不同水文模型在滦河流域对比运用研究

屈海晨，胡艳阳，刘晓东

（1.海河下游管理局西河闸管理处，天津300380；2.海河下游管理局水文水资源管理中心，天津300061）

不同水文模型在滦河流域对比运用研究

屈海晨1，胡艳阳2，刘晓东1

（1.海河下游管理局西河闸管理处，天津300380；2.海河下游管理局水文水资源管理中心，天津300061）

为对比研究不同水文模型在滦河流域的模拟精度，分别选取垂向混合产流模型和VIC模型，以滦河滦县水文站以上流域为研究流域，基于滦县水文站1980—1989年水文资料，对比分析不同水文模型的模拟精度，并在此基础上，定量分析不同蒸发输入和不同计算时段对水文模型模拟的影响。研究结果表明：垂向混合产流模型相比于VIC模型，在滦河流域具有更好的适用性，日模拟相对误差均小于VIC模拟的相对误差，且确定性系数均高于VIC模型；时段步长为0.5 h的次洪模拟，不论是在洪峰峰值模拟还是整个洪峰过程的拟合程度方面模拟精度都要优于计算步长为1 h的次洪模拟；运用Penman-Monteith公式计算的潜在蒸散发作为垂向混合产流模型蒸发输入，模拟的日径流过程总体上优于运用实测蒸发皿蒸发作为蒸发输入的模拟精度。模型的研究成果可以为滦河流域水文模拟和模型研究提供参考价值。

不同水文模型；不同蒸发输入；不同降雨时段输入；模拟精度对比；滦河流域

1 引言

不同水文模型在不同流域都有其适用性，垂向混合产流模型近些年来在我国北方地区得到了较好的模拟运用[1-4]，且取得了良好的模拟效果，但是在滦河流域运用研究相对较少。而美国华盛顿大学研发的VIC模型近些年来在我国不同流域得到了运用[5-7]并取得不错的研究效果，不过该模型需要大量的流域下垫面数据和比较多的模型参数且不能实现次洪模拟。相比于VIC模型，垂向混合产流模型需求的数据相对较少，且可以运用到次洪模拟中。因此，结合滦河流域滦县水文站的水文数据，定量分析两种不同水文模型在滦河流域的模拟效果，在此基础上，考虑到降雨时段和蒸发对于水文模型模拟的影响研究，将不同的计算时段（0.5和1 h）降雨、蒸发作为模型输入，定量分析不同计算时段对模型模拟的精度影响。蒸发是水文模型的一项重要输入项，考虑到有的流域缺乏实测的蒸发皿蒸发资料，需要采用计算的潜在蒸散发作为模型的蒸发输入，因此定量分析不同蒸发输入对水文模型模拟的影响对于提高水文预报的精确度至关重要，其研究成果可以为滦河流域水文模型的选取和水文模型模拟精度的提高提供指导。

2 研究区域概况和研究方法

2.1 研究区域概况

选取滦河滦县水文站以上区域为研究流域，流域站点如图1所示。滦河全长885 km，流域面积为4.49× 104km2。滦河流域年均降水量540 mm，属于半湿润半干旱区域，流域年径流量4.79×109m3。滦河流域属于典型的温带东亚季风气候，冬季由于受到西伯利亚气团的控制，寒冷少雪；而在春季由于受到蒙古大陆性气团的影响，风速较大，并造成蒸发量大，易形成干旱的天气。滦河流域年均气温在1.5～14℃，年均相对湿度50%～70%，年均陆面蒸发量470 mm。

图1 滦河滦县水文站以上流域站点

2.2 研究方法及资料收集

首先，分别运用垂向混合产流模型和VIC模型来模拟研究流域的径流，垂向混合产流模型和VIC模型的具体原理详见参考文献[2]和[5]。其次，定量分析不同计算时段和蒸发输入对垂向混合产流模型模拟的影响，采用三次样条插值方法将次洪降雨、蒸发数据分别转换成时段为1、0.5 h的降雨和蒸发，然后基于已率定好的同一组参数，分别计算和对比两个时段（1、0.5 h）对模拟精度的影响。在考虑不同蒸发输入对水文模拟的影响时，选用Penman-Monteith[8]公式（以下简称P-M公式）计算流域潜在蒸散发，并与滦县站实测蒸发皿蒸发对比作为蒸发输入对垂向混合产流模拟的影响。在研究过程中，收集滦县水文站1980—1989年流量、蒸发资料以及流域内各站点1980—1989年降雨资料，滦县水文站1980—1989年15场洪水资料用于定量分析不同计算时段对水文模拟的影响。

3 成果分析

3.1 不同水文模型在滦河流域运用的对比研究

基于滦县水文站1980—1989年资料，运用不同水文模型进行率定和验证。其中，1981—1986年作为模型的率定期，1987—1989年作为模型的验证期。模型参数及模拟对比结果见表1—2，模拟对比结果如图2所示。

表1 垂向混合产流模型及VIC模型参数值

表2 垂向混合产流模型及VIC模型模拟结果对比

图2 垂向混合产流模型及VIC模型模拟结果对比

由表2可以看出，1980—1989年运用垂向混合产流模型模拟的径流深相对误差均小于运用VIC模型模拟的径流深相对误差，且确定性系数也高于运用VIC模型模拟的确定性系数。由此可见，在相同的降雨条件下，垂向混合产流模型比VIC模型在滦河地区具有更好的适用性，模拟精度要好于运用VIC模型模拟精度，相比于VIC模型垂向混合产流模型需求的数据少，使用起来也较为方便。因此，在滦河地区的水文模拟中推荐使用垂向混合产流模型。由图2中1985和1986年不同水文模型模拟与实测对比结果可以看出，垂向混合产流模型相比于VIC模型，与实测流量更具较好的吻合度。

