基于新安江模型的曲江流域水文模擬研究

谷 一， 王國慶， 郝振純， 鮑振鑫， 陳煜良

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098； 2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029； 3.上海市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)， 上海 200032)

1 研究背景

20世紀(jì)70年代，河海大學(xué)趙人俊教授研制出了我國第一個(gè)大流域分布式概念性水文模型——新安江模型[1]。新安江模型在國內(nèi)乃至國際均得到認(rèn)可并得到廣泛應(yīng)用[2-5]，是中國少有的一個(gè)具有世界影響力的水文模型。新安江模型根據(jù)流域面積大小和研究需要可采用集中式模型和分布式模型來進(jìn)行模擬，運(yùn)用靈活多變，且其大多數(shù)參數(shù)具有明確的物理意義，有一定的物理機(jī)制[6]。目前，新安江模型已被廣泛應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)中[7-10]。

新安江模型在我國的應(yīng)用日趨完善，周廣剛等[11](1999)、朱求安等[12](2004)、唐俊龍等[13](2017)先后探討了新安江模型在灑河流域、漢江江口流域、浙江白水坑水庫等流域的適用性，結(jié)果表明新安江模型在我國絕大部分地區(qū)模擬效果良好。徐莎等[14]發(fā)現(xiàn)新安江模型在我國長江、淮河等濕潤地區(qū)的模擬效果優(yōu)于黃河、松花江等半濕潤地區(qū)，尤其在最濕潤的昌江流域可達(dá)甲等標(biāo)準(zhǔn)。水文模擬是開展環(huán)境變化影響的重要基礎(chǔ)工作，本文采用新安江模型開展了曲江流域的水文模擬研究。

2 資料與方法

2.1 流域概況

曲江是珠江上游的一條主要河流，是南盤江西岸的一級支流，其位于云南省玉溪市和紅河州的交界處。曲江流域地處低緯度高原區(qū)，地勢東南低，西北高，山地、高原、盆地、峽谷交錯(cuò)分布，地形復(fù)雜多樣[15]。屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，立體化特征顯著，冬春少雨，夏秋濕潤[16]，多年平均降水量約為850 mm，且超過50%的降水量集中在6-8月份。流域內(nèi)主要洪水類型為暴雨洪水，且受地形影響較為明顯，多年平均年徑流深為140～220 mm，降雨徑流相關(guān)性良好。

本文選取的研究區(qū)位于曲江流域西山水文站以上區(qū)域，主要流經(jīng)安化彝族鄉(xiāng)、九溪鎮(zhèn)、玉溪市、峨山彝族自治縣、曲江鎮(zhèn)，沿途有董炳河、九溪河、峨山大河等多條支流匯入，整條河流基本都在山區(qū)，植被茂密豐富，林地、草地和耕地分別占研究區(qū)面積的57%、13%、24%，城鎮(zhèn)建設(shè)用地僅占4%，受人類活動(dòng)干擾小。

圖1 曲江流域水系及水文氣象站點(diǎn)分布圖

曲江流域內(nèi)氣象站、水文站和雨量站的分布情況如圖1所示，流域內(nèi)有玉溪1個(gè)氣象站，大矣資、馬家莊、峨山、西山4個(gè)水文站，雨量站大多分布在峨山站以上。收集整理了流域內(nèi)水文氣象站點(diǎn)的逐日資料，表1給出了4個(gè)典型子流域的基本信息。

2.2 新安江模型

新安江模型主要基于蓄滿產(chǎn)流理論，由蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、分水源計(jì)算、匯流計(jì)算4部分組成。本文采用的是3水源新安江模型，其蒸散發(fā)計(jì)算模塊采用三層模式來分別計(jì)算上層、下層和深層地下水的蒸發(fā)量；產(chǎn)流計(jì)算模塊采用蓄滿產(chǎn)流模型，基于蓄水容量曲線來進(jìn)行計(jì)算；分水源計(jì)算模塊通過線性水庫將總徑流量劃分為地表徑流、壤中流、地下徑流3個(gè)部分；匯流計(jì)算模塊分為坡面匯流和河網(wǎng)匯流兩個(gè)部分，通過馬斯京根法或滯后演算法來進(jìn)行計(jì)算[1]。

模型采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)和多年平均相對誤差兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)來表征模擬效果，其表達(dá)式如下：

(1)

(2)

3 模型分析結(jié)果

3.1 模型參數(shù)敏感性

本研究采用的三水源新安江模型共有16個(gè)參數(shù)，由于該模型涉及到的參數(shù)比較多，所以有必要對這些參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，從而提高模型率定的效率，縮短率定時(shí)間[17-18]。優(yōu)選參數(shù)及其范圍如表2所示。

表2 新安江模型參數(shù)及范圍

上述模型參數(shù)中，KC、UM、LM、C為蒸散發(fā)計(jì)算模塊的參數(shù)，WM、B、IM為產(chǎn)流量計(jì)算模塊的參數(shù)，SM、EX、KG、KI為分水源計(jì)算模塊的參數(shù)，CS、CI、CG、CR、LR為匯流計(jì)算模塊的參數(shù)。

