新安江NAM和TOPMODEL模型在安阳河流域比较应用研究

□王 伟 □曹瑞仙 □崔花瑞 □郭春梅（河南省安阳水文水资源勘测局 河南省开封市城区水利局）

1 概述

流域水文模型可以分为集总式、黑箱式和分布式3种。其中，在我国湿润地区、半湿润地区新安江模型已经得到了广泛应用，模拟结果较为理想。但在半干旱的海河流域，降水的空间分布差异显著，降雨主要集中在较小区域内，并且雨量站网的密度低，难以控制区域平均雨量，尤其是在汛期，流域不同区域的下垫面状况、植被条件、湿度、温度等影响因素的空间差异大，导致流域内降雨产流机制十分复杂。

因此，在水文模型研究中，半干旱流域的水文过程模拟是个难点也是个热点。此外，海河流域作为我国政治文化中心，流域内人口密度大，水循环过程受到强烈的人为干扰，导致流域的水文水资源特征改变。因此，为了探讨海河流域河流的产流机制，将不同水文模型应用于海河流域河流进行适应性研究，寻找适合海河流域河流的模型，从而可以提高模拟效果和预报精度。

2 模型简介

2.1 新安江模型

在1973年由河海大学赵人俊教授等提出了新安江模型，作为我国第一个流域降雨径流模型，属于分散式概念模型。通过近几十年来的应用和修正，该模型逐渐完善，目前已经广泛应用于我国湿润地区和半湿润地区。该模型的基本原理为：根据流域下垫面、水文、地理等的特征，把流域划分为若干单元，模拟每个单元流量过程，然后将各个单元到出口处的流量叠加起来作为整个流域的预报流量。

2.2 NAM模型

NAM模型，属于集总式水文模型，主要模拟自然流域内的降雨径流过程，是由水文循环过程中许多陆相特征连接起来。该模型需要的基础资料有：降水、蒸发能力和气温（考虑融雪径流时需要）。模型输出参数有：径流量、地下水位、土壤含水量和地下水补给量。该模型以水文循环中物理参数为基础，并结合了许多半经验、经验公式。该模型作为集总式模型，因此其变量和各个参数均为流域的平均值，模型参数、变量的初始值依据流域内的自然特征确定，率定过程中利用历史水文资料。

2.3 TOPMODEL模型

在1979年，Beven等提出了TOPMODEL（Topgraphybased hydrological Model）模型，该模型属于半分布式流域水文模型，以地形特征为基础。该模型以地形空间差异为主要依据，根据DEM数据，计算出地形指数ln(a/tanβ)，用地形指数来表征产流区的水流特征，反映了地形差异对产流区域水流形成的影响。该模型根据土壤中含水量计算产流区域面积以及位置。土壤缺水量（D）定义为土壤饱和含水量与土壤实际含水量间的差值。在饱和面积上产生饱和地表径流，该模型缺水量的计算主要是根据达西定律以及连续方程。

3 流域概况

安阳河（洹河），位于安阳市境内，是卫河的一大支流，发源于太行山东麓林州市西北的清泉寺，该河流经太行、横水、南海、彰武、安阳到内黄县范阳口汇入卫河，河流全长162km2，流域面积为1920km2，平原面积所占比例为35%，山区面积为47%。流域形状为上宽下窄，类似葫芦形长条带，地形起伏大，平原、丘陵、盆地、浅山区、深山区皆有之。流域内东部为冲积平原，西部山地为变质岩与石灰岩系为主。主要支流有粉红江、金线河、天喜河、小河、赵家沟、珠泉河与横花沟，在京广铁路以西汇入。

安阳河上游比降大，进入平原后由于过渡带短，河道比降明显变缓。河道的行洪能力上游大下游小，市区以上河道流速约为4000～2400m3/s，到入卫口处流速约为600～300m3/s。在洪水期间，由于卫河水位高，下游洪水因受卫河洪水影响，导致不能够及时排出，在市区以下5km处左岸崔家桥一带形成了自然滞洪区。

4 数字流域的建立与资料处理

4.1 填充洼地与分析水流方向

洼地即为高程低于周边的地区，洼地作为开展流域水文特征分析的主要障碍，确定水流方向以前，必须将洼地填充。本研究运用ARC/INFO GRID模块，通过填充法填充洼地，生成无凹陷的DEM，然后模拟分析该区域的流水方向。水流方向为水流离开网格时的方向，决定了各单元流量分配和地表径流方向。ARC/INFOGRID模块根据最陡坡度原则，采用了D8算法，确定单元格流向。

4.2 划分集水区和分析河流网络

规则格网的DEM模型每处有1个单位水量，根据水从高处向低处流的规律，得到了流域水流累计的数字矩阵。根据该矩阵划分流域内分水岭的空间分布，确定集水区边界。在分析栅格的汇流能力基础上，划分河流网络系统。

