EasyDHM模型在诺敏河流域的应用

孙艳兵，蔡 侃

（1.水利部松辽水利委员会，吉林 长春 130021；2.松辽水利水电开发有限责任公司，吉林 长春 130021）

近年来，洪涝灾害、干旱缺水、水生态环境恶化，依然是制约社会经济发展的重要因素。水资源的问题仍然是各项工作中的重点。水文模型作为一种研究水资源问题的重要手段已被广泛应用，在全国的各大流域均有涉及，对水资源的合理调配和利用发挥着重要作用。

分布式流域水文模型根据流域各处气候信息和下垫面特性，将流域离散为若干个小单元，在每一个小单元上采用一组参数来反映其流域特征，便于从物理机理上考虑降雨和下垫面条件时空分布不均匀对流域的降雨径流所产生的影响。EasyDHM(Easy Distributed Hydrological Model)模型是雷晓辉等开发的一个分布式水文模型，它集成了多项新技术，例如基于DEM的快速建模技术、支持不同时空尺度的模拟技、自动识别参数的技术，功能强大而操作简便，能够服务于实际水管理业务。

1 EasyDHM模型原理

EasyDHM模型可以支持多种空间结构，其水循环过程模拟的核心模型是采用模块化和组件式的开发思想，模型的产流、汇流、蒸发、地下水等模块都支持多种算法，这样就增强了水循环过程模拟的灵活性与扩展性。另外，该模型能够对参数进行自动识别，包括参数的敏感性分析和参数优化模块。模型提出了“计算分区”和“参数分区”的概念来解决分布式水文模型在大流域应用时计算效率低、模型参数率定困难的问题，从而提高了模型参数识别的自动化程度和模型率定的效率。

1.1 模型构建流程

EasyDHM模型的主要构建流程包括5个方面：资料的收集与整理；子流域的划分与子流域的加密处理；流域信息参数的提取；气象数据的空间分布；模型的计算与参数的率定。EasyDHM模型构建需要的数据包括：数字DEM高程图，分期土地利用和土壤类型，以及水文气象数据。

流域划分主要基于DEM的水文分析，包括流向计算，累积数计算，河网提取，子流域划分等步骤。在数字河网提取之后，进行流域特征参数的提取，包括河网编码，子流域加密，等高带划分、参数分区的划分和子流域属性的统计。子流域的划分则是采用自主开发的子流域划分算法PGSDM（Pfafstetter coding system based General Sub-basin Delineation Method）来完成的，该算法可以高效、准确地实现对各种复杂流域的子流域划分工作。

气象数据的空间分布综合采用相关距离反比法和泰森多边形法，将站点的降雨、气温、风速、湿度等气象信息分布到子流域的形心上去，并分别进行必要的在时间上和空间上的统计工作。

模型参数的敏感性分析和参数率定则是采用LH-OAT参数抽样方法，对模型的参数进行敏感性分析，得出模型参数的敏感度等级，以便对模型的特性作分析。然后再利用SCE-UA参数自动率定方法，对敏感参数进行参数自动率定。

1.2 模型产汇流计算

EasyDHM模型的产流计算则是在WetSpa模型的基础进行改进的，简化了原来WetSpa模型的产流参数推求方法。EasyDHM模型在垂向上划分了4层：植被冠层、地表层、土壤层和地下水含水层。降雨先进入植被冠层，发生冠层截留，穿过冠层的水分会进入地表层，超渗的水量发生地表填洼，其他水分入渗进入土壤，土壤水渗漏则进入地下水含水层。其中地表填洼形成地表径流，土壤水侧向流出形成壤中流，地下水回归形成地下径流，它们之和即为总径流。植被冠层、地表填洼、土壤水和地下水都会形成蒸发。

汇流的计算则是根据DEM并利用GIS工具，生成数字河道网，根据流域地图对主要河流进行修正。搜集河道纵横断面及河道控制工程数据，根据具体情况按动力波（Dynamic Wave）模型,运动波（Kinematic Wave）模型或者扩散波（Diffusive Wave）进行一维数值计算。