KC為水面蒸發(fā)量與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之比，控制著總水量平衡，UM、LM、C的增加會(huì)使得計(jì)算蒸發(fā)量增加，但UM、LM的影響相對有限，屬于不敏感參數(shù)，C值對于濕潤地區(qū)的濕潤時(shí)期而言并不敏感，只對干旱期或半濕潤地區(qū)產(chǎn)生較大影響。WM不敏感且不影響蒸發(fā)計(jì)算，蓄水容量曲線不變的情況下B與WM成負(fù)相關(guān)，IM可通過GIS技術(shù)直接測得，在本研究中不敏感。SM是敏感參數(shù)，其增加時(shí)會(huì)減少地表徑流，KG、KI分別控制地下水和壤中流占總水量的比值，從而將總水量分成地表水、地下水和土壤水3層。CS、CI、CG為坡面匯流計(jì)算模塊的參數(shù)，CR、LR為河網(wǎng)匯流計(jì)算模塊的參數(shù)，本模型中均采用滯后演算法來進(jìn)行匯流的計(jì)算，即基于線性水庫的推移和坦化，來推求出口處的徑流過程[19]。

3.2 水文過程模擬

受徑流資料和蒸發(fā)資料的限制，本研究僅收集到大矣資站和馬家莊站1982-1985、2006-2009年這8年的資料，以及峨山站和西山站1976-1985、2006-2015年這20年的資料。大矣資站和馬家莊站采用3年率定，1年驗(yàn)證，峨山站和西山站采用7年率定，3年驗(yàn)證，表3統(tǒng)計(jì)給出了模擬結(jié)果。

由表3可以看出：(1)新安江模型模擬效果總體而言較好，率定期Nash效率系數(shù)均大于0.7，水量平衡誤差控制在±5%以內(nèi)，驗(yàn)證期效率系數(shù)均大于0.5，水量平衡誤差控制在±15%以內(nèi)。(2)西山站模擬效果最好，Nash效率系數(shù)最小為0.799，峨山站次之，Nash效率系數(shù)均大于0.7，且西山站和峨山站率定期的水量平衡誤差均在-2%以內(nèi)，驗(yàn)證期均在+10%以內(nèi)，說明資料序列較長情況下新安江模型在曲江流域模擬效果良好。(3)大矣資站和馬家莊站率定期的效率系數(shù)較高，驗(yàn)證期則較低，僅采用1年的資料對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，存在明顯的偏差，較短的資料序列會(huì)嚴(yán)重影響模型的模擬精度。

圖2給出了4個(gè)水文站實(shí)測與模擬的逐日流量過程對比，以便于更直觀地分析新安江模型在曲江流域的模擬效果?？梢钥闯觯?1)4個(gè)水文站模擬結(jié)果良好，實(shí)測徑流與模擬徑流擬合程度較高，新安江模型在曲江流域能較好地模擬出徑流過程的漲落。(2)新安江模型對不同豐枯年份徑流的模擬存在著差異，對于豐水年的模擬效果明顯優(yōu)于平水年和枯水年，但其考慮的產(chǎn)匯流模式過于單一，對于洪峰的模擬不夠精確。

4個(gè)水文站實(shí)測與模擬年徑流量的散點(diǎn)圖如圖3所示，由圖3可見：(1)4個(gè)水文站實(shí)測年徑流量與模擬年徑流量間具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.75。(2)大矣資站和峨山站相關(guān)系數(shù)最高，均超過0.9，峨山站點(diǎn)群最接近于1∶1線，說明峨山站模擬年徑流量最接近于實(shí)測年徑流量；大矣資站和馬家莊站點(diǎn)群數(shù)量少，但均接近于1∶1線，處于合理范圍內(nèi)。

曲江4個(gè)水文站實(shí)測與模擬的徑流量年內(nèi)月分配過程如圖4所示，可以看出：(1)實(shí)測流量與模擬流量的年內(nèi)月分配基本一致，7-9月份為主汛期，一般8月份流量為全年最大，2-4月份為低流量期，4月份流量為全年最小，這與流域內(nèi)的氣候特征有很大關(guān)系，夏季降水多，更易形成降水，冬、春季節(jié)降水相對少，特別4月份時(shí)平均風(fēng)速大，日照時(shí)數(shù)長，導(dǎo)致蒸發(fā)極大，故而流量較少。(2)汛期時(shí)新安江模型模擬值普遍偏小，非汛期則普遍偏大，分析認(rèn)為曲江流域地處山區(qū)，汛期時(shí)多短歷時(shí)強(qiáng)降水，降雨強(qiáng)度較非汛期大，因而并不完全進(jìn)行蓄滿產(chǎn)流。新安江模型模擬時(shí)僅用IM來概化不透水面積的產(chǎn)流，將強(qiáng)降水時(shí)超滲產(chǎn)流的部分直接視為蓄滿產(chǎn)流計(jì)算，故汛期時(shí)模擬值偏小，為了減小水量平衡誤差，非汛期時(shí)模擬值偏大。新安江模型能較好地模擬濕潤地區(qū)的水文過程，但針對對包含短歷時(shí)強(qiáng)降水的情況仍需改進(jìn)。

