多种水文模型在潘家口水库流域中的应用比较研究

王哲，李涛涛，马金一，高静，燕文明

（1.海河水利委员会水文局，天津300170；2.天津市水利勘测设计院，天津300204；3.河海大学水文水资源学院，江苏南京210098；4.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098）

多种水文模型在潘家口水库流域中的应用比较研究

王哲1，李涛涛2，马金一1，高静3，燕文明4

（1.海河水利委员会水文局，天津300170；2.天津市水利勘测设计院，天津300204；3.河海大学水文水资源学院，江苏南京210098；4.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098）

由于传统水文预报模型的局限性，分别采用新安江模型、TOPMODEL模型及降雨径流相关图，对位于半湿润半干旱地区的潘家口水库流域进行洪水模拟计算并进行适用性分析。结果表明，采用蓄满产流机制的新安江模型及基于地理信息系统的TOPMODEL模型均适用于该流域，在潘家口水库洪水预报中预报精度较高，为海河流域洪水预报方案的建立提供了新的思路和模式，具有一定的理论基础和借鉴意义。

新安江模型；TOPMODEL模型；降雨径流相关图；潘家口水库；洪水模拟

1 引言

近年来，为了模拟降雨径流关系，人们开发了很多降雨径流模型[1]。湿润地区的降雨径流模型发展较为先进，产生了很多成熟的概念性模型以及半分布式的水文模型[2]。海河流域属于半湿润半干旱地区，由于气候变化异常，流域下垫面变化较大，降雨较少导致水文资料缺乏，因此海河流域的洪水预报工作比较艰难。到目前为止，还没有比较完善的高精度的适合海河流域的洪水预报模型，因此难以为流域的抗旱、调水及水利工程优化调度等工作提供良好的技术服务。笔者以潘家口水库流域为例，采用新安江模型、TOPMODEL模型及降雨径流相关图建立洪水预报方案，进行洪水模拟计算和结果比较，分析各个模型在半干旱半湿润地区的适用性，为同类地区洪水预报方案的建立提供了新的思路和模式，具有一定的理论基础和借鉴意义。

2 流域概况

潘家口水库位于河北省迁西县境内滦河干流上，控制流域面积33 700 km2，总库容29.3亿m3。潘家口水库是以向天津、唐山两市工农业供水为主，结合供水发电、兼顾防洪的大型水利枢纽中的骨干工程，按1 000年一遇洪水设计、5 000年一遇洪水校核。受副热带季风影响，流域夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，降雨主要集中在汛期6—9月，多年平均年降雨量为400～700 mm。

本模型研究区域为：滦河上游干流郭家屯站以下，包括干流北岸的伊逊河、武烈河、老牛河、瀑河和南岸的兴洲河、柳河，流域面积为9 839 km2。研究区域内共有30多个雨量站，但分布极不均匀。水文资料采用22场洪水的降雨和流量资料。

3 水文预报模型构建

笔者选取了新安江模型、TOPMODEL模型以及降雨径流相关图共3个水文模型，对研究区域进行洪水模拟计算，根据预报结果对3个模型进行对比分析研究。

3.1 新安江模型

新安江模型为概念性分布式水文模型。根据流域的下垫面分布情况，将流域划分为N个单元流域，分别预报每个单元流域的流量过程并演算到流域出口断面进行叠加，从而得到全流域的预报流量过程[3]。整个流域分为5个子流域，分别是宽城站以上的瀑河流域、李营站以上的柳河流域、下板城以上的老牛河流域、承德站以上的武烈河流域以及各控制站至潘家口库区的区间流域。

模型采用人工优化与自动优化相结合的方法按子流域自然划分成5块独立率定。其具体做法是将5个子流域控制站的实测流量作为输入项，对区间面积进行率定，最后进行5块联调。模拟参数结果，见表1。

表1 新安江模型参数

3.2 TOPMODEL模型

TOPMODEL（Topgraphy Based HydrologicalMod⁃el）是1979年由Beven和Kirkby提出的基于地形的半分布式流域水文模型，其主要特征是模型简单、参数较少。该模型首先用流域的DEM数据来推求地形指数ln（α/tanβ），地形指数一致的单元流域产流与汇流机制相同，属于同一个水文分区。由于考虑了影响径流形成的流域地形、地貌、土壤等多种影响因子且有效地结合了分布式水文模型的物理基础与集中式水文模型计算和参数方面的优点，因此该模型被广泛应用并在应用中不断改进和完善。

根据精度为25×25 km2的流域DEM图，采用Arcview软件对DEM进行预处理，判定流向，将流域划分为5个子流域，分别计算各个子流域的产流，然后采用基于子流域的等流时线汇合法进行汇流计算，求出各个子流域出口处的流量过程，最后采用马斯京根法进行河网汇流演算。模拟参数结果，见表2。

