新安江NAM和TOPMODEL模型在安阳河流域比较应用研究

2014-06-26曹瑞仙崔花瑞郭春梅河南省安阳水文水资源勘测局河南省开封市城区水利局

河南水利与南水北调 2014年12期

□王伟 □曹瑞仙 □崔花瑞 □郭春梅（河南省安阳水文水资源勘测局河南省开封市城区水利局）

1 概述

流域水文模型可以分为集总式、黑箱式和分布式3种。其中，在我国湿润地区、半湿润地区新安江模型已经得到了广泛应用，模拟结果较为理想。但在半干旱的海河流域，降水的空间分布差异显著，降雨主要集中在较小区域内，并且雨量站网的密度低，难以控制区域平均雨量，尤其是在汛期，流域不同区域的下垫面状况、植被条件、湿度、温度等影响因素的空间差异大，导致流域内降雨产流机制十分复杂。

因此，在水文模型研究中，半干旱流域的水文过程模拟是个难点也是个热点。此外，海河流域作为我国政治文化中心，流域内人口密度大，水循环过程受到强烈的人为干扰，导致流域的水文水资源特征改变。因此，为了探讨海河流域河流的产流机制，将不同水文模型应用于海河流域河流进行适应性研究，寻找适合海河流域河流的模型，从而可以提高模拟效果和预报精度。

2 模型简介

2.1 新安江模型

在1973年由河海大学赵人俊教授等提出了新安江模型，作为我国第一个流域降雨径流模型，属于分散式概念模型。通过近几十年来的应用和修正，该模型逐渐完善，目前已经广泛应用于我国湿润地区和半湿润地区。该模型的基本原理为：根据流域下垫面、水文、地理等的特征，把流域划分为若干单元，模拟每个单元流量过程，然后将各个单元到出口处的流量叠加起来作为整个流域的预报流量。

2.2 NAM模型

NAM模型，属于集总式水文模型，主要模拟自然流域内的降雨径流过程，是由水文循环过程中许多陆相特征连接起来。该模型需要的基础资料有：降水、蒸发能力和气温（考虑融雪径流时需要）。模型输出参数有：径流量、地下水位、土壤含水量和地下水补给量。该模型以水文循环中物理参数为基础，并结合了许多半经验、经验公式。该模型作为集总式模型，因此其变量和各个参数均为流域的平均值，模型参数、变量的初始值依据流域内的自然特征确定，率定过程中利用历史水文资料。

2.3 TOPMODEL模型

在1979年，Beven等提出了TOPMODEL（Topgraphybased hydrological Model）模型，该模型属于半分布式流域水文模型，以地形特征为基础。该模型以地形空间差异为主要依据，根据DEM数据，计算出地形指数ln(a/tanβ)，用地形指数来表征产流区的水流特征，反映了地形差异对产流区域水流形成的影响。该模型根据土壤中含水量计算产流区域面积以及位置。土壤缺水量（D）定义为土壤饱和含水量与土壤实际含水量间的差值。在饱和面积上产生饱和地表径流，该模型缺水量的计算主要是根据达西定律以及连续方程。

3 流域概况

安阳河（洹河），位于安阳市境内，是卫河的一大支流，发源于太行山东麓林州市西北的清泉寺，该河流经太行、横水、南海、彰武、安阳到内黄县范阳口汇入卫河，河流全长162km2，流域面积为1920km2，平原面积所占比例为35%，山区面积为47%。流域形状为上宽下窄，类似葫芦形长条带，地形起伏大，平原、丘陵、盆地、浅山区、深山区皆有之。流域内东部为冲积平原，西部山地为变质岩与石灰岩系为主。主要支流有粉红江、金线河、天喜河、小河、赵家沟、珠泉河与横花沟，在京广铁路以西汇入。

安阳河上游比降大，进入平原后由于过渡带短，河道比降明显变缓。河道的行洪能力上游大下游小，市区以上河道流速约为4000～2400m3/s，到入卫口处流速约为600～300m3/s。在洪水期间，由于卫河水位高，下游洪水因受卫河洪水影响，导致不能够及时排出，在市区以下5km处左岸崔家桥一带形成了自然滞洪区。

4 数字流域的建立与资料处理

4.1 填充洼地与分析水流方向

洼地即为高程低于周边的地区，洼地作为开展流域水文特征分析的主要障碍，确定水流方向以前，必须将洼地填充。本研究运用ARC/INFO GRID模块，通过填充法填充洼地，生成无凹陷的DEM，然后模拟分析该区域的流水方向。水流方向为水流离开网格时的方向，决定了各单元流量分配和地表径流方向。ARC/INFOGRID模块根据最陡坡度原则，采用了D8算法，确定单元格流向。

