新安江模型在資水流域的應(yīng)用

吳德波

（黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州 450004）

0 引言

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model ，簡(jiǎn)稱DEM）的出現(xiàn)為數(shù)字水文學(xué)的發(fā)展和數(shù)字水文模型的誕生提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)[1]。 由DEM 自動(dòng)提取水系和子流域特征，代表著流域參數(shù)化方便而迅速的一種途徑[2]。 本文利用DEM 信息提取流域信息，構(gòu)建分布式新安江水文模型，將之應(yīng)用到資水流域，取得了較好的模擬效果。

1 流域概況

本文以資水水系的新寧站集水區(qū)為模型應(yīng)用流域。 資水水系范圍覆蓋12 縣境，支流山溪河流特性明顯，屬于中亞熱季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，多年平均降水量為1 462 mm。新寧水文站位于資水的支流夫夷水上，位于湖南省新寧縣金石鎮(zhèn)觀瀑村，集水面積2 456 km2，距離河口125 km。該區(qū)域內(nèi)設(shè)1 個(gè)水文站、9 個(gè)雨量站和1 個(gè)蒸發(fā)站。

2 模型概述

2.1 數(shù)字高程水文模型

數(shù)字高程流域水系模型 (Digital Elevation Drainage Network Model，簡(jiǎn)稱DEDNM)[3]，又稱TOP AZ（Topographic Parameterization）[4]，是一種基于柵格型DEM 數(shù)據(jù)的集地形要素計(jì)算、河網(wǎng)水系識(shí)別、主流域分水線確定和子流域分割于一體的自動(dòng)化數(shù)字地形分析工具。 它能給出如下結(jié)果： 柵格水流流向、流域分水線、自動(dòng)生成的河網(wǎng)及子流域、河道與子流域的編碼和河網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系[5]。

2.2 新安江模型

新安江模型是河海大學(xué)趙人俊教授研制的概念性降雨徑流模型[6]，適用于濕潤(rùn)地區(qū)與半濕潤(rùn)地區(qū)。新安江模型采用3 層蒸發(fā)模型進(jìn)行計(jì)算，基于蓄滿產(chǎn)流機(jī)制進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算。 它引入線性水庫(kù)，將產(chǎn)生的徑流劃分為三水源，坡地匯流采用無因次單位線模擬水體，單元出口到流域出口斷面的河道洪水演算采用馬斯京根法線性解[7]。

3 模擬結(jié)果比較分析

3.1 構(gòu)建數(shù)字流域水系

選取資水水系夫夷水流域新寧水文站以上集水面積，以空間分辨率為30s 的柵格型DEM 數(shù)據(jù)。 該數(shù)據(jù)來自美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心提供的全球陸地1 km 基礎(chǔ)高程GLOBE（Global Land One-kilometer Base Elevation）。本研究流域最小水道給養(yǎng)面積閾值CSA 和最小河長(zhǎng)MSCL 分別取40 km2和6 km。研究流域被劃分為13 個(gè)子流域（如圖1 所示）。

3.2 模型參數(shù)的選取

本研究采用新安江模型對(duì)資水流域新寧站集水面積1980～1985 年間共18 場(chǎng)洪水進(jìn)行模擬。 其中，以12 場(chǎng)洪水作為率定洪水場(chǎng)次，以6 場(chǎng)洪水作為驗(yàn)證洪水場(chǎng)次。在率定洪水場(chǎng)次中，洪峰流量大于或等于1 000 m3/s 的大洪水3 場(chǎng)，洪峰流量小于1 000 m3/s 大于300 m3/s 的中等洪水7 場(chǎng)，洪峰流量小于或等于300m3/s 的小洪水2 場(chǎng)。 在驗(yàn)證洪水場(chǎng)次中，洪峰流量大于等于1 000 m3/s 的大洪水1 場(chǎng)，洪峰流量小于1 000 m3/s 大于300 m3/s 的中等洪水2場(chǎng)，洪峰流量小于等于300 m3/s 的小洪水3 場(chǎng)。在率定參數(shù)過程中，使用確定性系數(shù)[8]（式1）、徑流深相對(duì)誤差[8]（式2）、洪峰流量相對(duì)誤差和洪現(xiàn)時(shí)差作為率定參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)。

圖1 資水水系夫夷水流域新寧水文站以上流域水系生成圖Fig.1 Drainage system generation above Xinning hydrological station in Fuyishui river basin of Zishui river system

