北洛河流域TOPMODEL模型基流分割定量评估

王萌萌 魏占民 张瑞强

摘 要：为探究水文模拟结果对总径流、地表径流和地下径流（基流）的影响，首先采用Mann-Kendall检验方法识别出头水文站水文序列突变点，然后构建北洛河流域TOPMODEL水文模型，最后采用数字滤波方法分别

对模拟水文过程和实测水文过程进行基流分割，并定量分析水文模型模拟结果对地表径流和地下径流的影响。结果表明：①北洛河流域径流突变年份为1994年;②率定期和验证期纳什效率系数、可决系数和相对误差绝对值分别为0.69与0.63、0.87与0.82以及18.5%与13.4%;③率定期基流指数大于验证期且大于0.75，这意味着北洛河流域基流量对河川径流的补给作用显著;④模型在非汛期径流的模拟精度优于汛期的，能够为非汛期的基流分割提供依据;⑤不同时期基流量水文过程线起伏差异较大，但其形状基本与径流过程线保持一致。

关键词：突变检验;TOPMODEL水文模型;基流分割;北洛河流域

中图分类号：P333   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.004

Abstract： In order to explore the influence of hydrological simulation results to the runoff， surface runoff and underground runoff （basic flow）， the TOPMODEL model of Beiluo River basin was constructed based on the identification of the locations of change points by Mann-Kendall mutation test method in Zhuangtou Hydrological Station. The basic flow segmentation of simulated and measured values by digital filtering method could quantitatively analyze the influence of hydrological model to the surface runoff and underground runoff simulation. The results show that a） the runoff sudden change of Beiluo River basin appeared in 1994. b） Nash efficiency coefficient （NSE）， correlation coefficient （R2） and relative error （Re） are 0.69 and 0.63， 0.87 and 0.82， and 18.5% and 13.4% respectively in the calibration and validation periods. c） Basic flow index （BFI） in the calibration periods is greater than the validation period and is greater than 0.75， which means that the underground runoff in the Beiluo River basin has a significant effect on the recharge of river runoff. d） The simulation accuracy of the model in the non-flood period is better than that in the flood season， which can provide a basis for the non-flood period base flow segmentation. e） The fluctuation degree of basic flow process line varies greatly in different periods， but its shape is basically consistent with the runoff process line.

Key words： mutation test; TOPMODEL hydrological model; basic flow segmentation; Beiluo River basin

1 引 言

河川基流是指由地下水补给河川的水量，是枯水季节河川径流的主要来源，在维持河川生态系统健康中具有重要作用[1]。同时，科学合理地分割流域径流过程，对流域水资源规划、水资源分析计算、水资源配置等具有重要的现实依据和理论基础。此外，在干旱半干旱流域，基流对于维持水源的稳定性与持续性具有重要作用。近年来，国内外学者针对基流分割问题开展了大量研究，并获得了良好成果[2-8]。李瑞等[2]以黄河上游药水河流域为研究对象，采用两种基流分割方法（滑动最小值方法和数字滤波方法）对典型年径流序列进行了基流分割，结果表明滑动最小值方法较数字滤波方法的基流分割值偏小，但均大于全国平均值（0.26）;豆林等[3]采用3种基流分割算法（PART法、数字滤波法和滑动最小值法）对黄土高原区6个子流域的多年径流进行了基流分割，结果表明3种分割方法获取的基流分割值差异显著，其中数字滤波法计算结果与流域实际径流过程相一致;焦玮等[4]以锡林河流域控制站——锡林浩特水文站1963—2012年实测径流量为基础数据，采用数字滤波法、HYSEP法、滑动最小值法以及加里宁法进行了基流分割，并评估其适应性，结果表明不同算法估算的年基流指数差异显著，其中数字滤波算法和HYSEP法计算结果较好，最接近流域地下径流和地表径流过程，且滤波参数取0.85时分割的基流结果最好;黄文等[5]对数字滤波法、滑动最小值法和时间步长法三类共9种基流分割方法在黑河上游的适用性进行了分析，结果表明时间步长法中的局部最小值法最适合在黑河上游流域进行基流分割;高东东等[6]采用不同的基流分割方法，对贡嘎山黄崩溜沟流域的径流过程进行了分割，并对比分析其结果的适应性，得出采用数字滤波法能够得到稳定的基流分割结果，同时丰水期地表径流量相对降水的滞后时间较枯水期短，而基流量相对降水的滞后时间在丰水期、平水期和枯水期差异不明显;Tularam G. A.等[7]采用不同基流分割方法分割基流和地表径流，并以最适合的基流分割方法（指数平滑方法）为例，采用连续损失、比例损失以及体积径流系数3个指标作为基流分割结果评价指标，定量评估基流分割损失，结果表明体积径流系数适用于不同子流域基流分割损失的评估，且体积径流系数的误差对连续损失和比例损失无影响;Zhang J.等[8]运用4种不同非示踪剂基流分离方法，对澳大利亚东部的5个子流域進行了基流分割并对比分析其结果，得出不同模型参数的选取对数字滤波方法基流分割的结果具有显著影响，其中运用自动基流分割方法估算的衰退系数优于特定参数取值，年径流序列绝对偏差平均减小20%，与不同的参数化方案相比，不同非示踪剂基流分离方法之间的差异较小。