地下水是指储存在地下饱和区的水量，其中包括部分流入和流出地下水库的水量。地下水储水量是指饱和地下水容量，在自然条件下能够被开发利用，可更新代替的水量。为预测径流量，需要模拟每个时段径流从地下水到地表径流的过程。由于对河床状况了解较少，在小流域的地下水模拟可使用线性水库的概念，在模型库容指数为2时，使用非线性水库的方法。地下水公式如下：

式中：QGs（t）为子流域出口平均地下水出流，m3/s；SGs为t时刻子流域地下水储水量，mm；m为指数，m=1为线性水库，m=2为非线性水库；cg为考虑子流域面积后的地下水回归系数，线性水库的单位为m2/s，非线性水库的单位为m-1s-1；对每一个子流域，其地下水水量平衡表达式如下：

式中：SGs（t）和 SGs（t-1）分别为 t时刻和 t-1 时刻的子流域地下水储水量，mm；Ns为子流域网格数；Ai为网格面积，m2；As 为子流域面积，m2；EGs（t）为子流域地下水储水量的平均蒸发量，mm；QGs（t）为地下水出流量，m3/s。

模型中，潜在蒸发和地下水储水量的深层蒸散发量的线性方程如下：

式中：EGi（t）为地下水储水量的平均蒸散发量，mm；EP为潜在蒸散发量，mm；cd是一个变量，由公式SGi（t）/SGs,0计算得到，EGi（t）为t时刻子流域的地下水储水量，mm；SGs,0为子流域地下水储水量的最大值，mm；在地下水库方法中，只有地下水回归系数和库容量两个地下水参数，可以通过实际过程线率定得到。

2 实例应用

2.1 流域概况

诺敏河是嫩江干流下游上段右岸最大支流，发源于大兴安岭东侧特勒库勒山，由西北向东南流至沙德尔火山后急转向南，该流域以古城子水文站为控制断面，在古城子水文站下游水流分为两股汇入嫩江，河流全长466 km，集水面积25966 km2。

2.2 基础数据的准备处理

基本原理是根据水流累计栅格图层，给定一个适当的最小水道集水面积阈值，凡是集水面积超过这个阈值的栅格均标定为河网内的单元，最后将这些单元连接起来形成流域的河网水系。该研究通过比较，确定最小水道集水面积阈值为50 km2，生成河网水系栅格图层，其转化成矢量图层。

首先确定子流域的出口位置。在河网水系提取之后，对河网栅格图层进行河道分段（Steam Segmentation），从而划定栅格集水区（Catchment Grid delineation），进一步得到汇流点（DrainagePoint），汇流线（DrainageLine）。EasyDHM正是以两个河道的交汇点作为子流域出口，从流域总出口沿河道向上游搜索每一河道的上游给水区，分别对搜索到的上游给水区边界，进行勾画就得到了各个子流域的边界。子流域划分过程结束后，所生成的子流域个数和河道数一致且一一对应。在EasyDHM中有上游流域分析功能，能自动找出水文站以上流域的集水面积，以及划分子流域和等高带。

表1 古城子参数率定成果表

率定准则包括：

1）率定期洪水水量误差最小。

2）率定期洪峰流量误差最小。

3）率定期洪峰出现时间误差最小。

4）Nash-Sutcliffe效率系数尽可能高。

此次参数率定期为1990—2008年，验证期为1984—1989年，水文站所在参数分区的率定效果见表1。

3 结论

通过对诺敏河流域进行分布式流域水文模型的构建，实现了该流域的分布式洪水预报方案。总体来看，基于分布式水文模型的洪水预报方案，整体达到了乙级以上预报水平，局部可以达到甲级预报水平。EasyDHM模型结构清晰，参数具有物理意义，适用范围广，实用性较强，并得到了精度较高的模拟结果，为分布式水文模型在实际的水资源调配、管理以及洪水预报都奠定了基础。