新安江NAM和TOPMODEL模型在安陽河流域比較應用研究

□王 偉 □曹瑞仙 □崔花瑞 □郭春梅（河南省安陽水文水資源勘測局 河南省開封市城區水利局）

1 概述

流域水文模型可以分為集總式、黑箱式和分布式3種。其中，在我國濕潤地區、半濕潤地區新安江模型已經得到了廣泛應用，模擬結果較為理想。但在半干旱的海河流域，降水的空間分布差異顯著，降雨主要集中在較小區域內，并且雨量站網的密度低，難以控制區域平均雨量，尤其是在汛期，流域不同區域的下墊面狀況、植被條件、濕度、溫度等影響因素的空間差異大，導致流域內降雨產流機制十分復雜。

因此，在水文模型研究中，半干旱流域的水文過程模擬是個難點也是個熱點。此外，海河流域作為我國政治文化中心，流域內人口密度大，水循環過程受到強烈的人為干擾，導致流域的水文水資源特征改變。因此，為了探討海河流域河流的產流機制，將不同水文模型應用于海河流域河流進行適應性研究，尋找適合海河流域河流的模型，從而可以提高模擬效果和預報精度。

2 模型簡介

2.1 新安江模型

在1973年由河海大學趙人俊教授等提出了新安江模型，作為我國第一個流域降雨徑流模型，屬于分散式概念模型。通過近幾十年來的應用和修正，該模型逐漸完善，目前已經廣泛應用于我國濕潤地區和半濕潤地區。該模型的基本原理為：根據流域下墊面、水文、地理等的特征，把流域劃分為若干單元，模擬每個單元流量過程，然后將各個單元到出口處的流量疊加起來作為整個流域的預報流量。

2.2 NAM模型

NAM模型，屬于集總式水文模型，主要模擬自然流域內的降雨徑流過程，是由水文循環過程中許多陸相特征連接起來。該模型需要的基礎資料有：降水、蒸發能力和氣溫（考慮融雪徑流時需要）。模型輸出參數有：徑流量、地下水位、土壤含水量和地下水補給量。該模型以水文循環中物理參數為基礎，并結合了許多半經驗、經驗公式。該模型作為集總式模型，因此其變量和各個參數均為流域的平均值，模型參數、變量的初始值依據流域內的自然特征確定，率定過程中利用歷史水文資料。

2.3 TOPMODEL模型

在1979年，Beven等提出了TOPMODEL（Topgraphybased hydrological Model）模型，該模型屬于半分布式流域水文模型，以地形特征為基礎。該模型以地形空間差異為主要依據，根據DEM數據，計算出地形指數ln(a/tanβ)，用地形指數來表征產流區的水流特征，反映了地形差異對產流區域水流形成的影響。該模型根據土壤中含水量計算產流區域面積以及位置。土壤缺水量（D）定義為土壤飽和含水量與土壤實際含水量間的差值。在飽和面積上產生飽和地表徑流，該模型缺水量的計算主要是根據達西定律以及連續方程。

3 流域概況

安陽河（洹河），位于安陽市境內，是衛河的一大支流，發源于太行山東麓林州市西北的清泉寺，該河流經太行、橫水、南海、彰武、安陽到內黃縣范陽口匯入衛河，河流全長162km2，流域面積為1920km2，平原面積所占比例為35%，山區面積為47%。流域形狀為上寬下窄，類似葫蘆形長條帶，地形起伏大，平原、丘陵、盆地、淺山區、深山區皆有之。流域內東部為沖積平原，西部山地為變質巖與石灰巖系為主。主要支流有粉紅江、金線河、天喜河、小河、趙家溝、珠泉河與橫花溝，在京廣鐵路以西匯入。

安陽河上游比降大，進入平原后由于過渡帶短，河道比降明顯變緩。河道的行洪能力上游大下游小，市區以上河道流速約為4000～2400m3/s，到入衛口處流速約為600～300m3/s。在洪水期間，由于衛河水位高，下游洪水因受衛河洪水影響，導致不能夠及時排出，在市區以下5km處左岸崔家橋一帶形成了自然滯洪區。

4 數字流域的建立與資料處理

4.1 填充洼地與分析水流方向

洼地即為高程低于周邊的地區，洼地作為開展流域水文特征分析的主要障礙，確定水流方向以前，必須將洼地填充。本研究運用ARC/INFO GRID模塊，通過填充法填充洼地，生成無凹陷的DEM，然后模擬分析該區域的流水方向。水流方向為水流離開網格時的方向，決定了各單元流量分配和地表徑流方向。ARC/INFOGRID模塊根據最陡坡度原則，采用了D8算法，確定單元格流向。

4.2 劃分集水區和分析河流網絡

規則格網的DEM模型每處有1個單位水量，根據水從高處向低處流的規律，得到了流域水流累計的數字矩陣。根據該矩陣劃分流域內分水嶺的空間分布，確定集水區邊界。在分析柵格的匯流能力基礎上，劃分河流網絡系統。

4.3 劃分子流域

根據子流域特征將研究區進行離散，劃分為下墊面特征均勻的子流域，再將這些子流域與干流河道相連。子流域作為計算單元，最大的優點是得到十分清晰的單元內與單元間的水文過程，與傳統水文模型可以結合。

