TOPMODEL模型植被根系区缺水量初值确定方法的验证比较及应用

2015-03-23杨芝锋

海河水利 2015年3期

于斌，谢帆，杨芝锋

（天津市海河管理处，天津 300141）

1 TOPMODEL模型简介

TOPMODEL 是Topgraphy Based Hydro1ogica1 Mode1的简称，即基于地形的半分布式流域水文模型[1]，是由Beven和Kirkby在1979年提出的。TOPMODEL模型的主要特征是利用地形指数来反映流域水文现象[2]，主要通过流域含水量（或缺水量）来确定源面积的大小和位置。而含水量的大小可由地形指数来计算，并借助于地形指数来描述和解释径流趋势及在重力排水作用下径流沿坡向的运动[3]。它采用变源产流理论，地表径流的产生主要是由于降雨使土壤达到饱和，而饱和区域的面积是受流域地形、土壤水力特性和流域前期含水量控制的。所以，应用TOP⁃MODEL模拟降雨洪水过程，初始时刻植被根系区平均缺水量是决定模型精度的关键参数之一。

2 模型初始值的确定

2.1 以原始方法确定初值

以往用TOPMODEL模型对洪水过程进行模拟时，由于缺乏实测资料，作为模型参数之一的初始时刻根系带平均缺水量需对每场洪水进行调试，即每率定一次洪水都要调整一次初值，以达到精度要求，缺乏客观性。

2.2 以经验关系式确定初值[4]

由于初始时刻的根系区平均缺水量与初始时刻的流量在一定程度上成反比关系，即流量越大，缺水量就越小，于是通过计算总结出以下经验关系式：

当1-q0×1 000 ＞0时，

当1-q0×1 000＜0时，

式中：Sr0为流域初始时刻的根系带平均缺水量（m）；q0为洪水初始时刻的经过单位转换后的流量（m）；B为一个经验系数，主要是用来调整洪水初始时刻根系带平均土壤缺水量的大小；Srmax为根系带最大蓄水容量（m）；Q0为初始时刻的流量（m3/s）；Dt为计算时段长（h）；A为总流域面积（km2）。

因为TOPMODEL 模型是利用地形指数来考虑流域下垫面的不均匀性，所以在计算流域内各点初始时刻的根系带缺水量（Srz）和非饱和带土壤含水量（Suz）时，同样考虑了地形指数的影响，即地形指数相同的地方Srz、Suz也相同。结合相关理论研究可知，地形指数越大的地方，通常为下游河道和低洼地区，则土壤含水量越大，越易产流；而地形指数小的地方，往往对应于流域的山坡等较大坡度处，土壤含水量相对较小，或者说缺水量较大而不易产流。在此，地形指数成为流域产流的一种指标。由此确定出Srz、Suz的计算公式为：

当1-q0×1 000＞0时，

当1-q0×1 000 ＜0时，

式中：Srz(i)为第i种地形指数对应的初始时刻根系带缺水量（m）；TL为平均地形指数；St(i)为第i种地形指数；Suz(i)为第i种地形指数对应的初始时刻非饱和带土壤含水量（m）；Szm为非饱和带最大蓄水容量（m）；Nac为地形指数的分类数；其他符号意义同上。

3 模型初值方法的验证比较

将模型初值原始确定法和经验关系式法分别用于息县流域和密赛流域进行验证比较。息县流域位于淮河流域上游，处于北亚热带和暖温带的过渡地带，在气候上具有过渡特征，面积8 826 km2（扣除大型水库面积），选取该流域1991—2005年间的13 场洪水进行模拟，计算时段为6 h；密赛流域系温湿山丘区，雨量丰沛，植被良好，表土下渗率较高，地下径流较丰富，流域面积757 km2，选取该流域1982—1988年间的11 场洪水进行模拟，计算时段为1 h。以上2 个流域均采用了1 km×1 km 的DEM 数据资料。流域基本信息见表1，息县流域计算结果对比见表2，密赛流域计算结果见表3。