李晨濤
(遼寧省本溪水文局,遼寧 本溪 117000)
近些年來,受環(huán)境變化影響,中小河流突發(fā)洪水呈現(xiàn)逐年增多趨勢(shì),產(chǎn)生災(zāi)害的程度也越來越嚴(yán)重。本溪地區(qū)位于遼寧省東部,屬于典型的東部山區(qū),區(qū)域內(nèi)中小河流眾多,流域面積100km2和200km2以上的河流分別為12條和27條。本溪地區(qū)屬于遼寧省暴雨洪水易發(fā)區(qū),大部分中小河流位于無徑流觀測(cè)資料的區(qū)域,很難構(gòu)建預(yù)報(bào)方案。為提高本溪地區(qū)中小河流預(yù)報(bào)能力,亟需對(duì)其預(yù)報(bào)斷面進(jìn)行方案構(gòu)建。當(dāng)前,對(duì)于無資料地區(qū)中小河流研究也取得一定研究成果,這些成果大都通過有資料地區(qū)進(jìn)行參數(shù)移植到無資料地區(qū),從而構(gòu)建無資料地區(qū)預(yù)報(bào)方案,而采用的方法主要為相似流域法或者經(jīng)驗(yàn)判定法,其中相似流域應(yīng)用較多,但相似流域方法大都按照流域面積以及地理位置相近為原則,不能充分考慮流域下墊面特征或者水文特征對(duì)預(yù)報(bào)模型參數(shù)的影響,存在一定的局限。一些研究成果表明,對(duì)于無資料地區(qū)中小河流,綜合考慮流域下墊面特征和水文特征,可以有效提高無資料地區(qū)中小河流參數(shù)移植的精度。本文以充分反映中小河流洪水模擬特點(diǎn)的下墊面及水文特征的7個(gè)參數(shù)作為聚類指標(biāo),采用主成分聚類分析方法對(duì)本溪地區(qū)中小河流預(yù)報(bào)斷面進(jìn)行參數(shù)移植,研究成果對(duì)于本溪及全省其他無資料地區(qū)中小河流洪水預(yù)報(bào)方案構(gòu)建提供方法參考。
流域產(chǎn)匯流地形等參數(shù)具有較高的相關(guān)性,水量平衡方程及水文情勢(shì)受植被覆蓋影響也不能忽略。伊璇等通過對(duì)全國(guó)多個(gè)無資料地區(qū)進(jìn)行徑流模擬試驗(yàn)表明流域徑流影響指標(biāo)主要為四類共計(jì)18個(gè)指標(biāo),分別為地形類包括流域面積、河流長(zhǎng)度、流域比降、河網(wǎng)密度、流域形狀系數(shù);地勢(shì)類主要為流域的高程;水文特征類包括降水量、徑流深年均值;土地利用類主要包括農(nóng)業(yè)用地、林地、草地、水域的占比面積;土壤類型類主要包括沙土、粘土、壤土的占比。本文依據(jù)此成果首先選取以上18個(gè)指標(biāo),考慮到各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度較多,不同指標(biāo)之間的信息會(huì)有所重疊,一些變化規(guī)律有所掩蓋,需要降低聚類分析的維度?;诖吮疚慕Y(jié)合SCS降雨徑流模型,將流域地形、地勢(shì)、土地利用類型、土壤類型作為模型參數(shù),選取遼東地區(qū)南甸峪、二道河子等7個(gè)水文站點(diǎn)50場(chǎng)洪水?dāng)?shù)據(jù),以洪峰為目標(biāo),對(duì)選取的18個(gè)水文地理指標(biāo)進(jìn)行敏感度分析,敏感度分析成果可詳見參考文獻(xiàn)[17]。通過敏感度分析,對(duì)于遼東地區(qū)而言,河流長(zhǎng)度、匯水面積、河流坡度、流域形態(tài)、植被覆蓋度、降水量及徑流深年平均值7個(gè)指標(biāo)對(duì)于區(qū)域洪峰影響較為敏感,而其他11個(gè)指標(biāo)敏感度較低,甚至不敏感。本文在進(jìn)行遼東地區(qū)參數(shù)移植聚類指標(biāo)分析時(shí),以上述7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析。
主成分分析方法在大量的信息數(shù)據(jù)中通過方差解釋來確定主成分分析向量,將原有數(shù)據(jù)的高維投影數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理后得到特殊的數(shù)組矩陣,從而使得原有數(shù)據(jù)信息得到較為有效的保留,從而對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行更便捷的處理和使用,這其中需要對(duì)原有參數(shù)的主要信息進(jìn)行有效提取,從而降低分析的指標(biāo)個(gè)數(shù),從主要關(guān)聯(lián)度進(jìn)行變量的提取后,降低參數(shù)分析的空間維數(shù)。
數(shù)據(jù)挖掘是聚類分析的主要方法,將多個(gè)數(shù)據(jù)按照相似度進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)象的分類,從而得到具有一定差異度的數(shù)據(jù)分類,主要步驟為:
(1)對(duì)于分析的各變量聚類指標(biāo)而言,對(duì)于其維度空間P對(duì)應(yīng)下的n個(gè)聚類指標(biāo),可以采用不同聚類指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析,其關(guān)聯(lián)度一般采用數(shù)學(xué)距離方法或者絕對(duì)值方法進(jìn)行判定,其各聚類指標(biāo)之間的變異度本文主要采用歐氏距離方法進(jìn)行判定。
(2)對(duì)于距離判定較為接近的2類聚類指標(biāo)進(jìn)行合并成為一類指標(biāo),本文對(duì)各類指標(biāo)進(jìn)行平均法計(jì)算。
(3)計(jì)算各類指標(biāo)與合并后的新的聚類指標(biāo)的歐氏距離值,將距離最短的兩類指標(biāo)進(jìn)行重新合并,若聚類指標(biāo)合并為一類,則表示聚類計(jì)算結(jié)束,重新返回到第二個(gè)步驟進(jìn)行聚類指標(biāo)之間的歐氏距離計(jì)算。
本溪市地處遼東山丘區(qū)。山多地少,呈現(xiàn)“八山一水一分田”的地貌格局,地勢(shì)西北低,東南高并向中部?jī)A斜。流域內(nèi)屬溫帶氣候,受季風(fēng)影響較重,冬夏氣候分明。平均氣溫6~8℃,最高氣溫35~38.0℃,最低氣溫-29.2~-37.9℃。降雨量充沛,最大年降水量為1172.9mm,最小年降水量為503.5mm,年平均降水量為750~850mm。降水年內(nèi)分配不均勻,暴雨多集中在七、八兩月,降水量約占全年降水量的70~80%,七、八兩月受副熱帶高壓影響,常有臺(tái)風(fēng)雨,易造成泥石流。流域內(nèi)全年平均降水天數(shù)為80~120天,由于降雨時(shí)空分布的差異性,本溪地區(qū)發(fā)生洪澇的頻次較高。
基于本溪地區(qū)中小河流站點(diǎn)水文地理特征數(shù)據(jù),對(duì)區(qū)域區(qū)主要中小河流站點(diǎn)的下墊面特征以及水文特征進(jìn)行提取,提取結(jié)果見表1。
采用本溪地區(qū)具有長(zhǎng)系列觀測(cè)數(shù)據(jù)的參考水文站和新建中小河流站點(diǎn)進(jìn)行各指標(biāo)的聚類分析,對(duì)各聚類指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度的計(jì)算,其關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果見表2。從表中可看出,各聚類指標(biāo)之間存在一定的關(guān)聯(lián)度,年徑流深均值和年降水均值之間的關(guān)聯(lián)度最大,且兩個(gè)指標(biāo)與森林率之間具有較高的關(guān)聯(lián)度,關(guān)聯(lián)系數(shù)均高于0.6。
表2 相關(guān)系數(shù)矩陣分析結(jié)果
對(duì)聚類指標(biāo)進(jìn)行主成分貢獻(xiàn)率累積值的計(jì)算,當(dāng)兩個(gè)主成分方差累積貢獻(xiàn)率高于1.0,則認(rèn)為為聚類指標(biāo)的主成分,各主成分累積方差貢獻(xiàn)率高于1 的荷載矩陣分析結(jié)果見表3。各聚類指標(biāo)主成分與初始值之間的關(guān)聯(lián)度可以通過荷載矩陣指標(biāo)值進(jìn)行分析,聚類指標(biāo)的主成分主要表征各聚類指標(biāo)的影響度。通過分析對(duì)于本溪地區(qū)聚類指標(biāo)而言,對(duì)第二個(gè)主成分影響程度較高的是河長(zhǎng)特征指標(biāo)。
表3 主成分荷載矩陣分析結(jié)果
基于各站點(diǎn)主成分聚類分析值,可以對(duì)樣本序列進(jìn)行重聚類分析計(jì)算,從而得到各聚類指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu),通過分析可以將本溪地區(qū)各中小河流站點(diǎn)和其對(duì)應(yīng)的參考站點(diǎn)劃分為6個(gè)聚類組,各組內(nèi)對(duì)應(yīng)的參考站和中小河流站點(diǎn)見表4。
表4 本溪地區(qū)參照站與中小河流站對(duì)應(yīng)表
(續(xù)表)
從對(duì)應(yīng)分聚類分組結(jié)構(gòu)可看出,在同一個(gè)聚類分組內(nèi)的站點(diǎn)有相近的地理位置,也有個(gè)別站點(diǎn)具有較遠(yuǎn)的地理位置,在地理位置的相似度較低。而分組內(nèi)的三道河站和偏嶺站具有較為接近的地理位置,而統(tǒng)一分組內(nèi)的孟柳站則距離二道河子站和偏嶺站的地理位置較遠(yuǎn)。
