太湖流域湖西山丘区小流域水文模型适用性研究

唐 仁，汪院生，钟 栗，李卫东，秦 灏

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215128)

1 概 述

我国山丘区面积约占国土面积的67%，山丘区分布范围广、数量众多，地形地貌条件复杂。随着气候变化和人类活动影响加剧，越来越多的短历时强降雨、强对流等极端天气致使山洪灾害频发。由于山丘区洪水具有陡涨陡落、突发性强、汇流速度快等特点，洪涝灾害程度往往较重。为有效应对山洪灾害的威胁，一方面通过工程措施提高山洪防治能力，另一方面，运用水文模型实现对山丘区洪水的模拟预报已成为有效的非工程措施之一。

国内外学者研发了各类水文模型用于山丘区洪水模拟预报，包括API模型、新安江模型、TOPMODEL和HEC-HMS模型等。由于不同地区的气候特征和下垫面存在差异，以及水文模型结构、原理的差异和参数取值的不确定性等因素，各类模型应用于不同地区的适用性和模拟精度有所不同。一方面，同一水文模型在不同地区的适用性及洪水预报精度存在差异，王璐等[1]选取5种常用水文模型在全国14个典型山丘区小流域开展模拟对比分析，研究表明HEC-HMS模型综合模拟效果最优，大伙房水文模型在植被覆盖良好、水系较发达的小流域效果有限，API、TOPMODEL和新安江模型在湿润小流域取得了较好的效果。另一方面，不同水文模型在同一地区的适用性及洪水预报精度也有差异，崔杰石等[2]将SWAT模型和VIC模型应用于汤河流域，研究表明SWAT模型更适合于汤河流域水文模拟；刘佩瑶等[3]采用新安江模型和改进后的BP神经网络模型进行了闽江富屯溪流域水文预报，发现新安江模型在丰水年模拟效果较好，BP模型总体精度更优；王婕等[4]以长江上游支河沿渡河流域为研究对象，对比分析了新安江模型、TOPMODEL、BP神经网络模型对场次暴雨洪水过程的模拟效果及适用性，结果表明新安江模型的适用性更好。因此，选择合适的水文模型进行山丘区洪水预报具有重要的意义。

太湖流域湖西区位于流域上游、太湖西北部，区域西、南部为山丘区，山丘区约占区域总面积的1/3，山丘区洪水是太湖及区域洪水的主要来源。长期以来，湖西山丘区流域缺乏系统的实测流量资料，对山丘区洪水过程及河道水位的模拟缺乏资料验证，山丘区洪水的模拟及其精度的提高一直是该地区水文分析的难点问题。本文选取太湖湖西山丘区具有代表性的洛阳河流域，收集了2016—2017年实测场次洪水资料，应用API水文模型、新安江模型和太湖流域水文模型进行洪水模拟，分析研究其适用性和模拟精度。

2 资料与方法

2.1 流域概况

洛阳河流域位于茅山东侧，太湖流域湖西区西北部，北接宁镇山脉，西以北山水库南分干渠为界，南临茅山余脉，东至洮滆平原边缘，集水面积153.7 km2。流域地处北亚热带季风气候区，全年平均气温15.4℃，多年平均降水量1 102 mm，降水量年际变化较大，年内分配不均，汛期降水量约占全年的51.5%。洛阳河发源于高骊山、凉帽山，流域汇水至南宫附近的丁角桥、吴村桥处分为通济河、胜利河两支。流域内有白兔、东昌街、旧县和春城4座雨量代表站，旧县、吴村桥2处水位站，以及江苏省水文局镇江分局于2016年新设的通济河丁角桥、埝坡桥和胜利河吴村桥、拖板桥4个测流断面[5]。由于缺乏长系列水文观测资料，本文利用洛阳河流域2016—2017年共4个场次洪水资料进行参数的率定，对比分析各水文模型对实测洪水的模拟精度。

2.2 API水文模型

API水文模型根据经验性的次降雨径流相关关系和瞬时单位线模拟山丘区洪水的产汇流过程。以《江苏省暴雨洪水图集》[6]根据实测雨洪资料(次降雨量P和径流深R)建立的P+Pa～R相关关系，采用双曲线方程拟合降雨径流关系计算山丘区产流，其中土壤前期影响雨量Pa采用降雨资料从第一次洪水日期往前推20 d以上计算得到，Cp、Ci为常数。

(1)

山丘区汇流计算采用瞬时单位线法，该方法认为流域对地面净雨的调蓄作用可以用n个串联的线性水库的调节作用来模拟[7-8]，由此推导出瞬时单位线公式：

(2)

式中：Γ为伽马函数；n为线性水库个数；k为有关流域汇流时间的参数，h；u(t)为相应于时间变量t的瞬时单位线。

2.3 新安江模型

基于蓄满产流的新安江模型由河海大学赵人俊等[9]提出并逐步完善，在国内湿润和半湿润地区的洪水预报中得到了广泛应用。新安江模型是一个结构分散的概念性模型，分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算、汇流计算4个层次结构，模型计算流程，见图1。

