北洛河流域TOPMODEL模型基流分割定量評估

王萌萌 魏占民 張瑞強

摘 要：為探究水文模擬結果對總徑流、地表徑流和地下徑流（基流）的影響，首先采用Mann-Kendall檢驗方法識別出頭水文站水文序列突變點，然后構建北洛河流域TOPMODEL水文模型，最后采用數字濾波方法分別

對模擬水文過程和實測水文過程進行基流分割，并定量分析水文模型模擬結果對地表徑流和地下徑流的影響。結果表明：①北洛河流域徑流突變年份為1994年;②率定期和驗證期納什效率系數、可決系數和相對誤差絕對值分別為0.69與0.63、0.87與0.82以及18.5%與13.4%;③率定期基流指數大于驗證期且大于0.75，這意味著北洛河流域基流量對河川徑流的補給作用顯著;④模型在非汛期徑流的模擬精度優于汛期的，能夠為非汛期的基流分割提供依據;⑤不同時期基流量水文過程線起伏差異較大，但其形狀基本與徑流過程線保持一致。

關鍵詞：突變檢驗;TOPMODEL水文模型;基流分割;北洛河流域

中圖分類號：P333 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.004

Abstract： In order to explore the influence of hydrological simulation results to the runoff， surface runoff and underground runoff （basic flow）， the TOPMODEL model of Beiluo River basin was constructed based on the identification of the locations of change points by Mann-Kendall mutation test method in Zhuangtou Hydrological Station. The basic flow segmentation of simulated and measured values by digital filtering method could quantitatively analyze the influence of hydrological model to the surface runoff and underground runoff simulation. The results show that a） the runoff sudden change of Beiluo River basin appeared in 1994. b） Nash efficiency coefficient （NSE）， correlation coefficient （R2） and relative error （Re） are 0.69 and 0.63， 0.87 and 0.82， and 18.5% and 13.4% respectively in the calibration and validation periods. c） Basic flow index （BFI） in the calibration periods is greater than the validation period and is greater than 0.75， which means that the underground runoff in the Beiluo River basin has a significant effect on the recharge of river runoff. d） The simulation accuracy of the model in the non-flood period is better than that in the flood season， which can provide a basis for the non-flood period base flow segmentation. e） The fluctuation degree of basic flow process line varies greatly in different periods， but its shape is basically consistent with the runoff process line.

Key words： mutation test; TOPMODEL hydrological model; basic flow segmentation; Beiluo River basin

1 引 言

河川基流是指由地下水補給河川的水量，是枯水季節河川徑流的主要來源，在維持河川生態系統健康中具有重要作用[1]。同時，科學合理地分割流域徑流過程，對流域水資源規劃、水資源分析計算、水資源配置等具有重要的現實依據和理論基礎。此外，在干旱半干旱流域，基流對于維持水源的穩定性與持續性具有重要作用。近年來，國內外學者針對基流分割問題開展了大量研究，并獲得了良好成果[2-8]。李瑞等[2]以黃河上游藥水河流域為研究對象，采用兩種基流分割方法（滑動最小值方法和數字濾波方法）對典型年徑流序列進行了基流分割，結果表明滑動最小值方法較數字濾波方法的基流分割值偏小，但均大于全國平均值（0.26）;豆林等[3]采用3種基流分割算法（PART法、數字濾波法和滑動最小值法）對黃土高原區6個子流域的多年徑流進行了基流分割，結果表明3種分割方法獲取的基流分割值差異顯著，其中數字濾波法計算結果與流域實際徑流過程相一致;焦瑋等[4]以錫林河流域控制站——錫林浩特水文站1963—2012年實測徑流量為基礎數據，采用數字濾波法、HYSEP法、滑動最小值法以及加里寧法進行了基流分割，并評估其適應性，結果表明不同算法估算的年基流指數差異顯著，其中數字濾波算法和HYSEP法計算結果較好，最接近流域地下徑流和地表徑流過程，且濾波參數取0.85時分割的基流結果最好;黃文等[5]對數字濾波法、滑動最小值法和時間步長法三類共9種基流分割方法在黑河上游的適用性進行了分析，結果表明時間步長法中的局部最小值法最適合在黑河上游流域進行基流分割;高東東等[6]采用不同的基流分割方法，對貢嘎山黃崩溜溝流域的徑流過程進行了分割，并對比分析其結果的適應性，得出采用數字濾波法能夠得到穩定的基流分割結果，同時豐水期地表徑流量相對降水的滯后時間較枯水期短，而基流量相對降水的滯后時間在豐水期、平水期和枯水期差異不明顯;Tularam G. A.等[7]采用不同基流分割方法分割基流和地表徑流，并以最適合的基流分割方法（指數平滑方法）為例，采用連續損失、比例損失以及體積徑流系數3個指標作為基流分割結果評價指標，定量評估基流分割損失，結果表明體積徑流系數適用于不同子流域基流分割損失的評估，且體積徑流系數的誤差對連續損失和比例損失無影響;Zhang J.等[8]運用4種不同非示蹤劑基流分離方法，對澳大利亞東部的5個子流域進行了基流分割并對比分析其結果，得出不同模型參數的選取對數字濾波方法基流分割的結果具有顯著影響，其中運用自動基流分割方法估算的衰退系數優于特定參數取值，年徑流序列絕對偏差平均減小20%，與不同的參數化方案相比，不同非示蹤劑基流分離方法之間的差異較小。

