多種水文模型在潘家口水庫(kù)流域中的應(yīng)用比較研究

王哲，李濤濤，馬金一，高靜，燕文明

（1.海河水利委員會(huì)水文局，天津300170；2.天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津300204；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098；4.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098）

多種水文模型在潘家口水庫(kù)流域中的應(yīng)用比較研究

王哲1，李濤濤2，馬金一1，高靜3，燕文明4

（1.海河水利委員會(huì)水文局，天津300170；2.天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津300204；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098；4.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098）

由于傳統(tǒng)水文預(yù)報(bào)模型的局限性，分別采用新安江模型、TOPMODEL模型及降雨徑流相關(guān)圖，對(duì)位于半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)的潘家口水庫(kù)流域進(jìn)行洪水模擬計(jì)算并進(jìn)行適用性分析。結(jié)果表明，采用蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制的新安江模型及基于地理信息系統(tǒng)的TOPMODEL模型均適用于該流域，在潘家口水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)中預(yù)報(bào)精度較高，為海河流域洪水預(yù)報(bào)方案的建立提供了新的思路和模式，具有一定的理論基礎(chǔ)和借鑒意義。

新安江模型；TOPMODEL模型；降雨徑流相關(guān)圖；潘家口水庫(kù)；洪水模擬

1 引言

近年來(lái)，為了模擬降雨徑流關(guān)系，人們開(kāi)發(fā)了很多降雨徑流模型[1]。濕潤(rùn)地區(qū)的降雨徑流模型發(fā)展較為先進(jìn)，產(chǎn)生了很多成熟的概念性模型以及半分布式的水文模型[2]。海河流域?qū)儆诎霛駶?rùn)半干旱地區(qū)，由于氣候變化異常，流域下墊面變化較大，降雨較少導(dǎo)致水文資料缺乏，因此海河流域的洪水預(yù)報(bào)工作比較艱難。到目前為止，還沒(méi)有比較完善的高精度的適合海河流域的洪水預(yù)報(bào)模型，因此難以為流域的抗旱、調(diào)水及水利工程優(yōu)化調(diào)度等工作提供良好的技術(shù)服務(wù)。筆者以潘家口水庫(kù)流域?yàn)槔捎眯掳步Ｐ?、TOPMODEL模型及降雨徑流相關(guān)圖建立洪水預(yù)報(bào)方案，進(jìn)行洪水模擬計(jì)算和結(jié)果比較，分析各個(gè)模型在半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)的適用性，為同類(lèi)地區(qū)洪水預(yù)報(bào)方案的建立提供了新的思路和模式，具有一定的理論基礎(chǔ)和借鑒意義。

2 流域概況

潘家口水庫(kù)位于河北省遷西縣境內(nèi)灤河干流上，控制流域面積33 700 km2，總庫(kù)容29.3億m3。潘家口水庫(kù)是以向天津、唐山兩市工農(nóng)業(yè)供水為主，結(jié)合供水發(fā)電、兼顧防洪的大型水利樞紐中的骨干工程，按1 000年一遇洪水設(shè)計(jì)、5 000年一遇洪水校核。受副熱帶季風(fēng)影響，流域夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，降雨主要集中在汛期6—9月，多年平均年降雨量為400～700 mm。

本模型研究區(qū)域?yàn)椋簽春由嫌胃闪鞴彝驼疽韵?，包括干流北岸的伊遜河、武烈河、老牛河、瀑河和南岸的興洲河、柳河，流域面積為9 839 km2。研究區(qū)域內(nèi)共有30多個(gè)雨量站，但分布極不均勻。水文資料采用22場(chǎng)洪水的降雨和流量資料。

3 水文預(yù)報(bào)模型構(gòu)建

筆者選取了新安江模型、TOPMODEL模型以及降雨徑流相關(guān)圖共3個(gè)水文模型，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行洪水模擬計(jì)算，根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)3個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比分析研究。

3.1 新安江模型

新安江模型為概念性分布式水文模型。根據(jù)流域的下墊面分布情況，將流域劃分為N個(gè)單元流域，分別預(yù)報(bào)每個(gè)單元流域的流量過(guò)程并演算到流域出口斷面進(jìn)行疊加，從而得到全流域的預(yù)報(bào)流量過(guò)程[3]。整個(gè)流域分為5個(gè)子流域，分別是寬城站以上的瀑河流域、李營(yíng)站以上的柳河流域、下板城以上的老牛河流域、承德站以上的武烈河流域以及各控制站至潘家口庫(kù)區(qū)的區(qū)間流域。