表2TOPMODEL模型参数

3.3 降雨径流相关图

在现代水文预报中，虽然大量使用流域水文模型如新安江模型、萨克门托模型、水箱模型和陕北模型等进行流域降雨径流预报，但是不少生产单位尤其是一些大型水库的管理单位在长期的工作实践中已建立了一套适合于当地实际情况的经验性降雨径流预报方案。利用相关分析的方法，建立降雨量、流域蓄水量或前期影响雨量与径流深之间的相关图，这些相关图反映了流域的产流规律。通过此相关图，可以由降雨计算相应的产流量。此类图一般没有固定的数学模型，被称为经验的降雨径流相关图。

采用洪水资料计算流域的P，Pa及R，并点绘降雨径流相关图。单位线推求时各时段径流深之和应与由实测资料计算的径流量相等，如果不相等，应经过适当的调整使两者相等。潘家口降雨径流相关图，如图1所示。

3.4 模型应用结果比较

根据表3对比分析误差，可以看出各模型率定期和检验期的相对误差差距很大，这主要是由于流量资料的代表性较差。目前水库的入库流量主要是通过水库的观测水位和总出库流量反推求得，常常呈锯齿形波动过程。另外，潘家口以上的承德地区建有大量橡胶坝，汛期发生强降雨时存在人造洪峰现象，因此造成了率定期和检验期的误差放大现象。

从表4可以看出，在率定期新安江模型、TOP⁃MODEL模型的洪峰和径流精度高于降雨径流相关图模型，在检验期TOPMODEL模型比另外2个模型的精度要高。从3个模拟指标来看，3个模型率定期模拟洪水的精度较模拟期下降，TOPMODEL模型的洪峰和径流的误差合格率均大于70%，根据水文情报预报规范，模型预报的精度达到乙级标准，就可以用于洪水预报[4]。这主要是因为TOPMODEL模型考虑了地形指数的变化，从而在下垫面条件变化的洪水计算方面具有应用优势。

图1 潘家口水库降雨径流相关图

表3 各个模型的模拟成果特征值对比（X—新安江模型，T—TOPMODEL，P—降雨径流相关图）

表4 合格率统计

新安江模型的参数率定一般由“日模型”和“次洪模型”两部分构成。其中，“日模型”可为“次洪模型”提供初始状态变量。模型率定过程中，首先通过“日模型”的调试，可率定流域第一、二层次的参数以及第三、四层次的部分参数，如各层土壤含水量、产流面积等。其余参数可通过“次洪模型”进行率定，如自由水蓄量、地面径流消退系数、流域滞时等与水源划分及汇流相关的参数。从模型参数率定的过程来看，新安江模型的径流模拟精度最高，可以用于潘家口水库洪量的预报。

由于新安江模型和TOPMODEL模型的产流机制均属于蓄满产流，因此表明蓄满产流机制在类似于海河流域的半干旱地区的洪水预报中具有一定的适应性。但海河流域的洪水多形成于夏季的雷暴天气，雨强远大于下渗能力，一般在1 h之内便可达到稳定下渗。因此，利用降雨径流相关图进行模拟时，采用时段长为3 h的历史资料便可取得60%以上的预测精度。但是，现在国内多数水文站在采用1 h时段雨量的情况下，降雨径流相关图模型不能完全反映流域的产汇流规律。

4 结语

（1）本文通过Arcview软件对潘家口水库流域进行了流域信息提取，并分别将新安江模型、TOP⁃MODEL模型以及降雨径流相关图应用于流域的洪水模拟计算，采用22场洪水对各个模型进行验证。从模型率定与检验的结果来看，TOPMODEL模型指标的合格率均大于70%，可以作为洪水作业预报方案供选择；新安江模型对于径流量的预报精度较高，比较适合潘家口水库的洪量预报。

（2）研究表明，采用蓄满产流机制的新安江模型及基于地理信息系统的TOPMODEL模型均适用于该流域，在洪水预报过程中取得了较高的预报精度，为海河流域洪水预报方案的建立提供了新的思路和模式，具有一定的理论基础和借鉴意义。

[1]张建云.中国水文预报技术发展的回顾与思考［J］.水科学进展，2010，19（7）:437-441．

[2]杨大文，李翀，倪广恒，等.分布式水文模型在黄河流域的应用［J］.地理学报，2004，59（1）:143-154．

[3]赵人俊.流域水文模拟——新安江模型和陕北模型[M].北京:水利电力出版社，1984:1-20.

[4]SL250—2000，水情预报规范[S].

TV124；P338

A

1004-7328（2016）06-0045-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.014

2016—09—14

国家自然科学基金青年项目（41301531）

王哲（1984—），男，硕士，工程师，主要从事水文水资源管理工作。