EasyDHM模型在諾敏河流域的應(yīng)用

孫艷兵，蔡 侃

（1.水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021；2.松遼水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

近年來，洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水生態(tài)環(huán)境惡化，依然是制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。水資源的問題仍然是各項(xiàng)工作中的重點(diǎn)。水文模型作為一種研究水資源問題的重要手段已被廣泛應(yīng)用，在全國的各大流域均有涉及，對水資源的合理調(diào)配和利用發(fā)揮著重要作用。

分布式流域水文模型根據(jù)流域各處氣候信息和下墊面特性，將流域離散為若干個(gè)小單元，在每一個(gè)小單元上采用一組參數(shù)來反映其流域特征，便于從物理機(jī)理上考慮降雨和下墊面條件時(shí)空分布不均勻?qū)α饔虻慕涤陱搅魉a(chǎn)生的影響。EasyDHM(Easy Distributed Hydrological Model)模型是雷曉輝等開發(fā)的一個(gè)分布式水文模型，它集成了多項(xiàng)新技術(shù)，例如基于DEM的快速建模技術(shù)、支持不同時(shí)空尺度的模擬技、自動識別參數(shù)的技術(shù)，功能強(qiáng)大而操作簡便，能夠服務(wù)于實(shí)際水管理業(yè)務(wù)。

1 EasyDHM模型原理

EasyDHM模型可以支持多種空間結(jié)構(gòu)，其水循環(huán)過程模擬的核心模型是采用模塊化和組件式的開發(fā)思想，模型的產(chǎn)流、匯流、蒸發(fā)、地下水等模塊都支持多種算法，這樣就增強(qiáng)了水循環(huán)過程模擬的靈活性與擴(kuò)展性。另外，該模型能夠?qū)?shù)進(jìn)行自動識別，包括參數(shù)的敏感性分析和參數(shù)優(yōu)化模塊。模型提出了“計(jì)算分區(qū)”和“參數(shù)分區(qū)”的概念來解決分布式水文模型在大流域應(yīng)用時(shí)計(jì)算效率低、模型參數(shù)率定困難的問題，從而提高了模型參數(shù)識別的自動化程度和模型率定的效率。

1.1 模型構(gòu)建流程

EasyDHM模型的主要構(gòu)建流程包括5個(gè)方面：資料的收集與整理；子流域的劃分與子流域的加密處理；流域信息參數(shù)的提??；氣象數(shù)據(jù)的空間分布；模型的計(jì)算與參數(shù)的率定。EasyDHM模型構(gòu)建需要的數(shù)據(jù)包括：數(shù)字DEM高程圖，分期土地利用和土壤類型，以及水文氣象數(shù)據(jù)。

流域劃分主要基于DEM的水文分析，包括流向計(jì)算，累積數(shù)計(jì)算，河網(wǎng)提取，子流域劃分等步驟。在數(shù)字河網(wǎng)提取之后，進(jìn)行流域特征參數(shù)的提取，包括河網(wǎng)編碼，子流域加密，等高帶劃分、參數(shù)分區(qū)的劃分和子流域?qū)傩缘慕y(tǒng)計(jì)。子流域的劃分則是采用自主開發(fā)的子流域劃分算法PGSDM（Pfafstetter coding system based General Sub-basin Delineation Method）來完成的，該算法可以高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜流域的子流域劃分工作。

氣象數(shù)據(jù)的空間分布綜合采用相關(guān)距離反比法和泰森多邊形法，將站點(diǎn)的降雨、氣溫、風(fēng)速、濕度等氣象信息分布到子流域的形心上去，并分別進(jìn)行必要的在時(shí)間上和空間上的統(tǒng)計(jì)工作。

模型參數(shù)的敏感性分析和參數(shù)率定則是采用LH-OAT參數(shù)抽樣方法，對模型的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，得出模型參數(shù)的敏感度等級，以便對模型的特性作分析。然后再利用SCE-UA參數(shù)自動率定方法，對敏感參數(shù)進(jìn)行參數(shù)自動率定。