3.3 模擬結(jié)果

表1 為新安江模型模擬的次洪水結(jié)果。 由表1可以看出，在率定場(chǎng)次洪水中，3 場(chǎng)大洪水，徑流深誤差都小于20%；確定性系數(shù)有1 場(chǎng)大于或等于0.90，1 場(chǎng)小于0.9、大于或等于0.70，1 場(chǎng)小于0.70、大于或等于0.60；洪峰相對(duì)誤差有2 場(chǎng)小于20%，1場(chǎng)大于20%；洪現(xiàn)時(shí)差都不合格。 7 場(chǎng)中等洪水，徑流深誤差有6 場(chǎng)小于20%，1 場(chǎng)大于20%；確定性系數(shù)有4 場(chǎng)大于或等于0.90，3 場(chǎng)小于0.90、大于或等于0.70； 洪峰相對(duì)誤差有5 場(chǎng)小于20%，2 場(chǎng)大于20%；洪現(xiàn)時(shí)差僅1 場(chǎng)合格。 2 場(chǎng)小洪水，徑流深相對(duì)誤差都小于20%； 確定性系數(shù)都大于或等于0.90；洪峰相對(duì)誤差都小于20%；洪現(xiàn)時(shí)差有1 場(chǎng)合格。在驗(yàn)證洪水中，1 場(chǎng)大洪水徑流深相對(duì)誤差小于20%；確定性系數(shù)大于或等于0.90；洪峰相對(duì)誤差大于20%；洪現(xiàn)時(shí)差不合格。 2 場(chǎng)中等洪水，徑流深相對(duì)誤差1 場(chǎng)大于20%，1 場(chǎng)小于20%；確定性系數(shù)1場(chǎng)大于等于0.90，1 場(chǎng)小于0.90、大于等于0.70；洪峰相對(duì)誤差1 場(chǎng)大于20%，1 場(chǎng)小于20%；洪現(xiàn)時(shí)差不合格。 3 場(chǎng)小洪水，徑流深相對(duì)誤差有1 場(chǎng)大于20%，2 場(chǎng)小于20%； 確定性系數(shù)都大于或等于0.70、小于0.90；洪峰相對(duì)誤差2 場(chǎng)小于20%，1 場(chǎng)大于20%；洪現(xiàn)時(shí)差有1 場(chǎng)合格。

表1 新安江模型次洪模擬結(jié)果Table 1 Simulation result of Xin'an river model sub-flood

圖2 NAM 模型模擬洪水過程線、新安江模型模擬洪水過程線與實(shí)測(cè)洪水過程線圖Fig.2 Simulation flood hygrograph of NAM model,simulation and actual measurement flood hygrograph of Xin'an river model

4 結(jié)語

綜上所述，本文以構(gòu)建的數(shù)字流域?yàn)槠脚_(tái)，劃分子流域，并用新安江模型與數(shù)字高程水系模型進(jìn)行耦合，較好地模擬了資水流域新寧站的18 場(chǎng)次洪水過程。 從模擬結(jié)果看，確定性系數(shù)和相對(duì)徑流深誤差合格率較高。 從模擬的總體效果來看，該流域相對(duì)新安江模型，模擬效果較好。

[1] 任立良,劉新仁.數(shù)字時(shí)代水文模擬技術(shù)的變革[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2000,28(5)：1-6.

[2] 任立良,劉新仁.基于數(shù)字流域的水文過程模擬研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2000,9(4):45-52.

[3] Martz W. Garbrecht J. Numerical definition of drainage network and subcatchment areas from digital elevation models[J]. Compute & Geosciences,1992,18(6):747-761.

[4] Garbrecht J,Campbell J. TOPAZ:an automated digital landscape analysis tool for topographic evaluation,drainage identification,watershed segmentation and subcathment parameterization [M].TOPA User Manual,USDA-ARS,Oklahoma.1997.

[5] 任立良. 流域水文物理過程的數(shù)字模型研究[D].南京:河海大學(xué)博士論文,1999.

[6] 趙人俊.流域水文模擬-新安江模型與陜北模型[M].北京：水利電力出版社，1984：1.

[7] 趙人俊，王佩蘭，胡鳳彬. 新安江模型的根據(jù)及模型參數(shù)與自然條件的關(guān)系[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1992,20(1)：52-59.

[8] SL250-2000，水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范[S].