后得出结果认为所建模型能基本表达岩溶槽谷流域地表降雨径流特点，模 拟结果较好胸。分布式水文模型在概念性模型应用于岩溶地区后也渐渐的被水文研究工作者运用 于岩溶地区。2006年任奇伟在改进SWAT模型基础上构建双重尺度的岩溶地区分布式水 文模型，将大流域划分为相耦合的子流域，又将子流域划分为无耦合的单元流域。模型 采用指数衰减方程描述表层水文物理过程，用线性水库描述浅层水文物理过程，应用于 刁江流域的结果表明对丰水期的流量过程模拟过程有较好的精度，论证了地下河与地表 河水文物理过程的相似性4纥2009年蒙海花等利用半分布式水文模型计算后寨河流域的 流域出口过程，该模型引入落水洞计算汇流以及单元产流，单元流域地表水以及地下水 汇流是采用2个串联水箱、落水洞汇流采用单层水箱的形式，模拟径流过程与实际过程 总体上趋于一致15叫2011年代俊峰、郭纯青、方荣杰分析了西南岩溶灌区的地理水文特 性和构建分布式水文的必要性，提出在岩溶地区建立基于改进的SWAT模型的分布式水 文模型，添加表层岩溶水循环模块和地下河汇流模块，将浅层裂隙流与表层裂隙流分别 计算，为西南岩溶地区的水文研究建立了新的研究手段】。2013年高翔等在以栅格DEM 的基础上改进了岩溶流域DHSVM模型，建立了由水文以及土壤侵蚀模块组成的岩溶地 区小流域分布式模型。以水文模块结合当地地貌、汇流模块计算裂隙流和管道流，结构 简单，为基于Visual Studio 2010编制程序验证模型提供了强有力的基础阳】。2014年潘欢 迎提出了岩溶流域TOPMODEL模型模拟蛤蟆岭流域出流过程。该模型以TOPMODEL为 基础独立分析每一个子流域内的水文过程，在岩溶暗河入口增加调蓄模块设置极限过水 能力，入口流量超过极限过水能力时将产生滞留，在全流域上进行汇流演算，验证了岩 溶TOPMODEL模型水文过程符合岩溶地区的水文特征卬】。2015年宋万祯、雷晓辉等在 平湖流域采用在新安江模型的基础上改进的地下水模型来模拟岩溶地区径流，该模型使 用多个线性水库的方式模拟地下水汇流后进行河道演算，优化模型参数时采用多目标粒 子群优化算法，在全方位的对比后得到结果，认为地下水径流过程与基流存在很大的相 关性5旬。虽然国内在岩溶水文模型方案得到了较大的发展，但是目前缺乏在广西中小流 域内的岩溶区域的一个比较详细的研究,因此本文主要以广西区域的岩溶流域为研究对 象，提供一个可应用于广西岩溶流域内的分布式水文模型方窠。1.2.3模型优化算法发展及现状在进行水文模型模拟的过程的同时也需要解决模型参数的问题，在解决参数优化 问题时常常由于局部最优解、参数的空间范围不连续、参数敏感度不同以及存在搜索策 7广西大学硕士学位论文乔育河流域分布式岩溶水文模型构 力与应用略吸引区域这些问题的存在，使得参数的优化过程非常的困难。最初由于采用人工试算 的方式来选择这些模型参数，但是往往结果不尽如人意，国内外水文研究学者开始转向 于使用计算机技术来解决这些复杂的水文模型参数率定过程。在水文研究工作者们的不 断研究下，一些模型参数率定方式也随之应运而生，例如单纯形法（simplex）蚁群算 法、Rosen-broc k法、遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）、退火算法、SCE-UA算法 等。近年来，随着水文预报的研究范围越来越广，这些算法一经提出便在国内外得到了 水文研究学者们大量的运用。SCE-UA算法最早是由美国水文工作学者Qing yunDuan博士在1992年提出，这种 算法的核心是在结合随机搜索、生物竞争的特点以及单纯形法优化参数模式的基础上，根据相应的水文模型特点针对性的生成不同的的复合型，在每一个复合形内不断进行优 化最终得到一个全局性的优化参数。