由于本溪站中小河流大都處于無徑流觀測(cè)資料的區(qū)域,且建站以來具有完成洪水測(cè)次的站點(diǎn)較少,對(duì)采用主成分聚類方法進(jìn)行參數(shù)移值進(jìn)行驗(yàn)證,需要兩個(gè)有實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)的站點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)移植驗(yàn)證。按照聚類相似分組情況,南甸峪站和橋頭站在同一個(gè)相似組,且橋頭站已有預(yù)報(bào)方案,因此將橋頭站的參數(shù)移植到南甸峪站,結(jié)合南甸峪站實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)選用新安江模型進(jìn)行參數(shù)移值方法的驗(yàn)證。
南甸峪水文站位于本溪縣南甸鎮(zhèn)小峪村,東經(jīng)124°24′,北緯41°16′,始建于1958年1月,集水面積765km2,為區(qū)域代表站,國(guó)家基本站。南甸站流域內(nèi)設(shè)有雨量站4處,分別是羊胡子溝、南孤山、林場(chǎng)、南甸雨量站。站點(diǎn)分布如圖1所示。
圖1 南甸峪站流域內(nèi)站點(diǎn)分布
本溪地區(qū)實(shí)用洪水預(yù)報(bào)方案中橋頭站采用新安江模型進(jìn)行預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建,將橋頭站已率定好的新安江模型參數(shù)移值到南甸峪水文站,模型參數(shù)見表5。
表5 模型參數(shù)移值結(jié)果
在模型參數(shù)移值的基礎(chǔ)上,采用南甸站11場(chǎng)次洪水進(jìn)行模型驗(yàn)證,模型產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果見表6和表7。模型產(chǎn)流和匯流按照GB/T 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》其合格率可分別達(dá)到91%和73%。
表6 南甸峪水文站產(chǎn)流模擬結(jié)果
表7 南甸峪水文站匯流模擬結(jié)果
參數(shù)移值后南甸峪水文站以上流域各場(chǎng)次洪水徑流量誤差除個(gè)別場(chǎng)次洪水外,總體可低于15%,產(chǎn)流計(jì)算精度較高,尤其對(duì)于降雨強(qiáng)度較高,過程雨量較大的場(chǎng)次洪水其產(chǎn)流模擬誤差較低,而對(duì)于前期影響雨量較高且過程降水量較小的場(chǎng)次洪水,其產(chǎn)流模擬誤差相對(duì)較大,而對(duì)于“20010728”場(chǎng)次洪水而言,通過調(diào)查該場(chǎng)次洪水由于人類活動(dòng)影響使得其產(chǎn)流量實(shí)際值有所偏低。
從匯流模擬結(jié)果來看,除個(gè)別場(chǎng)次洪水外,南甸峪水文站以上流域在進(jìn)行參數(shù)移值后其匯流模擬精度也較高,峰現(xiàn)時(shí)間以及洪峰流量模擬值和實(shí)際值之間的誤差均在水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范的誤差允許范圍內(nèi),尤其對(duì)場(chǎng)次洪水的洪峰流量具有較高的模擬精度,整體的平均確定性系數(shù)模擬精度較高。對(duì)于“19730716”場(chǎng)次洪水,通過降雨資料可以看出降雨中心區(qū)域首先在南甸水文站下游,然后才轉(zhuǎn)移到南甸水文站上游,降雨分布在時(shí)間上和空間上都不均勻,這就導(dǎo)致了實(shí)際洪峰出現(xiàn)時(shí)間較模擬洪峰出現(xiàn)時(shí)間較早,使得參數(shù)移值后模型模擬擬合度較低。
(1)通過主成分聚類方法對(duì)流域下墊面和水文特征指標(biāo)進(jìn)行特征值的分析和處理,從而確定參考站和中小河流站點(diǎn)的相似分組,該方法可綜合考慮流域許多指標(biāo)之間的相關(guān)性,使得參數(shù)移值更為科學(xué),可推廣和應(yīng)用于構(gòu)建無資料地區(qū)中小河流預(yù)報(bào)方案。
(2)對(duì)于無徑流觀測(cè)資料的中小河流站點(diǎn)其年徑流深指標(biāo)值可通過區(qū)域徑流系數(shù)等值線圖,結(jié)合年降水量進(jìn)行分析得到。年徑流深、年降水量、森林率、流域面積具有較高的關(guān)聯(lián)度,聚類分組內(nèi)的站點(diǎn)空間屬性具有差異性。
(3)無資料地區(qū)參數(shù)移值后洪水和模擬的精度受流域?qū)傩灾笜?biāo)選取的直接影響,因此其流域特征指標(biāo)的分層分類還有待研究,尤其是各指標(biāo)與模型參數(shù)之間的響應(yīng)機(jī)理還要深入分析,從而建立一套可以在全流域參數(shù)移值聚類指標(biāo)選取的標(biāo)準(zhǔn)體系。