海河流域日径流模拟不确定性分析及应用

2020-01-01姚玉梅刘墨阳李致家

水利规划与设计 2019年12期

姚玉梅，刘墨阳，陈宇，李致家

(1.海河流域水土保持监测中心站，天津 300170；2.河海大学，江苏南京 210098)

流域形态、人类活动等都不同程度影响流域径流变化。海河流域属于温带东亚季风季候区，降雨量年内年际分布不均，降雨量有逐年下降的趋势[1- 2]。20世纪80年代以来，由于人类活动影响，海河流域下垫面情况发生了变化，对径流及洪水的产生影响明显[3]。由于水文过程复杂，水文模型对于水文过程会有不同程度的概化，不同水文模型在同一流域模拟效果不同。

水文循环现象本身存在复杂性，在水文模型模拟时，存在各种不确定性。模型输入、模型参数、模型结构及实测值等的不确定都会导致水文模型的不确定性。集合预报是近年来研究的热点，可以将不同模型的结果进行综合，并得出更加稳定可靠的预报结果。

基于多模型集合预报的日径流不确定性分析是根据不同模型结构和空间配置的复杂性，选择不同降雨径流模型，为综合模型评价提供依据，使得降雨-径流关系中的非自然变化可以最小化，同时确保数据可用性、长度和一致性。本文采用基于多模型集合预报日径流不确定性分析方法探求HyMod模型、新安江模型、HBV模型及模型的集合预报在响水堡流域应用的可行性。

1 方法介绍

1.1 模型简介

HyMod模型[4]是由英国学者Moore基于蓄满产流机制提出的概念性水文模型，该模型在低流量阶段模拟效果优于高流量阶段，HyMod模型在广泛区域以较好的模拟和描述流域径流随着降雨的变化及过程特征。

新安江模型[5]是由赵人俊教授提出的概念性模型。当流域面积较小时，新安江模型采用集总模型。流域水文模拟采用蓄满产流机制；三层蒸散发计算模式；三水源划分及坡地、河网汇流两个阶段。

HBV模型[6]是瑞典水文气象局提出的一种半分布式概念性水文模型，该模型具有原理简单、易于实现、所需输入资料和参数较少以及模拟性能好等优点。HBV模型的结构分为蒸散发模块、产流模块、响应模块、路径模块和汇流模块五个模块。

1.2 目标函数

选取多目标函数(MOF)[7]与纳什效率系数(NS)，纳什效率系数一般用以验证水文模型模拟结果的好坏。采用Robust[8]参数估算法进行优化。

MOF=ENS-5|ln(1+B)|2.5

(1)

式中，ENS—纳什效率系数；B—模型的偏差Bias。

(2)

2 流域概况

响水堡位于海河流域永定河支流洋河河北省张家口市下花园区辛庄子乡响水铺村，流域面积14507km2。流域内暴雨主要特点是笼罩面积小，强度大、历时短，多集中在7-8月，多年平均降雨量382.3mm，断面来水受上游洋河水库调节控制。1974-1991年平均降雨量417.62mm，降雨量呈逐年下降的趋势，响水堡流域降雨量趋势变化如图1所示，根据张利茹等[9]2017年确定的响水堡流域在1979年左右水文序列发生突变，确定1974-1978年为率定期，1979-1983年为验证期。响水堡流域1974-1991年多年平均径流系数仅为0.056。

图1 响水堡流域降雨量趋势变化图

3 应用结果

根据响水堡水文站点历史资料，本文采用1974—1983年响水堡水文站降雨径流日数据。其中，选取1974—1978年作为率定期，1979—1983年作为验证期。

3.1 HyMod模型

HyMod模型的参数主要有土壤最大蓄水量Cmax，土壤含水量的空间变异程度β，高流速水箱滞留因子Rq，低流速水箱滞留因子RS，流量分配系数α，融雪温度TT和日融雪系数DD。HyMod模型参数可能取值范围见表1，HyMod模型率定期与验证期的指标评价结果见表2。HyMod模型对响水堡流域在率定期和验证期的日径流量模拟结果如图2所示。模拟结果表明响水堡流域HyMod模型在率定期模拟结果比验证期模拟结果好，在80年代前后，流域下垫面变化较大。

3.2 HBV模型

HBV模型的参数主要有融雪温度TT，日融雪系数DD，蒸散发折算系数CEF、土壤田间持水量FC，凋委系数PWP，蓄水容量曲线函数β，地表径流系数K0，壤中流径流系数K1，地下水径流系数K2，渗流系数KD，地表出流阈值HL。HBV模型参数取值范围见表3，HBV模型率定期与验证期的指标评价结果见表4。HBV模型对响水堡流域在率定期和验证期的日径流量模拟结果如图3所示。模拟结果表明响水堡流域HBV模型在率定期模拟结果比验证期模拟结果好，在80年代前后，流域下垫面变化较大。

表1 HyMod模型参数取值范围

表2 HyMod模型率定期与验证期的指标评价结果

图2 HyMod模型日径流量模拟结果

表3 HBV模型参数取值范围

表4 HBV模型率定期与验证期的指标评价结果

图3 HBV模型日径流量模拟结果

3.3 新安江模型

新安江模型参数主要有融雪温度TT，日融雪系数DD，蒸散发折算系数K，流域蓄水容量分布曲线指数B，深层散发系数C，包气带张力水容量WM，上层张力水容量WUM，下层张力水容量WLM，不透水面积比例IM，表层土自由水蓄水容量SM，流域自由水容量分布曲线指数EX，地下水出流系数KG，壤中流出流系数KI，地下水消退系数CG，壤中流消退系数CI，河网蓄水消退系数CS。新安江模型参数取值范围见表5，新安江模型率定期与验证期的指标评价结果见表6。新安江模型对响水堡流域在率定期和验证期的日径流量模拟结果如图4所示。模拟结果新安江模型在率定期模拟结果优于验证期，在80年代前后，流域下垫面变化较大。