多種水文模型在潘家口水庫流域中的應用比較研究

王哲，李濤濤，馬金一，高靜，燕文明

（1.海河水利委員會水文局，天津300170；2.天津市水利勘測設計院，天津300204；3.河海大學水文水資源學院，江蘇南京210098；4.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210098）

多種水文模型在潘家口水庫流域中的應用比較研究

王哲1，李濤濤2，馬金一1，高靜3，燕文明4

（1.海河水利委員會水文局，天津300170；2.天津市水利勘測設計院，天津300204；3.河海大學水文水資源學院，江蘇南京210098；4.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210098）

由于傳統(tǒng)水文預報模型的局限性，分別采用新安江模型、TOPMODEL模型及降雨徑流相關圖，對位于半濕潤半干旱地區(qū)的潘家口水庫流域進行洪水模擬計算并進行適用性分析。結果表明，采用蓄滿產流機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，在潘家口水庫洪水預報中預報精度較高，為海河流域洪水預報方案的建立提供了新的思路和模式，具有一定的理論基礎和借鑒意義。

新安江模型；TOPMODEL模型；降雨徑流相關圖；潘家口水庫；洪水模擬

1 引言

近年來，為了模擬降雨徑流關系，人們開發(fā)了很多降雨徑流模型[1]。濕潤地區(qū)的降雨徑流模型發(fā)展較為先進，產生了很多成熟的概念性模型以及半分布式的水文模型[2]。海河流域屬于半濕潤半干旱地區(qū)，由于氣候變化異常，流域下墊面變化較大，降雨較少導致水文資料缺乏，因此海河流域的洪水預報工作比較艱難。到目前為止，還沒有比較完善的高精度的適合海河流域的洪水預報模型，因此難以為流域的抗旱、調水及水利工程優(yōu)化調度等工作提供良好的技術服務。筆者以潘家口水庫流域為例，采用新安江模型、TOPMODEL模型及降雨徑流相關圖建立洪水預報方案，進行洪水模擬計算和結果比較，分析各個模型在半干旱半濕潤地區(qū)的適用性，為同類地區(qū)洪水預報方案的建立提供了新的思路和模式，具有一定的理論基礎和借鑒意義。

2 流域概況

潘家口水庫位于河北省遷西縣境內灤河干流上，控制流域面積33 700 km2，總庫容29.3億m3。潘家口水庫是以向天津、唐山兩市工農業(yè)供水為主，結合供水發(fā)電、兼顧防洪的大型水利樞紐中的骨干工程，按1 000年一遇洪水設計、5 000年一遇洪水校核。受副熱帶季風影響，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)域為：灤河上游干流郭家屯站以下，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)域內共有30多個雨量站，但分布極不均勻。水文資料采用22場洪水的降雨和流量資料。

3 水文預報模型構建

筆者選取了新安江模型、TOPMODEL模型以及降雨徑流相關圖共3個水文模型，對研究區(qū)域進行洪水模擬計算，根據預報結果對3個模型進行對比分析研究。

3.1 新安江模型

新安江模型為概念性分布式水文模型。根據流域的下墊面分布情況，將流域劃分為N個單元流域，分別預報每個單元流域的流量過程并演算到流域出口斷面進行疊加，從而得到全流域的預報流量過程[3]。整個流域分為5個子流域，分別是寬城站以上的瀑河流域、李營站以上的柳河流域、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區(qū)的區(qū)間流域。

模型采用人工優(yōu)化與自動優(yōu)化相結合的方法按子流域自然劃分成5塊獨立率定。其具體做法是將5個子流域控制站的實測流量作為輸入項，對區(qū)間面積進行率定，最后進行5塊聯(lián)調。模擬參數(shù)結果，見表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單、參數(shù)較少。該模型首先用流域的DEM數(shù)據來推求地形指數(shù)ln（α/tanβ），地形指數(shù)一致的單元流域產流與匯流機制相同，屬于同一個水文分區(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合了分布式水文模型的物理基礎與集中式水文模型計算和參數(shù)方面的優(yōu)點，因此該模型被廣泛應用并在應用中不斷改進和完善。

根據精度為25×25 km2的流域DEM圖，采用Arcview軟件對DEM進行預處理，判定流向，將流域劃分為5個子流域，分別計算各個子流域的產流，然后采用基于子流域的等流時線匯合法進行匯流計算，求出各個子流域出口處的流量過程，最后采用馬斯京根法進行河網匯流演算。模擬參數(shù)結果，見表2。

