MIKE11 NAM模塊在入庫徑流模擬中的應用

高良敏，杜惠敏

（1.浙江中水工程技術有限公司,浙江 杭州 310000；2.杭州世達科技有限公司,浙江 杭州 310000）

1 問題提出

入庫徑流作為水庫興利調節的基礎資料，其精度直接影響著水庫建設規模、工程投資和經濟效益。中小流域往往缺乏實測徑流資料，一般通過降雨推求徑流。常用水文模型包括新安江模型、SWAT水文分布模型等[1～2]，上述模型在使用過程中需對大量的參數進行率定，給徑流模擬帶來較大難度，模型適用程度不高。MIKE11 NAM模塊徑流模擬所需水文參數較少、參數率定簡便、計算快捷、精度可靠，已成為中、小流域推算入庫徑流的重要工具。本文以西坑水文站作為參證站，通過MIKE11 NAM模塊自動率定參數，移用至楊樓溪設計流域，模擬楊樓溪入庫徑流過程，為楊樓溪水庫設計提供徑流數據。

2 研究流域概況

2.1 設計流域

楊樓溪為松源溪上游一級支流，發源于慶元縣境內的鳳崗尖，海拔1577 m，全流域面積121.96 km2。設計壩址海拔490m，壩址以上流域面積81.85 km2，河長23.1 km，河道坡降23.0‰。流域內植被覆蓋良好，村落稀少，受人類影響活動較小，下墊面自然屬性穩定，一致性條件較好。楊樓溪壩址上游約6.5 km建有仙坑小型引水式電站1 座，總庫容152.15 萬m3，調節庫容82.2 萬m3，庫容系數1.4%，屬于日調節水庫，調節性能較差，可忽略其對天然徑流的調節影響。

楊樓溪流域內無水文站和雨量站，相鄰流域有舉水、慶元、賢良雨量站，具有1957 年～2015 年長期同步可靠的雨量觀測資料，可作為設計流域雨量計算依據，其泰森多邊形雨量權重系數依次為0.902、0.074、0.024。楊樓溪附近流域的沈村水文站（1961 年～1982 年）、湖坪頭水文站（1981 年 ～1983 年）、竹口水文站（1984 年 ～2015 年），其蒸發資料可作為設計流域蒸發代表值。水文測站基本情況見表1。

2.2 參證流域

西坑水文站位于飛云江支流梧溪流域，距設計流域壩址75 km，流域面積58.1 km2，屬小河站，設于1979 年，觀測項目有降水、水位、流量，具有1981 年～1996 年連續觀測資料。西坑流域與楊樓溪流域的分水嶺高度均在海拔1000 m左右，受人類活動影響均較小，植被、土壤等下墊面條件與設計流域相似，降雨、蒸發、產流規律基本相符，水文氣象因素成因一致，可選擇西坑水文站所在流域作為參證流域。

表1 水文測站基本情況表

3 模型構建

3.1 MIKE11 NAM模塊簡介

MIKE11 NAM模塊為集中式、概念模型，可模擬坡面流、壤中流和基流及土壤含水率變化。NAM模型通過連續計算四個不同且相互影響的儲水層的含水量來模擬產匯流過程。四個儲水層代表了流域內不同的物理單元，從上而下依次為：積雪儲水層、地表儲水層、根區儲水層、地下水儲水層。另外，NAM模塊還允許模擬人工干預措施，如灌溉和抽取地下水。

NAM模塊結構見圖1[3]，NAM模型主要參數及一般取值范圍，見表2。

圖1 NAM模塊結構圖

表2 NAM模型主要參數及一般取值范圍

3.2 參數率定

采用西坑水文站1981 年～1996 年降水、流量資料和沈村徑流實驗站蒸發資料，結合MIKE11的NAM模塊建立逐日降雨徑流模型，以平均模擬徑流量與實測徑流量擬合較好（總水量平衡和過程線吻合）為目標，率定模型相關參數。

西坑水文站實測多年平均降雨1822 mm，徑流深1222.8 mm，徑流系數0.660。模型模擬多年平均徑流深1172.0 mm，徑流系數0.644，模擬年徑流與實測年徑流系列相關系數R2=0.96 ，多年平均年徑流相對誤差-2.0%。模擬與實測年徑流值，見表3。

表3 模擬與實測徑流值對比表

參數率定結果表明，模擬徑流與實測徑流相關程度較高，相對誤差較小，模型參數率定合理，可移用至設計流域進行徑流計算，率定參數成果見表4。模擬與實測累計流量對比情況，見圖2；過程流量對比情況，見圖3。

表4 西坑水文站模型參數優選結果

圖2 1981年～1996年模擬與實測累計流量對比圖

3.3 徑流模擬

移用西坑站降雨徑流模型參數，輸入設計流域逐日降水量計算值、蒸發量值，經MIKE11 NAM模塊計算得到設計流域壩址位置1961 年～ 2015 年（55 年）逐日徑流成果。設計流域多年平均降雨量2068 mm，多年平均徑流深1319 mm，徑流系數0.638；多年平均流量3.39m3/s，豐水期（3 月～9 月）平均流量4.90 m3/s，枯水期（10月～2月）平均流量1.01 m3/s。

圖3 1981年～1996年模擬與實測流量過程圖

1961 年～2015 年均入庫流量見表5，月均入庫流量見表6。

表5 1961年～2015年均入庫流量

表6 1961年～2015年均入庫流量

4 成果分析

4.1 合理性分析

將模擬徑流成果與《浙江省多年平均徑流深等值線圖（1956-2000）》比對，模擬多年平均徑流深1319 mm與圖集值1330 mm相對誤差小于0.1%；將模擬徑流成果與《浙江省慶元縣蘭溪橋水庫擴建工程可行性研究報告》徑流值進行比較，兩者相對誤差小于4%；將模擬徑流成果與鄰近流域工程設計徑流成果對比（見表8），也基本協調，說明模擬徑流成果合理。

表8 徑流成果比較表

4.2 代表性分析

根據模擬徑流成果繪制1961年～2015年入庫流量變化圖、年平均流量模比系數差積曲線，見圖5、圖6。

由圖5可知，模擬1961年～2015年入庫年徑流在均值3.39 m3/s上下呈周期性波動，說明模擬徑流系列已包含多個豐、平、枯水年。從圖6可知，模擬徑流系列已包含多個枯水年組（如1976年～1981年、1984年～1987年等）、豐水年組（如1968年～1970年、1988年～1990年等）、平水年（如1964年、1972年、2002年、2013年等）。

上述分析表明，模擬水庫徑流系列包含了完整的豐、平、枯水過程，其徑流系列代表性較好。

圖5 逐年平均流量圖

圖6 年徑流差積曲線圖

5 結語

（1）采用參證流域西坑水文站率定MIKE11 NAM模型參數，移用至楊樓溪設計流域，模擬入庫徑流過程。結果表明，徑流模擬成果合理、精度可靠，可作為水庫水利調節計算的依據。

（2）MIKE11 NAM模塊在應用過程中，應考慮參證流域和設計流域水文氣象因素的一致性，保證其降雨、蒸發、產流規律相符，才可將參證流域模型參數移用至設計流域。

（3）在入庫徑流模擬中，一般選擇總水量平衡、過程線形狀吻合雙重目標進行參數率定是比較合理的。