新安江NAM和TOPMODEL模型在安陽(yáng)河流域比較應(yīng)用研究

□王 偉 □曹瑞仙 □崔花瑞 □郭春梅（河南省安陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局 河南省開封市城區(qū)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(guó)濕潤(rùn)地區(qū)、半濕潤(rùn)地區(qū)新安江模型已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，模擬結(jié)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(qū)域內(nèi)，并且雨量站網(wǎng)的密度低，難以控制區(qū)域平均雨量，尤其是在汛期，流域不同區(qū)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(dǎo)致流域內(nèi)降雨產(chǎn)流機(jī)制十分復(fù)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(gè)難點(diǎn)也是個(gè)熱點(diǎn)。此外，海河流域作為我國(guó)政治文化中心，流域內(nèi)人口密度大，水循環(huán)過程受到強(qiáng)烈的人為干擾，導(dǎo)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(chǎn)流機(jī)制，將不同水文模型應(yīng)用于海河流域河流進(jìn)行適應(yīng)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(yù)報(bào)精度。

2 模型簡(jiǎn)介

2.1 新安江模型

在1973年由河海大學(xué)趙人俊教授等提出了新安江模型，作為我國(guó)第一個(gè)流域降雨徑流模型，屬于分散式概念模型。通過近幾十年來(lái)的應(yīng)用和修正，該模型逐漸完善，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)濕潤(rùn)地區(qū)和半濕潤(rùn)地區(qū)。該模型的基本原理為：根據(jù)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(gè)單元流量過程，然后將各個(gè)單元到出口處的流量疊加起來(lái)作為整個(gè)流域的預(yù)報(bào)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(nèi)的降雨徑流過程，是由水文循環(huán)過程中許多陸相特征連接起來(lái)。該模型需要的基礎(chǔ)資料有：降水、蒸發(fā)能力和氣溫（考慮融雪徑流時(shí)需要）。模型輸出參數(shù)有：徑流量、地下水位、土壤含水量和地下水補(bǔ)給量。該模型以水文循環(huán)中物理參數(shù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合了許多半經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式。該模型作為集總式模型，因此其變量和各個(gè)參數(shù)均為流域的平均值，模型參數(shù)、變量的初始值依據(jù)流域內(nèi)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(chǔ)。該模型以地形空間差異為主要依據(jù)，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)，計(jì)算出地形指數(shù)ln(a/tanβ)，用地形指數(shù)來(lái)表征產(chǎn)流區(qū)的水流特征，反映了地形差異對(duì)產(chǎn)流區(qū)域水流形成的影響。該模型根據(jù)土壤中含水量計(jì)算產(chǎn)流區(qū)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(shí)際含水量間的差值。在飽和面積上產(chǎn)生飽和地表徑流，該模型缺水量的計(jì)算主要是根據(jù)達(dá)西定律以及連續(xù)方程。

3 流域概況

安陽(yáng)河（洹河），位于安陽(yáng)市境內(nèi)，是衛(wèi)河的一大支流，發(fā)源于太行山東麓林州市西北的清泉寺，該河流經(jīng)太行、橫水、南海、彰武、安陽(yáng)到內(nèi)黃縣范陽(yáng)口匯入衛(wèi)河，河流全長(zhǎng)162km2，流域面積為1920km2，平原面積所占比例為35%，山區(qū)面積為47%。流域形狀為上寬下窄，類似葫蘆形長(zhǎng)條帶，地形起伏大，平原、丘陵、盆地、淺山區(qū)、深山區(qū)皆有之。流域內(nèi)東部為沖積平原，西部山地為變質(zhì)巖與石灰?guī)r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(yáng)河上游比降大，進(jìn)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(qū)以上河道流速約為4000～2400m3/s，到入衛(wèi)口處流速約為600～300m3/s。在洪水期間，由于衛(wèi)河水位高，下游洪水因受衛(wèi)河洪水影響，導(dǎo)致不能夠及時(shí)排出，在市區(qū)以下5km處左岸崔家橋一帶形成了自然滯洪區(qū)。

4 數(shù)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(qū)，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(yùn)用ARC/INFO GRID模塊，通過填充法填充洼地，生成無(wú)凹陷的DEM，然后模擬分析該區(qū)域的流水方向。水流方向?yàn)樗麟x開網(wǎng)格時(shí)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(jù)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(qū)和分析河流網(wǎng)絡(luò)

規(guī)則格網(wǎng)的DEM模型每處有1個(gè)單位水量，根據(jù)水從高處向低處流的規(guī)律，得到了流域水流累計(jì)的數(shù)字矩陣。根據(jù)該矩陣劃分流域內(nèi)分水嶺的空間分布，確定集水區(qū)邊界。在分析柵格的匯流能力基礎(chǔ)上，劃分河流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

4.3 劃分子流域

根據(jù)子流域特征將研究區(qū)進(jìn)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(jì)算單元，最大的優(yōu)點(diǎn)是得到十分清晰的單元內(nèi)與單元間的水文過程，與傳統(tǒng)水文模型可以結(jié)合。

4.4 雨量和流量數(shù)據(jù)處理

雨量數(shù)據(jù)依據(jù)雨量站的位置，采用趨勢(shì)面插值方法，對(duì)降雨量進(jìn)行空間插值，流量資料則通過時(shí)間插值方法轉(zhuǎn)化為一小時(shí)流量。

