EasyDHM模型在諾敏河流域的應用

孫艷兵，蔡 侃

（1.水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021；2.松遼水利水電開發有限責任公司，吉林 長春 130021）

近年來，洪澇災害、干旱缺水、水生態環境惡化，依然是制約社會經濟發展的重要因素。水資源的問題仍然是各項工作中的重點。水文模型作為一種研究水資源問題的重要手段已被廣泛應用，在全國的各大流域均有涉及，對水資源的合理調配和利用發揮著重要作用。

分布式流域水文模型根據流域各處氣候信息和下墊面特性，將流域離散為若干個小單元，在每一個小單元上采用一組參數來反映其流域特征，便于從物理機理上考慮降雨和下墊面條件時空分布不均勻對流域的降雨徑流所產生的影響。EasyDHM(Easy Distributed Hydrological Model)模型是雷曉輝等開發的一個分布式水文模型，它集成了多項新技術，例如基于DEM的快速建模技術、支持不同時空尺度的模擬技、自動識別參數的技術，功能強大而操作簡便，能夠服務于實際水管理業務。

1 EasyDHM模型原理

EasyDHM模型可以支持多種空間結構，其水循環過程模擬的核心模型是采用模塊化和組件式的開發思想，模型的產流、匯流、蒸發、地下水等模塊都支持多種算法，這樣就增強了水循環過程模擬的靈活性與擴展性。另外，該模型能夠對參數進行自動識別，包括參數的敏感性分析和參數優化模塊。模型提出了“計算分區”和“參數分區”的概念來解決分布式水文模型在大流域應用時計算效率低、模型參數率定困難的問題，從而提高了模型參數識別的自動化程度和模型率定的效率。

1.1 模型構建流程

EasyDHM模型的主要構建流程包括5個方面：資料的收集與整理；子流域的劃分與子流域的加密處理；流域信息參數的提取；氣象數據的空間分布；模型的計算與參數的率定。EasyDHM模型構建需要的數據包括：數字DEM高程圖，分期土地利用和土壤類型，以及水文氣象數據。

流域劃分主要基于DEM的水文分析，包括流向計算，累積數計算，河網提取，子流域劃分等步驟。在數字河網提取之后，進行流域特征參數的提取，包括河網編碼，子流域加密，等高帶劃分、參數分區的劃分和子流域屬性的統計。子流域的劃分則是采用自主開發的子流域劃分算法PGSDM（Pfafstetter coding system based General Sub-basin Delineation Method）來完成的，該算法可以高效、準確地實現對各種復雜流域的子流域劃分工作。

氣象數據的空間分布綜合采用相關距離反比法和泰森多邊形法，將站點的降雨、氣溫、風速、濕度等氣象信息分布到子流域的形心上去，并分別進行必要的在時間上和空間上的統計工作。

模型參數的敏感性分析和參數率定則是采用LH-OAT參數抽樣方法，對模型的參數進行敏感性分析，得出模型參數的敏感度等級，以便對模型的特性作分析。然后再利用SCE-UA參數自動率定方法，對敏感參數進行參數自動率定。

1.2 模型產匯流計算

EasyDHM模型的產流計算則是在WetSpa模型的基礎進行改進的，簡化了原來WetSpa模型的產流參數推求方法。EasyDHM模型在垂向上劃分了4層：植被冠層、地表層、土壤層和地下水含水層。降雨先進入植被冠層，發生冠層截留，穿過冠層的水分會進入地表層，超滲的水量發生地表填洼，其他水分入滲進入土壤，土壤水滲漏則進入地下水含水層。其中地表填洼形成地表徑流，土壤水側向流出形成壤中流，地下水回歸形成地下徑流，它們之和即為總徑流。植被冠層、地表填洼、土壤水和地下水都會形成蒸發。

匯流的計算則是根據DEM并利用GIS工具，生成數字河道網，根據流域地圖對主要河流進行修正。搜集河道縱橫斷面及河道控制工程數據，根據具體情況按動力波（Dynamic Wave）模型,運動波（Kinematic Wave）模型或者擴散波（Diffusive Wave）進行一維數值計算。