模型采用人工優(yōu)化與自動(dòng)優(yōu)化相結(jié)合的方法按子流域自然劃分成5塊獨(dú)立率定。其具體做法是將5個(gè)子流域控制站的實(shí)測(cè)流量作為輸入項(xiàng)，對(duì)區(qū)間面積進(jìn)行率定，最后進(jìn)行5塊聯(lián)調(diào)。模擬參數(shù)結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 新安江模型參數(shù)

3.2 TOPMODEL模型

TOPMODEL（Topgraphy Based HydrologicalMod?el）是1979年由Beven和Kirkby提出的基于地形的半分布式流域水文模型，其主要特征是模型簡(jiǎn)單、參數(shù)較少。該模型首先用流域的DEM數(shù)據(jù)來(lái)推求地形指數(shù)ln（α/tanβ），地形指數(shù)一致的單元流域產(chǎn)流與匯流機(jī)制相同，屬于同一個(gè)水文分區(qū)。由于考慮了影響徑流形成的流域地形、地貌、土壤等多種影響因子且有效地結(jié)合了分布式水文模型的物理基礎(chǔ)與集中式水文模型計(jì)算和參數(shù)方面的優(yōu)點(diǎn)，因此該模型被廣泛應(yīng)用并在應(yīng)用中不斷改進(jìn)和完善。

根據(jù)精度為25×25 km2的流域DEM圖，采用Arcview軟件對(duì)DEM進(jìn)行預(yù)處理，判定流向，將流域劃分為5個(gè)子流域，分別計(jì)算各個(gè)子流域的產(chǎn)流，然后采用基于子流域的等流時(shí)線(xiàn)匯合法進(jìn)行匯流計(jì)算，求出各個(gè)子流域出口處的流量過(guò)程，最后采用馬斯京根法進(jìn)行河網(wǎng)匯流演算。模擬參數(shù)結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2TOPMODEL模型參數(shù)

3.3 降雨徑流相關(guān)圖

在現(xiàn)代水文預(yù)報(bào)中，雖然大量使用流域水文模型如新安江模型、薩克門(mén)托模型、水箱模型和陜北模型等進(jìn)行流域降雨徑流預(yù)報(bào)，但是不少生產(chǎn)單位尤其是一些大型水庫(kù)的管理單位在長(zhǎng)期的工作實(shí)踐中已建立了一套適合于當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的經(jīng)驗(yàn)性降雨徑流預(yù)報(bào)方案。利用相關(guān)分析的方法，建立降雨量、流域蓄水量或前期影響雨量與徑流深之間的相關(guān)圖，這些相關(guān)圖反映了流域的產(chǎn)流規(guī)律。通過(guò)此相關(guān)圖，可以由降雨計(jì)算相應(yīng)的產(chǎn)流量。此類(lèi)圖一般沒(méi)有固定的數(shù)學(xué)模型，被稱(chēng)為經(jīng)驗(yàn)的降雨徑流相關(guān)圖。

采用洪水資料計(jì)算流域的P，Pa及R，并點(diǎn)繪降雨徑流相關(guān)圖。單位線(xiàn)推求時(shí)各時(shí)段徑流深之和應(yīng)與由實(shí)測(cè)資料計(jì)算的徑流量相等，如果不相等，應(yīng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整使兩者相等。潘家口降雨徑流相關(guān)圖，如圖1所示。

3.4 模型應(yīng)用結(jié)果比較

根據(jù)表3對(duì)比分析誤差，可以看出各模型率定期和檢驗(yàn)期的相對(duì)誤差差距很大，這主要是由于流量資料的代表性較差。目前水庫(kù)的入庫(kù)流量主要是通過(guò)水庫(kù)的觀測(cè)水位和總出庫(kù)流量反推求得，常常呈鋸齒形波動(dòng)過(guò)程。另外，潘家口以上的承德地區(qū)建有大量橡膠壩，汛期發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)存在人造洪峰現(xiàn)象，因此造成了率定期和檢驗(yàn)期的誤差放大現(xiàn)象。