新安江模型有17个参数，根据物理意义与在模型中的作用分为4类：

(1)蒸散发参数K、WUM、WLM、C。其中，K为蒸散发折算系数，WUM为上层张力水容量，WLM为下层张力水容量，C为深层散发系数。

(2)产流参数WM、B、IM。其中，WM为流域平均张力水容量，B为张力水蓄水容量曲线指数，IM为不透水面积比例。

(3)水源划分参数SM、EX、KG、KI。 其中，SM为表层自由水蓄水容量，EX为自由水蓄水容量曲线指数，KG为地下水出流系数，KI为壤中流出流系数。

图1 新安江模型计算流程

(4)汇流参数CG、CI、CS、L、KE、XE。其中，CG为地下水消退系数，CI为壤中流消退系数，CS为河网蓄水消退系数，L为单元流域汇流滞时，KE和XE为马斯京根法演算参数。

2.4 太湖流域水文模型

太湖流域数学模型由河海大学程文辉等[10]研制开发，主要由水文模型和河网水动力模型2个模块构成。水文模型根据降雨、蒸发和下垫面情况，针对平原区、湖西丘陵区及浙西山区等不同分区产汇流特点，分别进行降雨径流模拟。湖西山丘区按水面、水田、旱地和城镇建成区4类下垫面分别计算产流，下垫面资料一般由最新土地利用调查数据或遥感影像解译获取。水面产流由降雨扣除蒸发得到；水田产流考虑水稻不同生长期的灌溉水深、需水系数、水田下渗及灌排方式，逐时段进行水量调节计算，推求水田产流过程；旱地产流采用一水源一层蒸发的新安江模型，采用蓄满产流机制，降雨过程中直到土壤包气带含水量达到田间持水量时才能产流，在达到田间持水量之前，所有来水均被土壤吸收而不产流；城镇及其它不透水面产流采用降雨乘以径流系数。汇流计算采用瞬时单位线法，对大型水库进行调洪演算，并考虑其他塘坝的调蓄作用。

太湖流域水文模型共有16个产汇流参数：产流参数包括水面产流参数蒸发皿折算系数β；水田产流参数灌溉时间T、耐淹水深Hm、适宜上限Hmax、适宜下限Hmin、需水系数α；旱地产流参数蒸发折算系数K、蓄水容量曲线指数B、初始土壤含水量W0、流域平均蓄水量WM；城镇产流参数综合径流系数C；以及塘坝初始蓄水量V0，塘坝面积比例Blf，塘坝库容Bvr。汇流参数包括瞬时单位线参数n、k。

2.5 评价指标

根据水文预报精度评定标准，采用径流深、洪峰流量、峰现时间和确定性系数4个指标评价实测洪水的模拟精度：

(1)径流深预报以实测值的20%作为允许误差，当该值大于20 mm时，允许误差取20 mm。

(2)洪峰流量以实测值的20%作为允许误差。

(3)峰现时间以预报根据时间至实测洪峰出现时间之间时距的30%作为许可误差，当许可误差小于3 h或者一个计算时段长，则以3 h或者一个计算时段长为许可误差。

(4)洪水预报过程与实测过程之间的拟合程度以确定性系数作为指标：

(3)

(5)当一次预报的误差小于允许误差时，判别为合格预报，合格预报场次与洪水预报总场次之比的百分数为合格率(QR)，洪水预报的精度按合格率和确定性系数的大小分为3个等级，详见表1。

表1 洪水预报精度等级

3 结果与讨论

3.1 参数率定

利用2016—2017年实测洪水资料进行API水文模型、新安江模型和太湖流域水文模型参数率定。

API模型参数Cp为降雨径流相关曲线与纵轴交点的坐标，Ci+Cp为相关曲线的渐近线在纵轴上的截距；汇流计算采用的瞬时单位线参数n、k表示线性水库个数和水库滞时，对洪水过程线有坦化和偏移作用，属于敏感参数。本文对产流参数Ci、Cp和汇流参数n、k进行率定。

根据赵人俊等[11-12]对新安江模型参数的分析和客观优选法，参数WUM、WLM、C都是不敏感的，一般根据经验取常用值，本文取WUM=20 mm，WLM=60 mm，C=0.15；WM与B有关，也都不敏感，根据物理概念和经验，南方湿润地区WM为120～150 mm，本文取WM=120 mm，B与单元面积有关，在0.1～0.4之间，本文取B=0.1；EX反映自由蓄水分布不均匀程度，一般为1～1.5，取EX=1.5；马斯京根法演算参数KE一般取时段长Δt；其余参数K、SM、KI、KG、CG、CI、CS、L、XE均为敏感参数，需通过率定得到，本文采用约束KG+KI=0.7；IM对于天然流域一般为0.01～0.02，但由于洛阳河流域城镇化程度较高，不透水面积比例较大，本文也参与率定。