地下水是指儲存在地下飽和區的水量，其中包括部分流入和流出地下水庫的水量。地下水儲水量是指飽和地下水容量，在自然條件下能夠被開發利用，可更新代替的水量。為預測徑流量，需要模擬每個時段徑流從地下水到地表徑流的過程。由于對河床狀況了解較少，在小流域的地下水模擬可使用線性水庫的概念，在模型庫容指數為2時，使用非線性水庫的方法。地下水公式如下：

式中：QGs（t）為子流域出口平均地下水出流，m3/s；SGs為t時刻子流域地下水儲水量，mm；m為指數，m=1為線性水庫，m=2為非線性水庫；cg為考慮子流域面積后的地下水回歸系數，線性水庫的單位為m2/s，非線性水庫的單位為m-1s-1；對每一個子流域，其地下水水量平衡表達式如下：

式中：SGs（t）和 SGs（t-1）分別為 t時刻和 t-1 時刻的子流域地下水儲水量，mm；Ns為子流域網格數；Ai為網格面積，m2；As 為子流域面積，m2；EGs（t）為子流域地下水儲水量的平均蒸發量，mm；QGs（t）為地下水出流量，m3/s。

模型中，潛在蒸發和地下水儲水量的深層蒸散發量的線性方程如下：

式中：EGi（t）為地下水儲水量的平均蒸散發量，mm；EP為潛在蒸散發量，mm；cd是一個變量，由公式SGi（t）/SGs,0計算得到，EGi（t）為t時刻子流域的地下水儲水量，mm；SGs,0為子流域地下水儲水量的最大值，mm；在地下水庫方法中，只有地下水回歸系數和庫容量兩個地下水參數，可以通過實際過程線率定得到。

2 實例應用

2.1 流域概況

諾敏河是嫩江干流下游上段右岸最大支流，發源于大興安嶺東側特勒庫勒山，由西北向東南流至沙德爾火山后急轉向南，該流域以古城子水文站為控制斷面，在古城子水文站下游水流分為兩股匯入嫩江，河流全長466 km，集水面積25966 km2。

2.2 基礎數據的準備處理

基本原理是根據水流累計柵格圖層，給定一個適當的最小水道集水面積閾值，凡是集水面積超過這個閾值的柵格均標定為河網內的單元，最后將這些單元連接起來形成流域的河網水系。該研究通過比較，確定最小水道集水面積閾值為50 km2，生成河網水系柵格圖層，其轉化成矢量圖層。

首先確定子流域的出口位置。在河網水系提取之后，對河網柵格圖層進行河道分段（Steam Segmentation），從而劃定柵格集水區（Catchment Grid delineation），進一步得到匯流點（DrainagePoint），匯流線（DrainageLine）。EasyDHM正是以兩個河道的交匯點作為子流域出口，從流域總出口沿河道向上游搜索每一河道的上游給水區，分別對搜索到的上游給水區邊界，進行勾畫就得到了各個子流域的邊界。子流域劃分過程結束后，所生成的子流域個數和河道數一致且一一對應。在EasyDHM中有上游流域分析功能，能自動找出水文站以上流域的集水面積，以及劃分子流域和等高帶。

表1 古城子參數率定成果表

率定準則包括：

1）率定期洪水水量誤差最小。

2）率定期洪峰流量誤差最小。

3）率定期洪峰出現時間誤差最小。

4）Nash-Sutcliffe效率系數盡可能高。

此次參數率定期為1990—2008年，驗證期為1984—1989年，水文站所在參數分區的率定效果見表1。

3 結論

通過對諾敏河流域進行分布式流域水文模型的構建，實現了該流域的分布式洪水預報方案。總體來看，基于分布式水文模型的洪水預報方案，整體達到了乙級以上預報水平，局部可以達到甲級預報水平。EasyDHM模型結構清晰，參數具有物理意義，適用范圍廣，實用性較強，并得到了精度較高的模擬結果，為分布式水文模型在實際的水資源調配、管理以及洪水預報都奠定了基礎。