4.3 划分子流域

根据子流域特征将研究区进行离散，划分为下垫面特征均匀的子流域，再将这些子流域与干流河道相连。子流域作为计算单元，最大的优点是得到十分清晰的单元内与单元间的水文过程，与传统水文模型可以结合。

4.4 雨量和流量数据处理

雨量数据依据雨量站的位置，采用趋势面插值方法，对降雨量进行空间插值，流量资料则通过时间插值方法转化为一小时流量。

4.5 划分洪水峰形

在安阳河流域，降雨形成两种峰形洪水。其中一种为峰高量小，洪水历时不超过20 h；另外一种为洪水峰低量大，洪水历时长达半个月。在水文模型计算中，把雨量量级作为划分条件，模型模拟过程中将自动根据雨量值来进行不同峰形转化。

5 安阳河流域新安江、NAM、TOPMODEL模型参数调试

在率定期内，新安江模型模拟的日径流过程其确定性系数＞0.90，有1年的等级属于甲等；确定性系数范围为0.70≤确定性系数≤0.90，有4年等级属于乙等。在验证期内，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90的范围内，等级属于乙等。在率定期内，径流深相对误差5年都合格，合格率为100%；在验证期内有1年不合格，合格率为66.7%。

在率定期内，NAM模型模拟的日径流过程确定性系数＞0.90，有2年的等级属于甲等;确定性系数范围为0.70≤确定性系数≤0.90，等级均属于乙等。在验证期内，确定性系数都在0.70≤确定性系数≤0.90范围内，等级都属于乙等。在率定期内，径流深相对误差都合格，合格率为100%；在验证期内3年都合格，合格率为100%。

在率定期内，TOPMODEL模型模拟的日径流过程确定性系数＞0.90，有1年的等级属于甲等；确定性系数0.70≤确定性系数≤0.90，等级都属于乙等。在验证期内，确定性系数都在0.70≤确定性系数≤0.90的范围内，都属于乙等。在率定期内，径流深相对误差都合格，合格率为100%；验证期内3年都合格，合格率为100%。三个模型在1990-1994年模拟结果与实测结果比较如表1：

表1 新安江、NAM和TOPMODEL模型模拟的安阳站日径流过程的精度比较表

6 模型模拟结果及验证精度

6.1 新安江模型次洪模拟

由新安江模型次洪模拟结果可以看出，在3场率定洪水中，确定性系数均＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90范围内，有1场属于乙等，确定性系数＜0.70，有1场属于丙等；有1场径流深相对误差不合格，合格率为66.70%；有1场洪峰流量相对误差不合格，合格率为66.70%；峰现时差都不合格。在2场验证洪水中，确定性系数＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90范围内，有1场属于乙等；有1场径流深相对误差不合格，合格率仅为50%；有1场洪峰流量相对误差不合格，合格率也为50%；峰现时差均不合格。

6.2 NAM模型次洪模拟

由NAM模型次洪模拟结果可以看出，在3场率定洪水中，确定性系数＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90的范围内，有2场属于乙等；径流深相对误差全部合格，合格率为100%；有1场洪峰流量相对误差不合格，合格率为66.70%；有2场峰现时差不合格，合格率仅为33.30%。在2场验证洪水中，确定性系数＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.7≤确定性系数≤0.90范围内，有1场属于乙等；径流深相对误差全部合格，合格率为100%；有1场峰现时差合格，合格率仅为50%。

6.3 TOPMODEL次洪模拟

由TOPMODEL模型次洪模拟结果可以看出，在3场率定洪水中，确定性系数＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90的范围内，有1场属于乙等,确定性系数＜0.70，有1场属于丙等；有2场径流深相对误差合格，合格率为66.70%；有1场洪峰流量相对误差不合格，合格率为66.70%；有1场峰现时差合格，合格率为33.30%。在2场验证洪水中，确定性系数＞0.90，有1场等级属于甲等，确定性系数在0.70≤确定性系数≤0.90的范围内，有1场属于乙等；径流深相对误差全部合格，合格率为100%；有1场洪峰流量相对误差不合格，合格率为50%；峰现时差均不合格。

此外，在3种水文模型模拟过程中发现，子流域相对面积较大的区域，模拟精度较高。这可能是由于在面积相对较大的子流域内，具有较长的汇流时间，需要考虑汇流滞时。

7 结论

7.1 日径流模拟结果

在安阳河流域，NAM模型与新安江模型和TOPMODEL模型相比，率定期其确定性系数较其它模型相对较高，验证期其率定系数也相对较高，且径流深相对误差较小（率定期除了1994年模拟效果较差）。

7.2 次洪模拟结果

在安阳河流域，NAM模型与新安江模型、TOPMODEL模型相比，确定性系数2场洪水有所提高；径流深相对误差2场洪水都较小；洪峰相对误差2场洪水较小，峰现时差有了明显的提高。