根据程文辉等对太湖流域水面、水田、旱地、城镇4种产流模型参数的分析，蒸发皿折算系数β参考毛锐等[13]的研究成果获得；灌溉时间T、耐淹水深Hm、适宜上限Hmax、适宜下限Hmin、需水系数α根据太湖流域水稻田灌溉经验取值；蓄水容量曲线指数B、流域平均蓄水量WM均不敏感，采用经验值B=0.1、WM=120，蒸发折算系数K为敏感参数，需通过率定得到；城镇综合径流系数C根据相关规范确定取值范围，进一步通过率定得到；塘坝初始蓄水量取V0=50 mm，塘坝面积比例Blf、塘坝库容Bvr控制山丘区的总产水量，对产流较为敏感，本文参与率定。对汇流计算采用的瞬时单位线参数n、k也进行率定。

各模型产汇流参数率定结果详见表2～4。

表2 API水文模型参数率定结果

表3 新安江模型参数率定结果

表4 太湖流域水文模型参数率定结果

3.2 结果分析

(1)API水文模型。洛阳河流域4场次实测洪水API模型模拟情况如表5所示。

表5 洛阳河流域API模型模拟结果

从径流深模拟来看，有1场(170610)较实测偏大超过20%，其余场次均偏小，合格率为75%，平均径流深相对误差为12.4%。从洪峰流量模拟来看，有1场(160701)相对误差大于20%，合格率为75%，平均洪峰流量相对误差为11.8%。从峰现时差来看，API模型计算与实测相差1～2 h，峰现时间接近。从确定性系数来看，有3场达到了0.8以上，最低为0.65，均值为0.82，与实测洪水过程拟合程度较好。综合来看，API模型洪水模拟的合格率为75%，确定性系数均值为0.82，达到乙级精度。

(2)新安江模型。洛阳河流域4场实测洪水新安江模型模拟情况如表6所示。

表6 洛阳河流域新安江模型模拟结果

从径流深模拟来看，新安江模型计算的相对误差均小于20%，合格率为100%，平均相对误差为6.3%。从洪峰流量模拟来看，计算较实测均偏小，相对误差均小于10%，合格率为100%，平均相对误差为4.4%。从峰现时差来看，有1场(160701)与实测一致，其余场次与实测相差1～3 h。从确定性系数来看，有2场达到了0.8以上，最低为0.65，均值为0.82，与实测洪水过程拟合程度较好。综合来看，新安江模型洪水模拟的合格率为100%，确定性系数均值为0.82，达到乙级精度。

(3)太湖流域水文模型。洛阳河流域4场实测洪水太湖流域水文模型模拟情况如表7所示。

从径流深模拟来看，太湖流域水文模型计算的相对误差均小于20%，合格率为100%，平均相对误差为10.7%。从洪峰流量模拟来看，有1场(160701)较实测偏小13.5%，其余场次相对误差均小于10%，合格率为100%，平均相对误差为4.7%。

表7 洛阳河流域太湖流域水文模型模拟结果

从峰现时差来看，有1场(170610)与实测一致，其余场次与实测相差2～3 h。从确定性系数来看，有2场达到了0.9以上，最低为0.64，均值为0.81。综合来看，太湖流域水文模型洪水模拟的合格率为100%，确定性系数均值为0.81，达到乙级精度。

洛阳河流域4场洪水模拟对比见图2。

图2 洛阳河流域4场洪水模拟对比

API模型是基于暴雨洪水图集中的降雨径流关系曲线和汇流瞬时单位线建立的一种简单水文模型，广泛应用于山丘区河道洪水过程及设计流量的推求，从模拟结果来看，API模型洪峰流量计算的平均误差小于20%，基本可以满足工程设计所需的精度要求。本文选取的洛阳河流域年平均降水量在1 000 mm以上，属于湿润地区，基于蓄满产流的新安江模型适用性较好，4场次洪水的径流深、洪峰流量预报合格率均为100%，与实测洪水拟合程度也较好，效果最优。太湖流域水文模型考虑水面、水田、旱地和城镇4类下垫面不同的产流规律和特点，实现了不同类别下垫面产流的模拟，由于水稻田灌溉制度、塘坝调蓄等经验性参数对产汇流过程的影响较大，该模型对实测洪水的拟合程度较新安江模型略差。

4 结 论

本文选取太湖流域湖西山丘区的洛阳河流域作为典型研究区域，分别采用API水文模型、新安江模型、太湖流域水文模型进行山丘区洪水模拟计算。研究表明，上述方法在洛阳河流域的适用性较好，均取得了良好的效果。其中，新安江模型模拟精度总体优于API模型和太湖流域水文模型，径流深、洪峰流量相对误差最小，平均相对误差小于10%，确定性系数均值达0.82，实现了洛阳河流域洪水过程的准确模拟，为推广应用至湖西山丘区其他小流域的洪水模拟提供了参考。

洛阳河流域仅为太湖流域湖西山丘区总面积的约6%，且实测洪水场次较少，资料年限也较短，湖西山丘区基本上仍属于无资料地区，需持续开展山丘区水文观测，扩大观测范围，丰富观测资料，以进一步探究湖西山丘区的产汇流机理，验证各类模型的适用性和产汇流参数获取的可靠性，从而为湖西山丘区洪水预报方案的建立提供理论基础和参考依据。