新安江模型在资水流域的应用

吴德波

（黄河水利委员会水文局，河南 郑州 450004）

0 引言

数字高程模型（Digital Elevation Model ，简称DEM）的出现为数字水文学的发展和数字水文模型的诞生提供了坚实的技术基础[1]。 由DEM 自动提取水系和子流域特征，代表着流域参数化方便而迅速的一种途径[2]。 本文利用DEM 信息提取流域信息，构建分布式新安江水文模型，将之应用到资水流域，取得了较好的模拟效果。

1 流域概况

本文以资水水系的新宁站集水区为模型应用流域。 资水水系范围覆盖12 县境，支流山溪河流特性明显，属于中亚热季风湿润气候，多年平均降水量为1 462 mm。新宁水文站位于资水的支流夫夷水上，位于湖南省新宁县金石镇观瀑村，集水面积2 456 km2，距离河口125 km。该区域内设1 个水文站、9 个雨量站和1 个蒸发站。

2 模型概述

2.1 数字高程水文模型

数字高程流域水系模型 (Digital Elevation Drainage Network Model，简称DEDNM)[3]，又称TOP AZ（Topographic Parameterization）[4]，是一种基于栅格型DEM 数据的集地形要素计算、河网水系识别、主流域分水线确定和子流域分割于一体的自动化数字地形分析工具。 它能给出如下结果： 栅格水流流向、流域分水线、自动生成的河网及子流域、河道与子流域的编码和河网结构拓扑关系[5]。

2.2 新安江模型

新安江模型是河海大学赵人俊教授研制的概念性降雨径流模型[6]，适用于湿润地区与半湿润地区。新安江模型采用3 层蒸发模型进行计算，基于蓄满产流机制进行产流计算。 它引入线性水库，将产生的径流划分为三水源，坡地汇流采用无因次单位线模拟水体，单元出口到流域出口断面的河道洪水演算采用马斯京根法线性解[7]。

3 模拟结果比较分析

3.1 构建数字流域水系

选取资水水系夫夷水流域新宁水文站以上集水面积，以空间分辨率为30s 的栅格型DEM 数据。 该数据来自美国国家地球物理数据中心提供的全球陆地1 km 基础高程GLOBE（Global Land One-kilometer Base Elevation）。本研究流域最小水道给养面积阈值CSA 和最小河长MSCL 分别取40 km2和6 km。研究流域被划分为13 个子流域（如图1 所示）。

3.2 模型参数的选取

本研究采用新安江模型对资水流域新宁站集水面积1980～1985 年间共18 场洪水进行模拟。 其中，以12 场洪水作为率定洪水场次，以6 场洪水作为验证洪水场次。在率定洪水场次中，洪峰流量大于或等于1 000 m3/s 的大洪水3 场，洪峰流量小于1 000 m3/s 大于300 m3/s 的中等洪水7 场，洪峰流量小于或等于300m3/s 的小洪水2 场。 在验证洪水场次中，洪峰流量大于等于1 000 m3/s 的大洪水1 场，洪峰流量小于1 000 m3/s 大于300 m3/s 的中等洪水2场，洪峰流量小于等于300 m3/s 的小洪水3 场。在率定参数过程中，使用确定性系数[8]（式1）、径流深相对误差[8]（式2）、洪峰流量相对误差和洪现时差作为率定参数的目标函数。

图1 资水水系夫夷水流域新宁水文站以上流域水系生成图Fig.1 Drainage system generation above Xinning hydrological station in Fuyishui river basin of Zishui river system

3.3 模拟结果

表1 为新安江模型模拟的次洪水结果。 由表1可以看出，在率定场次洪水中，3 场大洪水，径流深误差都小于20%；确定性系数有1 场大于或等于0.90，1 场小于0.9、大于或等于0.70，1 场小于0.70、大于或等于0.60；洪峰相对误差有2 场小于20%，1场大于20%；洪现时差都不合格。 7 场中等洪水，径流深误差有6 场小于20%，1 场大于20%；确定性系数有4 场大于或等于0.90，3 场小于0.90、大于或等于0.70； 洪峰相对误差有5 场小于20%，2 场大于20%；洪现时差仅1 场合格。 2 场小洪水，径流深相对误差都小于20%； 确定性系数都大于或等于0.90；洪峰相对误差都小于20%；洪现时差有1 场合格。在验证洪水中，1 场大洪水径流深相对误差小于20%；确定性系数大于或等于0.90；洪峰相对误差大于20%；洪现时差不合格。 2 场中等洪水，径流深相对误差1 场大于20%，1 场小于20%；确定性系数1场大于等于0.90，1 场小于0.90、大于等于0.70；洪峰相对误差1 场大于20%，1 场小于20%；洪现时差不合格。 3 场小洪水，径流深相对误差有1 场大于20%，2 场小于20%； 确定性系数都大于或等于0.70、小于0.90；洪峰相对误差2 场小于20%，1 场大于20%；洪现时差有1 场合格。

表1 新安江模型次洪模拟结果Table 1 Simulation result of Xin'an river model sub-flood

图2 NAM 模型模拟洪水过程线、新安江模型模拟洪水过程线与实测洪水过程线图Fig.2 Simulation flood hygrograph of NAM model,simulation and actual measurement flood hygrograph of Xin'an river model

4 结语

综上所述，本文以构建的数字流域为平台，划分子流域，并用新安江模型与数字高程水系模型进行耦合，较好地模拟了资水流域新宁站的18 场次洪水过程。 从模拟结果看，确定性系数和相对径流深误差合格率较高。 从模拟的总体效果来看，该流域相对新安江模型，模拟效果较好。

[1] 任立良,刘新仁.数字时代水文模拟技术的变革[J].河海大学学报,2000,28(5)：1-6.

[2] 任立良,刘新仁.基于数字流域的水文过程模拟研究[J].自然灾害学报,2000,9(4):45-52.

[3] Martz W. Garbrecht J. Numerical definition of drainage network and subcatchment areas from digital elevation models[J]. Compute & Geosciences,1992,18(6):747-761.

[4] Garbrecht J,Campbell J. TOPAZ:an automated digital landscape analysis tool for topographic evaluation,drainage identification,watershed segmentation and subcathment parameterization [M].TOPA User Manual,USDA-ARS,Oklahoma.1997.

[5] 任立良. 流域水文物理过程的数字模型研究[D].南京:河海大学博士论文,1999.

[6] 赵人俊.流域水文模拟-新安江模型与陕北模型[M].北京：水利电力出版社，1984：1.

[7] 赵人俊，王佩兰，胡凤彬. 新安江模型的根据及模型参数与自然条件的关系[J].河海大学学报,1992,20(1)：52-59.

[8] SL250-2000，水文情报预报规范[S].