表3 曲江流域4個(gè)水文站不同時(shí)期的模擬結(jié)果

圖2 4個(gè)水文站實(shí)測與模擬日流量過程

圖3 曲江4個(gè)水文站實(shí)測與模擬的年徑流量比較

圖4 曲江4個(gè)水文站實(shí)測與模擬月平均徑流量

4 結(jié) 論

(1)新安江模型在曲江流域模擬效果總體良好，能夠較好地反映出我國南方山區(qū)徑流的特點(diǎn)，且對于豐水年模擬效果優(yōu)于平水年和枯水年，但對汛期洪峰過程的模擬不夠精確。

(2)基于單一的蓄滿產(chǎn)流理論新安江模型存在著不足，其僅采用IM一個(gè)參數(shù)來概化流域內(nèi)不透水面的超滲產(chǎn)流部分，如何考慮強(qiáng)降水時(shí)超滲產(chǎn)流的部分仍是新安江模型未來發(fā)展的重要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 芮孝芳, 凌 哲, 劉寧寧,等. 新安江模型的起源及對其進(jìn)一步發(fā)展的建議[J]. 水利水電科技進(jìn)展, 2012, 32(4):1-5.

[2] KHAN M H. Xinanjiang Model on Bird Creek catchment in USA.[J]. Pakistan Journal of Agricultural Research, 1993, 14(4):373-382.

[3] ZHU Dehua, PENG Dingzhi. Notice of RetractionComparison of the hydrological models in the Upper Medway Catchment, UK[C]// Sixth International Conference on Natural Computation. IEEE, 2010:3874-3877.

[4] 劉玉龍, 阮本清, 張春玲,等. 從生態(tài)補(bǔ)償?shù)搅饔蛏鷳B(tài)共建共享——兼以新安江流域?yàn)槔臋C(jī)制探討[J]. 中國水利, 2006(10):4-8.

[5] HAPUARACHCHI H A P, LI Zhijia, WANG Shouhui. Application of SCE-UA method for calibrating the Xinanjiang watershed model[J]. 湖泊科學(xué)(英文版), 2001, 13(4):304-314.

[6] 劉金濤, 宋慧卿, 張行南,等. 新安江模型理論研究的進(jìn)展與探討[J]. 水文, 2014, 34(1):1-6.

[7] 張 波, 馬得蓮, 包為民,等. 新安江模型在富水水庫流域洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué), 2010, 28(4):49-51+21.

[8] 胡宇豐, 安 波, 陸玉忠,等. 新安江模型在嫩江流域洪水預(yù)報(bào)中應(yīng)用[J]. 東北水利水電, 2011, 29(8):41-45+72.

[9] 肖興濤, 張鵬遠(yuǎn), 張淑霞. 新安江模型在湯旺河流域洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]. 黑龍江水利科技, 2012，40(1):41-43.

[10] 張漫莉. 改進(jìn)的HBV模型與新安江模型在武江流域洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用比較[J]. 人民珠江, 2014, 35(1):34-37.

[11] 周廣剛, 溫立成, 侯國柱. 三水源新安江模型在灑河流域的適用性研究[J]. 水利水電工程設(shè)計(jì), 1999(3):45-47.

[12] 朱求安, 張萬昌. 新安江模型在漢江江口流域的應(yīng)用及適應(yīng)性分析[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào), 2004, 15(3):19-23.

[13] 唐俊龍, 郝振純. 新安江模型在浙江白水坑水庫的適用性研究[J]. 水電能源科學(xué), 2017，35(3):20-23.

[14] 徐 莎, 楊小柳. GR3模型和新安江模型在我國的對比研究[J]. 水文, 2015, 35(1):7-13.

[15] 谷桂華. 玉溪市暴雨洪水特性分析[C]// 中國水利學(xué)會(huì)2003學(xué)術(shù)年會(huì)，深圳：2003.

[16] 孫惠玲, 李天艷, 周曉娟,等. 近54年來玉溪市氣候變化特征分析[J]. 云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 36(5):67-73.

[17] 張利茹, 管儀慶, 葉 彬,等. 新安江模型參數(shù)敏感性分析的實(shí)證研究[J]. 水電能源科學(xué), 2008, 26(5):16-17+30.

[18] 舒 暢, 劉蘇峽, 莫興國,等. 新安江模型參數(shù)的不確定性分析[J]. 地理研究, 2008, 27(2):343-352.

[19] 楊自坤, 孔 燕. 新安江三水源模型在橫江洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]. 水資源研究, 2010，31(1):36-38.