表2TOPMODEL模型參數(shù)

3.3 降雨徑流相關圖

在現(xiàn)代水文預報中，雖然大量使用流域水文模型如新安江模型、薩克門托模型、水箱模型和陜北模型等進行流域降雨徑流預報，但是不少生產單位尤其是一些大型水庫的管理單位在長期的工作實踐中已建立了一套適合于當?shù)貙嶋H情況的經驗性降雨徑流預報方案。利用相關分析的方法，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圖，這些相關圖反映了流域的產流規(guī)律。通過此相關圖，可以由降雨計算相應的產流量。此類圖一般沒有固定的數(shù)學模型，被稱為經驗的降雨徑流相關圖。

采用洪水資料計算流域的P，Pa及R，并點繪降雨徑流相關圖。單位線推求時各時段徑流深之和應與由實測資料計算的徑流量相等，如果不相等，應經過適當?shù)恼{整使兩者相等。潘家口降雨徑流相關圖，如圖1所示。

3.4 模型應用結果比較

根據表3對比分析誤差，可以看出各模型率定期和檢驗期的相對誤差差距很大，這主要是由于流量資料的代表性較差。目前水庫的入庫流量主要是通過水庫的觀測水位和總出庫流量反推求得，常常呈鋸齒形波動過程。另外，潘家口以上的承德地區(qū)建有大量橡膠壩，汛期發(fā)生強降雨時存在人造洪峰現(xiàn)象，因此造成了率定期和檢驗期的誤差放大現(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圖模型，在檢驗期TOPMODEL模型比另外2個模型的精度要高。從3個模擬指標來看，3個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%，根據水文情報預報規(guī)范，模型預報的精度達到乙級標準，就可以用于洪水預報[4]。這主要是因為TOPMODEL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算方面具有應用優(yōu)勢。

圖1 潘家口水庫降雨徑流相關圖

表3 各個模型的模擬成果特征值對比（X—新安江模型，T—TOPMODEL，P—降雨徑流相關圖）

表4 合格率統(tǒng)計

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。模型率定過程中，首先通過“日模型”的調試，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、產流面積等。其余參數(shù)可通過“次洪模型”進行率定，如自由水蓄量、地面徑流消退系數(shù)、流域滯時等與水源劃分及匯流相關的參數(shù)。從模型參數(shù)率定的過程來看，新安江模型的徑流模擬精度最高，可以用于潘家口水庫洪量的預報。

由于新安江模型和TOPMODEL模型的產流機制均屬于蓄滿產流，因此表明蓄滿產流機制在類似于海河流域的半干旱地區(qū)的洪水預報中具有一定的適應性。但海河流域的洪水多形成于夏季的雷暴天氣，雨強遠大于下滲能力，一般在1 h之內便可達到穩(wěn)定下滲。因此，利用降雨徑流相關圖進行模擬時，采用時段長為3 h的歷史資料便可取得60%以上的預測精度。但是，現(xiàn)在國內多數(shù)水文站在采用1 h時段雨量的情況下，降雨徑流相關圖模型不能完全反映流域的產匯流規(guī)律。

4 結語

（1）本文通過Arcview軟件對潘家口水庫流域進行了流域信息提取，并分別將新安江模型、TOP?MODEL模型以及降雨徑流相關圖應用于流域的洪水模擬計算，采用22場洪水對各個模型進行驗證。從模型率定與檢驗的結果來看，TOPMODEL模型指標的合格率均大于70%，可以作為洪水作業(yè)預報方案供選擇；新安江模型對于徑流量的預報精度較高，比較適合潘家口水庫的洪量預報。

（2）研究表明，采用蓄滿產流機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，在洪水預報過程中取得了較高的預報精度，為海河流域洪水預報方案的建立提供了新的思路和模式，具有一定的理論基礎和借鑒意義。

[1]張建云.中國水文預報技術發(fā)展的回顧與思考［J］.水科學進展，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用［J］.地理學報，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，水情預報規(guī)范[S].

TV124；P338

A

1004-7328（2016）06-0045-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.014

2016—09—14

國家自然科學基金青年項目（41301531）

王哲（1984—），男，碩士，工程師，主要從事水文水資源管理工作。