流域水文模型是模拟和分析流域水文过程的重要工具，在特定流域构建分布式或概念式水文模型能够较好地反映其水文变化特征[9-10]。杨军军等[9]构建了湟水流域SWAT模型并进行了参数不确定性分析，结果表明构建的SWAT模型对水文过程的模拟精度较高，参数的不确定性是导致模型率定结果精度不一的主要原因;宫兴龙等[10]通过在半干旱区的洮儿河流域建立TOPMODEL模型，模拟了各水文要素的时空变化特征，结果表明由次洪模拟径流相对误差绝对值的平均值为 4.45%、洪峰流量相对误差绝对值的平均值为 5.00%、确定性系数为 0.76，意味着该模型能够在干旱区得到很好的应用。综上可知，数字滤波分割法能够较好地分割基流和地表径流，且不同的水文模型在特定流域均能够较好地反映流域的水文过程，但未从侧面评估水文模型模拟结果对基流分割的影响。本文以干旱半干旱区的北洛河流域为研究对象，为真实反映流域的水文过程特征，以流域控制站——头水文站1960—2010年径流资料为基础数据，采用Mann-Kendell突变检验方法和有序聚类方法识别出径流序列的突变点，其次构建北洛河流域TOPMODEL水文模型，采用遗传算法（GA）对模型参数进行率定并模拟流域近似的水文过程;为了评估模拟值与实测值的差异，采用数字滤波算法对模拟水文过程和实测水文过程进行基流分割，最后定量评估水文模型模拟结果对总径流、地表径流和基流的影响。

2 流域概况

北洛河发源于陕西省定边县白于山南麓的草梁山脉，自西北至东南流入渭河。流域面积约为2.69万km2，流域属于温带半干旱和大陆性季风气候区，四季分明，春季干燥、夏季旱涝相间、秋季湿润、冬季寒冷干燥。降水主要集中在汛期（6—9月），占全年降水量的76%左右，年平均降雨量为440.3 mm，降水空间分布差异显著，自东南向西北递减，年均气温为7.5 ℃。干流全长680 km。流域地理位置及空间分布见图1。

4 结果与分析

4.1 径流突变检验结果

Mann-Kendall方法因对所检验样本不必服从特定的频率分布且不受少量变异值的影响，故被广泛用于降水、径流、蒸发等水文气象序列的突变检验[20]。本文为了划定流域径流的天然期（无人类活动影响）和变异期（人类活动影响），首先采用Mann-Kendall方法对头水文站1960—2010年年径流序列进行突变点检验，结果见图2（a），可知径流突变年份出现在1994年、1996年以及2004年，为了进一步确定突变点位置，使用有序聚类方法对径流序列进行进一步检验，结果见图2（b），可知径流突变年份为1994年。由此可以认为，1994年后北洛河径流受人类活动影响较大，年尺度径流模拟过程受人类活动影响显著，不利于水文模型构建。

4.2 TOPMODEL模型径流模拟结果

4.2.1 子流域地形指数分布特征与模型参数的确定

图3为北洛河流域不同子流域的地形指数—面积分布。由图3可知，各子流域地形指数—面积分布特征差异较小，均呈现出“几”字形，当地形指数值为7.88时，各子流域的面积占比分别为45.30%、42.40%、42.20%、44.90%、46.30%，意味着不同子流域土壤蓄水能力差异不明显，受人类活动影响较小。

依据头水文站径流突变点检测结果（1994 年为突变年），选取 1986—1988年为模型率定期，1989—1990年为模型验证期。采用遗传算法（GA）对模型参数进行率定，各子流域模型参数率定结果见表1（SRmax、SR0分别为根系带最大蓄水量、根系带初始含水量;Td为重力排水的时间滞时系数;Ry为河道汇流的有效速度;CHV为河网宽度函数的有效地表汇流速率）。