流域水文模型是模擬和分析流域水文過程的重要工具，在特定流域構建分布式或概念式水文模型能夠較好地反映其水文變化特征[9-10]。楊軍軍等[9]構建了湟水流域SWAT模型并進行了參數不確定性分析，結果表明構建的SWAT模型對水文過程的模擬精度較高，參數的不確定性是導致模型率定結果精度不一的主要原因;宮興龍等[10]通過在半干旱區的洮兒河流域建立TOPMODEL模型，模擬了各水文要素的時空變化特征，結果表明由次洪模擬徑流相對誤差絕對值的平均值為 4.45%、洪峰流量相對誤差絕對值的平均值為 5.00%、確定性系數為 0.76，意味著該模型能夠在干旱區得到很好的應用。綜上可知，數字濾波分割法能夠較好地分割基流和地表徑流，且不同的水文模型在特定流域均能夠較好地反映流域的水文過程，但未從側面評估水文模型模擬結果對基流分割的影響。本文以干旱半干旱區的北洛河流域為研究對象，為真實反映流域的水文過程特征，以流域控制站——頭水文站1960—2010年徑流資料為基礎數據，采用Mann-Kendell突變檢驗方法和有序聚類方法識別出徑流序列的突變點，其次構建北洛河流域TOPMODEL水文模型，采用遺傳算法（GA）對模型參數進行率定并模擬流域近似的水文過程;為了評估模擬值與實測值的差異，采用數字濾波算法對模擬水文過程和實測水文過程進行基流分割，最后定量評估水文模型模擬結果對總徑流、地表徑流和基流的影響。

2 流域概況

北洛河發源于陜西省定邊縣白于山南麓的草梁山脈，自西北至東南流入渭河。流域面積約為2.69萬km2，流域屬于溫帶半干旱和大陸性季風氣候區，四季分明，春季干燥、夏季旱澇相間、秋季濕潤、冬季寒冷干燥。降水主要集中在汛期（6—9月），占全年降水量的76%左右，年平均降雨量為440.3 mm，降水空間分布差異顯著，自東南向西北遞減，年均氣溫為7.5 ℃。干流全長680 km。流域地理位置及空間分布見圖1。

4 結果與分析

4.1 徑流突變檢驗結果

Mann-Kendall方法因對所檢驗樣本不必服從特定的頻率分布且不受少量變異值的影響，故被廣泛用于降水、徑流、蒸發等水文氣象序列的突變檢驗[20]。本文為了劃定流域徑流的天然期（無人類活動影響）和變異期（人類活動影響），首先采用Mann-Kendall方法對頭水文站1960—2010年年徑流序列進行突變點檢驗，結果見圖2（a），可知徑流突變年份出現在1994年、1996年以及2004年，為了進一步確定突變點位置，使用有序聚類方法對徑流序列進行進一步檢驗，結果見圖2（b），可知徑流突變年份為1994年。由此可以認為，1994年后北洛河徑流受人類活動影響較大，年尺度徑流模擬過程受人類活動影響顯著，不利于水文模型構建。

4.2 TOPMODEL模型徑流模擬結果

4.2.1 子流域地形指數分布特征與模型參數的確定

圖3為北洛河流域不同子流域的地形指數—面積分布。由圖3可知，各子流域地形指數—面積分布特征差異較小，均呈現出“幾”字形，當地形指數值為7.88時，各子流域的面積占比分別為45.30%、42.40%、42.20%、44.90%、46.30%，意味著不同子流域土壤蓄水能力差異不明顯，受人類活動影響較小。

依據頭水文站徑流突變點檢測結果（1994 年為突變年），選取 1986—1988年為模型率定期，1989—1990年為模型驗證期。采用遺傳算法（GA）對模型參數進行率定，各子流域模型參數率定結果見表1（SRmax、SR0分別為根系帶最大蓄水量、根系帶初始含水量;Td為重力排水的時間滯時系數;Ry為河道匯流的有效速度;CHV為河網寬度函數的有效地表匯流速率）。