從表4可以看出，在率定期新安江模型、TOP?MODEL模型的洪峰和徑流精度高于降雨徑流相關(guān)圖模型，在檢驗(yàn)期TOPMODEL模型比另外2個(gè)模型的精度要高。從3個(gè)模擬指標(biāo)來(lái)看，3個(gè)模型率定期模擬洪水的精度較模擬期下降，TOPMODEL模型的洪峰和徑流的誤差合格率均大于70%，根據(jù)水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范，模型預(yù)報(bào)的精度達(dá)到乙級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，就可以用于洪水預(yù)報(bào)[4]。這主要是因?yàn)門(mén)OPMODEL模型考慮了地形指數(shù)的變化，從而在下墊面條件變化的洪水計(jì)算方面具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

圖1 潘家口水庫(kù)降雨徑流相關(guān)圖

表3 各個(gè)模型的模擬成果特征值對(duì)比（X—新安江模型，T—TOPMODEL，P—降雨徑流相關(guān)圖）

表4 合格率統(tǒng)計(jì)

新安江模型的參數(shù)率定一般由“日模型”和“次洪模型”兩部分構(gòu)成。其中，“日模型”可為“次洪模型”提供初始狀態(tài)變量。模型率定過(guò)程中，首先通過(guò)“日模型”的調(diào)試，可率定流域第一、二層次的參數(shù)以及第三、四層次的部分參數(shù)，如各層土壤含水量、產(chǎn)流面積等。其余參數(shù)可通過(guò)“次洪模型”進(jìn)行率定，如自由水蓄量、地面徑流消退系數(shù)、流域滯時(shí)等與水源劃分及匯流相關(guān)的參數(shù)。從模型參數(shù)率定的過(guò)程來(lái)看，新安江模型的徑流模擬精度最高，可以用于潘家口水庫(kù)洪量的預(yù)報(bào)。

由于新安江模型和TOPMODEL模型的產(chǎn)流機(jī)制均屬于蓄滿(mǎn)產(chǎn)流，因此表明蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制在類(lèi)似于海河流域的半干旱地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)中具有一定的適應(yīng)性。但海河流域的洪水多形成于夏季的雷暴天氣，雨強(qiáng)遠(yuǎn)大于下滲能力，一般在1 h之內(nèi)便可達(dá)到穩(wěn)定下滲。因此，利用降雨徑流相關(guān)圖進(jìn)行模擬時(shí)，采用時(shí)段長(zhǎng)為3 h的歷史資料便可取得60%以上的預(yù)測(cè)精度。但是，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)多數(shù)水文站在采用1 h時(shí)段雨量的情況下，降雨徑流相關(guān)圖模型不能完全反映流域的產(chǎn)匯流規(guī)律。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本文通過(guò)Arcview軟件對(duì)潘家口水庫(kù)流域進(jìn)行了流域信息提取，并分別將新安江模型、TOP?MODEL模型以及降雨徑流相關(guān)圖應(yīng)用于流域的洪水模擬計(jì)算，采用22場(chǎng)洪水對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行驗(yàn)證。從模型率定與檢驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，TOPMODEL模型指標(biāo)的合格率均大于70%，可以作為洪水作業(yè)預(yù)報(bào)方案供選擇；新安江模型對(duì)于徑流量的預(yù)報(bào)精度較高，比較適合潘家口水庫(kù)的洪量預(yù)報(bào)。

（2）研究表明，采用蓄滿(mǎn)產(chǎn)流機(jī)制的新安江模型及基于地理信息系統(tǒng)的TOPMODEL模型均適用于該流域，在洪水預(yù)報(bào)過(guò)程中取得了較高的預(yù)報(bào)精度，為海河流域洪水預(yù)報(bào)方案的建立提供了新的思路和模式，具有一定的理論基礎(chǔ)和借鑒意義。

[1]張建云.中國(guó)水文預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展的回顧與思考［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2010，19（7）:437-441．

[2]楊大文，李翀，倪廣恒，等.分布式水文模型在黃河流域的應(yīng)用［J］.地理學(xué)報(bào)，2004，59（1）:143-154．

[3]趙人俊.流域水文模擬——新安江模型和陜北模型[M].北京:水利電力出版社，1984:1-20.

[4]SL250—2000，水情預(yù)報(bào)規(guī)范[S].

TV124；P338

A

1004-7328（2016）06-0045-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.014

2016—09—14

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（41301531）

王哲（1984—），男，碩士，工程師，主要從事水文水資源管理工作。