4.5 劃分洪水峰形

在安陽(yáng)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(shí)不超過20 h；另外一種為洪水峰低量大，洪水歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)半個(gè)月。在水文模型計(jì)算中，把雨量量級(jí)作為劃分條件，模型模擬過程中將自動(dòng)根據(jù)雨量值來(lái)進(jìn)行不同峰形轉(zhuǎn)化。

5 安陽(yáng)河流域新安江、NAM、TOPMODEL模型參數(shù)調(diào)試

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

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

在率定期內(nèi)，TOPMODEL模型模擬的日徑流過程確定性系數(shù)＞0.90，有1年的等級(jí)屬于甲等；確定性系數(shù)0.70≤確定性系數(shù)≤0.90，等級(jí)都屬于乙等。在驗(yàn)證期內(nèi)，確定性系數(shù)都在0.70≤確定性系數(shù)≤0.90的范圍內(nèi)，都屬于乙等。在率定期內(nèi)，徑流深相對(duì)誤差都合格，合格率為100%；驗(yàn)證期內(nèi)3年都合格，合格率為100%。三個(gè)模型在1990-1994年模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較如表1：

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

6 模型模擬結(jié)果及驗(yàn)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(jié)果可以看出，在3場(chǎng)率定洪水中，確定性系數(shù)均＞0.90，有1場(chǎng)等級(jí)屬于甲等，確定性系數(shù)在0.70≤確定性系數(shù)≤0.90范圍內(nèi)，有1場(chǎng)屬于乙等，確定性系數(shù)＜0.70，有1場(chǎng)屬于丙等；有1場(chǎng)徑流深相對(duì)誤差不合格，合格率為66.70%；有1場(chǎng)洪峰流量相對(duì)誤差不合格，合格率為66.70%；峰現(xiàn)時(shí)差都不合格。在2場(chǎng)驗(yàn)證洪水中，確定性系數(shù)＞0.90，有1場(chǎng)等級(jí)屬于甲等，確定性系數(shù)在0.70≤確定性系數(shù)≤0.90范圍內(nèi)，有1場(chǎng)屬于乙等；有1場(chǎng)徑流深相對(duì)誤差不合格，合格率僅為50%；有1場(chǎng)洪峰流量相對(duì)誤差不合格，合格率也為50%；峰現(xiàn)時(shí)差均不合格。

6.2 NAM模型次洪模擬

由NAM模型次洪模擬結(jié)果可以看出，在3場(chǎng)率定洪水中，確定性系數(shù)＞0.90，有1場(chǎng)等級(jí)屬于甲等，確定性系數(shù)在0.70≤確定性系數(shù)≤0.90的范圍內(nèi)，有2場(chǎng)屬于乙等；徑流深相對(duì)誤差全部合格，合格率為100%；有1場(chǎng)洪峰流量相對(duì)誤差不合格，合格率為66.70%；有2場(chǎng)峰現(xiàn)時(shí)差不合格，合格率僅為33.30%。在2場(chǎng)驗(yàn)證洪水中，確定性系數(shù)＞0.90，有1場(chǎng)等級(jí)屬于甲等，確定性系數(shù)在0.7≤確定性系數(shù)≤0.90范圍內(nèi)，有1場(chǎng)屬于乙等；徑流深相對(duì)誤差全部合格，合格率為100%；有1場(chǎng)峰現(xiàn)時(shí)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(jié)果可以看出，在3場(chǎng)率定洪水中，確定性系數(shù)＞0.90，有1場(chǎng)等級(jí)屬于甲等，確定性系數(shù)在0.70≤確定性系數(shù)≤0.90的范圍內(nèi)，有1場(chǎng)屬于乙等,確定性系數(shù)＜0.70，有1場(chǎng)屬于丙等；有2場(chǎng)徑流深相對(duì)誤差合格，合格率為66.70%；有1場(chǎng)洪峰流量相對(duì)誤差不合格，合格率為66.70%；有1場(chǎng)峰現(xiàn)時(shí)差合格，合格率為33.30%。在2場(chǎng)驗(yàn)證洪水中，確定性系數(shù)＞0.90，有1場(chǎng)等級(jí)屬于甲等，確定性系數(shù)在0.70≤確定性系數(shù)≤0.90的范圍內(nèi)，有1場(chǎng)屬于乙等；徑流深相對(duì)誤差全部合格，合格率為100%；有1場(chǎng)洪峰流量相對(duì)誤差不合格，合格率為50%；峰現(xiàn)時(shí)差均不合格。

此外，在3種水文模型模擬過程中發(fā)現(xiàn)，子流域相對(duì)面積較大的區(qū)域，模擬精度較高。這可能是由于在面積相對(duì)較大的子流域內(nèi)，具有較長(zhǎng)的匯流時(shí)間，需要考慮匯流滯時(shí)。

7 結(jié)論

7.1 日徑流模擬結(jié)果

在安陽(yáng)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(shù)較其它模型相對(duì)較高，驗(yàn)證期其率定系數(shù)也相對(duì)較高，且徑流深相對(duì)誤差較?。识ㄆ诔?994年模擬效果較差）。

7.2 次洪模擬結(jié)果

在安陽(yáng)河流域，NAM模型與新安江模型、TOPMODEL模型相比，確定性系數(shù)2場(chǎng)洪水有所提高；徑流深相對(duì)誤差2場(chǎng)洪水都較?。缓榉逑鄬?duì)誤差2場(chǎng)洪水較小，峰現(xiàn)時(shí)差有了明顯的提高。