4.2.2 模型率定期和驗證期模擬結果

表2為北洛河流域模型率定期和驗證期適應性評價結果，由表2可知，率定期和驗證期納什效率系數（NSE）、可決系數（R2）和相對誤差絕對值（|Re|）分別為0.69與0.63、0.87與0.82、18.5%與13.4%，表明率定期和驗證期徑流模擬結果較好，能夠真實反映流域水文過程，可用于北洛河流域模擬結果對總徑流、地表徑流和基流影響的定量評估。

由圖4可知，率定期和驗證期模型模擬值與實測日徑流值擬合效果較好，從不同擬合效果可以看出，小流量時模型能夠很好地捕捉到流量過程，而大流量時捕捉結果較差，但總體來說徑流模擬結果較優。

4.2.3 汛期和非汛期水文過程模擬結果

為了進一步分析年內汛期（6—9月）和非汛期（10月—次年5月）徑流模擬的精度，采用數理統計方法對率定期和驗證期模擬和實測水文過程進行對比分析，結果見圖5。由圖5可知，汛期模擬流量的置信區間寬度大于實測流量的，但模擬流量平均值低于實測流量值平均值;非汛期模擬流量置信區間近似于實測流量值且異常值較少，同時平均流量值集中在25.68 m3/s;此外，非汛期無論是模擬值還是實測值其置信區間均小于汛期，意味著非汛期的徑流模擬精度高于汛期，這進一步驗證了小流量時模型能夠很好地捕捉到流量過程，而大流量時捕捉結果較差。

4.3 數字濾波基流分割結果分析

4.3.1 率定期和驗證期基流分割結果

依據所構建的北洛河流域TOPMODEL模型徑流模擬結果，為了對比分析徑流模擬結果，以頭水文站1986—1990年實測日徑流序列為依據，采用數字濾波方法分別對徑流模擬序列和實測徑流序列進行基流分割，從而分割出地表徑流和地下徑流（基流）。此外，選取單一的基流指數（BFI）作為評價指標，對率定期和驗證期基流分割結果進行評估，結果見表3。由表3可知，率定期基流指數（BFI）均大于驗證期且均大于0.75，這表明北洛河流域地下徑流對河道徑流的補給作用顯著，這也進一步反映了流域降雨過程主要集中在汛期。此外，采用TOPMODEL模型模擬的流量在率定期和驗證期均大于實測流量，但總的來說相差微小。

為了深入了解數字濾波方法所得基流分割過程的特點，采用數字濾波算法分別對模擬序列和實測序列的率定期與驗證期進行基流分割，結果見圖6。由圖6可知：①不同時期基流過程線起伏程度差異較大，但其形狀基本與徑流過程線一致;②模擬序列和實測序列基流分割過程線變化趨勢基本一致，但實測序列在汛期的分割過程線更符合流域實際徑流過程;③汛期受集中降水作用，率定期和驗證期地表徑流的增加會導致土壤下滲量增大，基流量也隨之增多，其趨勢與徑流過程相同。

4.3.2 基流分割過程對徑流量的影響

圖7為對不同時期采用數字濾波算法估算的地表徑流和地下徑流（基流）的影響量。由圖7可知：①率定期模擬徑流量大于實測徑流量，兩者之間的差值流量為1 964.60 m3/s，模擬地表徑流量小于實測地表徑流量，流量差為632.49 m3/s，模擬基流量大于實測基流量，流量差值為1 332.11 m3/s;②驗證期模擬徑流量小于實測徑流量，模擬地表徑流和基流量均小于實測地表徑流量和基流量，其流量差值分別為826.91、1 022.73、195.82 m3/s;這主要歸因于驗證期模型模擬精度較率定期差，進而導致驗證期模擬水文過程被低估，進而導致驗證期模擬的徑流成分（基流、地表徑流）較實測水文過程小。總的來說，率定期基流分割效果優于驗證期。

5 結 論

（1）通過Mamn-Kendall突變檢驗和有序聚類方法確定頭水文站徑流量的突變年份為1994年，在此基礎上選取TOPMODEL模型的率定期為1986—1988年，驗證期為1989—1990年。

（2）構建的北洛河流域TOPMODEL模型模擬精度較高，率定期和驗證期的NSE分別為0.69、0.63，R2分別為0.87、0.82， Re 均小于20%。

（3）非汛期徑流模擬精度優于汛期，這為進行基流分割奠定了良好基礎。

（4）不同時期基流過程線起伏程度差異較大，但其形狀基本與徑流過程線一致;率定期模擬徑流量和基流量均大于實測徑流量，但模擬地表徑流量小于實測地表徑流量;驗證期模擬流量大于實測流量，模擬地表徑流和基流量均大于實測地表徑流量和基流量，其流量差值分別為826.91、1 022.73、195.82 m3/s。

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【責任編輯 翟戌亮】