4.2.2 模型率定期和验证期模拟结果

表2为北洛河流域模型率定期和验证期适应性评价结果，由表2可知，率定期和验证期纳什效率系数（NSE）、可决系数（R2）和相对误差绝对值（|Re|）分别为0.69与0.63、0.87与0.82、18.5%与13.4%，表明率定期和验证期径流模拟结果较好，能够真实反映流域水文过程，可用于北洛河流域模拟结果对总径流、地表径流和基流影响的定量评估。

由图4可知，率定期和验证期模型模拟值与实测日径流值拟合效果较好，从不同拟合效果可以看出，小流量时模型能够很好地捕捉到流量过程，而大流量时捕捉结果较差，但总体来说径流模拟结果较优。

4.2.3 汛期和非汛期水文过程模拟结果

为了进一步分析年内汛期（6—9月）和非汛期（10月—次年5月）径流模拟的精度，采用数理统计方法对率定期和验证期模拟和实测水文过程进行对比分析，结果见图5。由图5可知，汛期模拟流量的置信區间宽度大于实测流量的，但模拟流量平均值低于实测流量值平均值;非汛期模拟流量置信区间近似于实测流量值且异常值较少，同时平均流量值集中在25.68 m3/s;此外，非汛期无论是模拟值还是实测值其置信区间均小于汛期，意味着非汛期的径流模拟精度高于汛期，这进一步验证了小流量时模型能够很好地捕捉到流量过程，而大流量时捕捉结果较差。

4.3 数字滤波基流分割结果分析

4.3.1 率定期和验证期基流分割结果

依据所构建的北洛河流域TOPMODEL模型径流模拟结果，为了对比分析径流模拟结果，以头水文站1986—1990年实测日径流序列为依据，采用数字滤波方法分别对径流模拟序列和实测径流序列进行基流分割，从而分割出地表径流和地下径流（基流）。此外，选取单一的基流指数（BFI）作为评价指标，对率定期和验证期基流分割结果进行评估，结果见表3。由表3可知，率定期基流指数（BFI）均大于验证期且均大于0.75，这表明北洛河流域地下径流对河道径流的补给作用显著，这也进一步反映了流域降雨过程主要集中在汛期。此外，采用TOPMODEL模型模拟的流量在率定期和验证期均大于实测流量，但总的来说相差微小。

为了深入了解数字滤波方法所得基流分割过程的特点，采用数字滤波算法分别对模拟序列和实测序列的率定期与验证期进行基流分割，结果见图6。由图6可知：①不同时期基流过程线起伏程度差异较大，但其形状基本与径流过程线一致;②模拟序列和实测序列基流分割过程线变化趋势基本一致，但实测序列在汛期的分割过程线更符合流域实际径流过程;③汛期受集中降水作用，率定期和验证期地表径流的增加会导致土壤下渗量增大，基流量也随之增多，其趋势与径流过程相同。

4.3.2 基流分割过程对径流量的影响

图7为对不同时期采用数字滤波算法估算的地表径流和地下径流（基流）的影响量。由图7可知：①率定期模拟径流量大于实测径流量，两者之间的差值流量为1 964.60 m3/s，模拟地表径流量小于实测地表径流量，流量差为632.49 m3/s，模拟基流量大于实测基流量，流量差值为1 332.11 m3/s;②验证期模拟径流量小于实测径流量，模拟地表径流和基流量均小于实测地表径流量和基流量，其流量差值分別为826.91、1 022.73、195.82 m3/s;这主要归因于验证期模型模拟精度较率定期差，进而导致验证期模拟水文过程被低估，进而导致验证期模拟的径流成分（基流、地表径流）较实测水文过程小。总的来说，率定期基流分割效果优于验证期。

5 结 论

（1）通过Mamn-Kendall突变检验和有序聚类方法确定头水文站径流量的突变年份为1994年，在此基础上选取TOPMODEL模型的率定期为1986—1988年，验证期为1989—1990年。

（2）构建的北洛河流域TOPMODEL模型模拟精度较高，率定期和验证期的NSE分别为0.69、0.63，R2分别为0.87、0.82， Re 均小于20%。

（3）非汛期径流模拟精度优于汛期，这为进行基流分割奠定了良好基础。

（4）不同时期基流过程线起伏程度差异较大，但其形状基本与径流过程线一致;率定期模拟径流量和基流量均大于实测径流量，但模拟地表径流量小于实测地表径流量;验证期模拟流量大于实测流量，模拟地表径流和基流量均大于实测地表径流量和基流量，其流量差值分别为826.91、1 022.73、195.82 m3/s。

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【责任编辑 翟戌亮】