3.2 不同计算时段对水文模拟的影响研究

通过三次样条插值方法将不同时段的降雨、蒸发以及流量分别转换成时段步长为0.5、1 h的降雨、蒸发以及流量，分别作为垂向混合产流模型的输入，在同一组参数下运用该模型，对比分析不同时段下水文模拟结果，具体结果见表3，如图3所示。

表3 不同计算时段对次洪模拟的影响对比结果

图3 不同计算时段对水文模拟的影响结果对比

从表3可以看出，计算时段为0.5 h的次洪模拟结果总体上要好于计算时段步长为1 h的模拟精度。在垂向混合产流模型率定期，11场洪水里有8场洪水计算时段为0.5h的模拟精度均高于计算时段为1 h的模拟精度，两个计算时段计算的峰现时间差别不大，从模拟的确定性系数来看11场洪水里有7场洪水计算时段为0.5 h的模拟精度都高于计算时段为1 h的模拟精度；在检验期的4场洪水中，同样可以看出，计算时段为0.5 h的模拟精度要高于计算时段为1 h的模拟精度，且峰现时间误差也要好于计算时段为1 h的峰现时间误差。因此，在模型的率定期和检验期，计算时段为0.5 h的模拟效果总体上好于计算时段为1 h的模拟效果。

3.3 不同蒸发输入对水文模拟的影响研究

为定量分析不同蒸发输入对水文模型的影响，分别将实测蒸发皿蒸发和由P-M公式计算的潜在蒸散发作为模型的蒸发输入，进行日模拟的分析计算，计算结果见表4，如图4所示。

表4 不同蒸发输入对水文模拟的影响对比结果

图4 不同蒸发输入对水文模拟的影响结果对比

由表4可以看出，运用P-M公式计算的潜在蒸散发作为水文模型蒸发输入模拟效果要好于运用实测蒸发皿作为模型蒸发输入的模拟结果。运用P-M公式计算的潜在蒸散发模拟的1980—1989年径流深只有2年径流深误差超过20%，少于运用实测蒸发皿蒸发模拟的年径流深相对误差；运用P-M公式计算的潜在蒸散发模拟的径流过程在拟合程度上也要好于运用实测蒸发皿蒸发模拟的径流过程，其确定性系数都高于运用实测蒸发皿蒸发模拟的确定性系数。由此可见，在滦河流域运用P-M公式计算的潜在蒸散发作为模型的蒸发输入可以较好地满足模型模拟要求。

4 结论

笔者以滦河滦县站以上流域作为研究区域，定量对比分析了垂向混合产流模型和VIC模型在研究流域的模拟精度，并定量分析了不同计算时段和蒸发输入对水文模拟的影响，研究结果如下。

（1）垂向混合产流模型比VIC模型在滦河流域具有更好的模拟精度，比VIC模型更适用于滦河流域的水文模拟。

（2）计算时段越短，水文模型模拟的精度越高，计算时段为0.5 h模拟的次洪相对误差和峰现时间要好于计算时段为1 h的次洪模拟。

（3）运用P-M公式计算的潜在蒸散发可作为水文模型的蒸发输入，相比于实测蒸发皿蒸发，其计算的径流深相对误差和确定性系数模拟精度要高。

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[3]王贵作，任立良.基于栅格垂向混合产流机制的分布式水文模型[J].河海大学学报(自然科学版)，2009，(4)：386-390.

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Comparing of the Different Hydrological Models in Luanhe River Basin

QU Hai-chen1，HU Yan-yang2，LIU Xiao-dong1
（1.Xihe Sluice Management Department of Haihe River Lower Reaches Administration Bureau，Tianjin 300380，China；2.Hydrology and Water Resources Management Center of Haihe River Lower Reaches Administration Bureau，Tianjin 300061，China）

Based on the hydrological data during 1980-1989 year in Luanxian hydrological station，the vertical mixed run⁃off model and VIC model were selected to compare the simulation accuracy in Luanhe River Basin.On the basis of runoff simulation results，the effects of different evaporation inputs and different calculation step on runoff simulation were stud⁃ied.The results show that：comparing to the VIC model，the vertical mixed runoff model was more suitable for runoff simu⁃lation in Luanhe river basin，the relative error is less and the certainty factor is higher than VIC model；the runoff simula⁃tion results of 0.5 h step were better than 1h step，regardless of the runoff peak or the process of the flood；the evaporation that was calculated by penman-Monteith method can be as the evaporation input for the hydrological model in Luanhe Riv⁃er Basin，which has a better simulated result than the observed evaporation data.The outputs can provide a valuable refer⁃ence for the study of hydrological modeling and runoff simulation in Luanhe River Basin.

different hydrological models；different evaporation input；different step of rainfall input；simulation accura⁃cy comparison；Luanhe River Basin.

表3 三洼蓄滞洪区典型位置最高洪水位成果m

TV124；P338

A

1004-7328（2015）01-0044-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.016

2014-11-06

屈海晨（1984-），男，助理工程师，主要从事水利工程管理工作。