4.2 划分集水区和分析河流网络

规则格网的DEM模型每处有1个单位水量，根据水从高处向低处流的规律，得到了流域水流累计的数字矩阵。根据该矩阵划分流域内分水岭的空间分布，确定集水区边界。在分析栅格的汇流能力基础上，划分河流网络系统。

4.3 划分子流域

根据子流域特征将研究区进行离散，划分为下垫面特征均匀的子流域，再将这些子流域与干流河道相连。子流域作为计算单元，最大的优点是得到十分清晰的单元内与单元间的水文过程，与传统水文模型可以结合。

4.4 雨量和流量数据处理

雨量数据依据雨量站的位置，采用趋势面插值方法，对降雨量进行空间插值，流量资料则通过时间插值方法转化为一小时流量。

4.5 划分洪水峰形

在安阳河流域，降雨形成两种峰形洪水。其中一种为峰高量小，洪水历时不超过20 h；另外一种为洪水峰低量大，洪水历时长达半个月。在水文模型计算中，把雨量量级作为划分条件，模型模拟过程中将自动根据雨量值来进行不同峰形转化。

5 安阳河流域新安江、NAM、TOPMODEL模型参数调试

在率定期内，新安江模型模拟的日径流过程其确定性系数＞0.90，有1年的等级属于甲等；确定性系数范围为0.70≤确定性系数≤0.90，有4年等级属于乙等。在验证期内，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90的范围内，等级属于乙等。在率定期内，径流深相对误差5年都合格，合格率为100%；在验证期内有1年不合格，合格率为66.7%。

在率定期内，NAM模型模拟的日径流过程确定性系数＞0.90，有2年的等级属于甲等;确定性系数范围为0.70≤确定性系数≤0.90，等级均属于乙等。在验证期内，确定性系数都在0.70≤确定性系数≤0.90范围内，等级都属于乙等。在率定期内，径流深相对误差都合格，合格率为100%；在验证期内3年都合格，合格率为100%。

在率定期内，TOPMODEL模型模拟的日径流过程确定性系数＞0.90，有1年的等级属于甲等；确定性系数0.70≤确定性系数≤0.90，等级都属于乙等。在验证期内，确定性系数都在0.70≤确定性系数≤0.90的范围内，都属于乙等。在率定期内，径流深相对误差都合格，合格率为100%；验证期内3年都合格，合格率为100%。三个模型在1990-1994年模拟结果与实测结果比较如表1：

表1 新安江、NAM和TOPMODEL模型模拟的安阳站日径流过程的精度比较表

6 模型模拟结果及验证精度

6.1 新安江模型次洪模拟

由新安江模型次洪模拟结果可以看出，在3场率定洪水中，确定性系数均＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90范围内，有1场属于乙等，确定性系数＜0.70，有1场属于丙等；有1场径流深相对误差不合格，合格率为66.70%；有1场洪峰流量相对误差不合格，合格率为66.70%；峰现时差都不合格。在2场验证洪水中，确定性系数＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90范围内，有1场属于乙等；有1场径流深相对误差不合格，合格率仅为50%；有1场洪峰流量相对误差不合格，合格率也为50%；峰现时差均不合格。

6.2 NAM模型次洪模拟

由NAM模型次洪模拟结果可以看出，在3场率定洪水中，确定性系数＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90的范围内，有2场属于乙等；径流深相对误差全部合格，合格率为100%；有1场洪峰流量相对误差不合格，合格率为66.70%；有2场峰现时差不合格，合格率仅为33.30%。在2场验证洪水中，确定性系数＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.7≤确定性系数≤0.90范围内，有1场属于乙等；径流深相对误差全部合格，合格率为100%；有1场峰现时差合格，合格率仅为50%。

6.3 TOPMODEL次洪模拟

由TOPMODEL模型次洪模拟结果可以看出，在3场率定洪水中，确定性系数＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90的范围内，有1场属于乙等,确定性系数＜0.70，有1场属于丙等；有2场径流深相对误差合格，合格率为66.70%；有1场洪峰流量相对误差不合格，合格率为66.70%；有1场峰现时差合格，合格率为33.30%。在2场验证洪水中，确定性系数＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90的范围内，有1场属于乙等；径流深相对误差全部合格，合格率为100%；有1场洪峰流量相对误差不合格，合格率为50%；峰现时差均不合格。

此外，在3种水文模型模拟过程中发现，子流域相对面积较大的区域，模拟精度较高。这可能是由于在面积相对较大的子流域内，具有较长的汇流时间，需要考虑汇流滞时。