4.4 雨量和流量數據處理

雨量數據依據雨量站的位置，采用趨勢面插值方法，對降雨量進行空間插值，流量資料則通過時間插值方法轉化為一小時流量。

4.5 劃分洪水峰形

在安陽河流域，降雨形成兩種峰形洪水。其中一種為峰高量小，洪水歷時不超過20 h；另外一種為洪水峰低量大，洪水歷時長達半個月。在水文模型計算中，把雨量量級作為劃分條件，模型模擬過程中將自動根據雨量值來進行不同峰形轉化。

5 安陽河流域新安江、NAM、TOPMODEL模型參數調試

在率定期內，新安江模型模擬的日徑流過程其確定性系數＞0.90，有1年的等級屬于甲等；確定性系數范圍為0.70≤確定性系數≤0.90，有4年等級屬于乙等。在驗證期內，確定性系數在0.70≤確定性系數≤0.90的范圍內，等級屬于乙等。在率定期內，徑流深相對誤差5年都合格，合格率為100%；在驗證期內有1年不合格，合格率為66.7%。

在率定期內，NAM模型模擬的日徑流過程確定性系數＞0.90，有2年的等級屬于甲等;確定性系數范圍為0.70≤確定性系數≤0.90，等級均屬于乙等。在驗證期內，確定性系數都在0.70≤確定性系數≤0.90范圍內，等級都屬于乙等。在率定期內，徑流深相對誤差都合格，合格率為100%；在驗證期內3年都合格，合格率為100%。

在率定期內，TOPMODEL模型模擬的日徑流過程確定性系數＞0.90，有1年的等級屬于甲等；確定性系數0.70≤確定性系數≤0.90，等級都屬于乙等。在驗證期內，確定性系數都在0.70≤確定性系數≤0.90的范圍內，都屬于乙等。在率定期內，徑流深相對誤差都合格，合格率為100%；驗證期內3年都合格，合格率為100%。三個模型在1990-1994年模擬結果與實測結果比較如表1：

表1 新安江、NAM和TOPMODEL模型模擬的安陽站日徑流過程的精度比較表

6 模型模擬結果及驗證精度

6.1 新安江模型次洪模擬

由新安江模型次洪模擬結果可以看出，在3場率定洪水中，確定性系數均＞0.90，有1場等級屬于甲等，確定性系數在0.70≤確定性系數≤0.90范圍內，有1場屬于乙等，確定性系數＜0.70，有1場屬于丙等；有1場徑流深相對誤差不合格，合格率為66.70%；有1場洪峰流量相對誤差不合格，合格率為66.70%；峰現時差都不合格。在2場驗證洪水中，確定性系數＞0.90，有1場等級屬于甲等，確定性系數在0.70≤確定性系數≤0.90范圍內，有1場屬于乙等；有1場徑流深相對誤差不合格，合格率僅為50%；有1場洪峰流量相對誤差不合格，合格率也為50%；峰現時差均不合格。

6.2 NAM模型次洪模擬

由NAM模型次洪模擬結果可以看出，在3場率定洪水中，確定性系數＞0.90，有1場等級屬于甲等，確定性系數在0.70≤確定性系數≤0.90的范圍內，有2場屬于乙等；徑流深相對誤差全部合格，合格率為100%；有1場洪峰流量相對誤差不合格，合格率為66.70%；有2場峰現時差不合格，合格率僅為33.30%。在2場驗證洪水中，確定性系數＞0.90，有1場等級屬于甲等，確定性系數在0.7≤確定性系數≤0.90范圍內，有1場屬于乙等；徑流深相對誤差全部合格，合格率為100%；有1場峰現時差合格，合格率僅為50%。

6.3 TOPMODEL次洪模擬

由TOPMODEL模型次洪模擬結果可以看出，在3場率定洪水中，確定性系數＞0.90，有1場等級屬于甲等，確定性系數在0.70≤確定性系數≤0.90的范圍內，有1場屬于乙等,確定性系數＜0.70，有1場屬于丙等；有2場徑流深相對誤差合格，合格率為66.70%；有1場洪峰流量相對誤差不合格，合格率為66.70%；有1場峰現時差合格，合格率為33.30%。在2場驗證洪水中，確定性系數＞0.90，有1場等級屬于甲等，確定性系數在0.70≤確定性系數≤0.90的范圍內，有1場屬于乙等；徑流深相對誤差全部合格，合格率為100%；有1場洪峰流量相對誤差不合格，合格率為50%；峰現時差均不合格。

此外，在3種水文模型模擬過程中發現，子流域相對面積較大的區域，模擬精度較高。這可能是由于在面積相對較大的子流域內，具有較長的匯流時間，需要考慮匯流滯時。

7 結論

7.1 日徑流模擬結果

在安陽河流域，NAM模型與新安江模型和TOPMODEL模型相比，率定期其確定性系數較其它模型相對較高，驗證期其率定系數也相對較高，且徑流深相對誤差較小（率定期除了1994年模擬效果較差）。

7.2 次洪模擬結果

在安陽河流域，NAM模型與新安江模型、TOPMODEL模型相比，確定性系數2場洪水有所提高；徑流深相對誤差2場洪水都較小；洪峰相對誤差2場洪水較小，峰現時差有了明顯的提高。