由于该算法的全局搜索性结果较好，在国内外模型 研究中运用的非常广泛国洸。2006年马海波等在江西修水万家埠流域使用TOPMODEL 模型模拟径流过程，并用SCE-UA算法多模型的参数进行了优化，优化结果得到在该流 域上的洪峰误差为0%。最后得到结论：SCE-UA算法可在概念性模型、半分布式模型、TOPMODEL模型中运用，且个别参数可以按经验值确定切。2009年宋星原等使用改进 的单纯形法、遗传算法、SCE-UA算法在基于Matlab的三水源新安江模型上进行了比 较，通过这几种算法的计算效率、收敛速度等各方位进行了评价，分析结果表明SCE-UA 算法优化效果最佳，能够较快的得到全局最优解，收敛效率高型。2012年徐会军等在 分布式水文模型流溪河模型参数优选时采用了 SCE-UA算法与人工试错法分别优化模 型参数，将优化得到的结果在具体的流域进行了验证。研究结果表明相对于人工试错法，SCE-UA算法在计算速度、计算效率上更加的具有优势，可以计算得到更好地模型参数 值15久2016年葛浩使用SCE-UA算法对在半干旱半湿润地区的双超产流模型参数进行 优化率定，模型参数率定结果在模型模拟流量计算过程中表明参数精度非常高，证明 SCE-UA算法可为双超产流模型的参数提供一个有效的优化方案【6。】。至此我们可以得到 结论，SCE-UA算法不管在干旱地区还是湿润地区，在概念性流域水文模型、分布式流 域水文模型以及半分布式流域水文模型的参数率定上都可有效的选择除出全局优化参 数，为流域水文模型的参数优化提供一个具体可行的参考方案，在水文模型预报发展历 史上具有重大而深刻的意义，因此在本文中选择SCE-UA算法来率定水文模型参数。其他类型的优化算法在国内也得到了广泛的应用。2002年Chau K W等采用多目 标遗传算法（GA）与单目标算法作对比研究，分别对径流过程中的洪峰流量、径流深、8r wxb主物箕论文4MT河St*分布式岩溶水文横坦构施与皿fl峰现时差这三个目标函数值作误差对比。在双牌水库12年来34场洪水做了全方位的对 比研究，研究和应用表明遗传算法率定的参数结果不仅能够发现洪水更多的重要特征,同时得到的结果也是有效的和可靠的。2004年郭君、董朝霞在三水源新安江模型使 用遗传算法率定新安江模型的参数，以实测流量与预报流量的误差作为目标值，将率定 得到的敏感参数优化结果应用于清江流域中预报三次洪水，结果表明该种参数率定方法 在新安江模型上的参数优选结果是可行的，结果基本也与实测资料相吻合6工2008年 徐刚、缪韧、杜发兴等在由于使用人工试错法率定参数时出现不精确参数的问题，提出 了在交互式水文模型中利用粒子群算法率定最优参数。最后结论表明粒子群算法能够比 试错法优化的参数更加精准、快速、便捷，在流域模拟上去等了良好的预报成果6引。2010 年刘苏宁、甘泓、魏国孝在新安江模型的率定过程中采用粒子群算法，选出与研究流域 相匹配的新安江模型最优参数。在研究过程中发现粒子群算法可被下列参数影响：惯性 权重、加速度常数和种群规模，因此选择优化算法率定参数时还需考虑到算法本身的参 数影响2013年李德龙、程先云等分别采用蜂群和蛙跳两种智能算法研究水文参数 率定的方法。研究过程中采用了马斯京根法、暴雨强度、新安江模型这三种水文模型方 案，并用改进的算法对这三种方案进行参数率定，结果发现蜂群和蛙跳这两种算法比传 统意义上的算法更加具有优势，可以更简单快速、易于实现、优化结果跟更与实际相结 合】。2016年辽宁省江河流域管理局董天奥针对人工率定参数繁杂且精度不高的问题，使用粒子群算法批量率定分布式水文模型SWAT模型参数。结合实测流域的实测雨量、径流数据，分析经优化算法优化的参数对