1.2 模型產(chǎn)匯流計(jì)算

EasyDHM模型的產(chǎn)流計(jì)算則是在WetSpa模型的基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)的，簡化了原來WetSpa模型的產(chǎn)流參數(shù)推求方法。EasyDHM模型在垂向上劃分了4層：植被冠層、地表層、土壤層和地下水含水層。降雨先進(jìn)入植被冠層，發(fā)生冠層截留，穿過冠層的水分會進(jìn)入地表層，超滲的水量發(fā)生地表填洼，其他水分入滲進(jìn)入土壤，土壤水滲漏則進(jìn)入地下水含水層。其中地表填洼形成地表徑流，土壤水側(cè)向流出形成壤中流，地下水回歸形成地下徑流，它們之和即為總徑流。植被冠層、地表填洼、土壤水和地下水都會形成蒸發(fā)。

匯流的計(jì)算則是根據(jù)DEM并利用GIS工具，生成數(shù)字河道網(wǎng)，根據(jù)流域地圖對主要河流進(jìn)行修正。搜集河道縱橫斷面及河道控制工程數(shù)據(jù)，根據(jù)具體情況按動力波（Dynamic Wave）模型,運(yùn)動波（Kinematic Wave）模型或者擴(kuò)散波（Diffusive Wave）進(jìn)行一維數(shù)值計(jì)算。

地下水是指儲存在地下飽和區(qū)的水量，其中包括部分流入和流出地下水庫的水量。地下水儲水量是指飽和地下水容量，在自然條件下能夠被開發(fā)利用，可更新代替的水量。為預(yù)測徑流量，需要模擬每個(gè)時(shí)段徑流從地下水到地表徑流的過程。由于對河床狀況了解較少，在小流域的地下水模擬可使用線性水庫的概念，在模型庫容指數(shù)為2時(shí)，使用非線性水庫的方法。地下水公式如下：

式中：QGs（t）為子流域出口平均地下水出流，m3/s；SGs為t時(shí)刻子流域地下水儲水量，mm；m為指數(shù)，m=1為線性水庫，m=2為非線性水庫；cg為考慮子流域面積后的地下水回歸系數(shù)，線性水庫的單位為m2/s，非線性水庫的單位為m-1s-1；對每一個(gè)子流域，其地下水水量平衡表達(dá)式如下：

式中：SGs（t）和 SGs（t-1）分別為 t時(shí)刻和 t-1 時(shí)刻的子流域地下水儲水量，mm；Ns為子流域網(wǎng)格數(shù)；Ai為網(wǎng)格面積，m2；As 為子流域面積，m2；EGs（t）為子流域地下水儲水量的平均蒸發(fā)量，mm；QGs（t）為地下水出流量，m3/s。

模型中，潛在蒸發(fā)和地下水儲水量的深層蒸散發(fā)量的線性方程如下：

式中：EGi（t）為地下水儲水量的平均蒸散發(fā)量，mm；EP為潛在蒸散發(fā)量，mm；cd是一個(gè)變量，由公式SGi（t）/SGs,0計(jì)算得到，EGi（t）為t時(shí)刻子流域的地下水儲水量，mm；SGs,0為子流域地下水儲水量的最大值，mm；在地下水庫方法中，只有地下水回歸系數(shù)和庫容量兩個(gè)地下水參數(shù)，可以通過實(shí)際過程線率定得到。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 流域概況

諾敏河是嫩江干流下游上段右岸最大支流，發(fā)源于大興安嶺東側(cè)特勒庫勒山，由西北向東南流至沙德爾火山后急轉(zhuǎn)向南，該流域以古城子水文站為控制斷面，在古城子水文站下游水流分為兩股匯入嫩江，河流全長466 km，集水面積25966 km2。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備處理

基本原理是根據(jù)水流累計(jì)柵格圖層，給定一個(gè)適當(dāng)?shù)淖钚∷兰娣e閾值，凡是集水面積超過這個(gè)閾值的柵格均標(biāo)定為河網(wǎng)內(nèi)的單元，最后將這些單元連接起來形成流域的河網(wǎng)水系。該研究通過比較，確定最小水道集水面積閾值為50 km2，生成河網(wǎng)水系柵格圖層，其轉(zhuǎn)化成矢量圖層。

首先確定子流域的出口位置。在河網(wǎng)水系提取之后，對河網(wǎng)柵格圖層進(jìn)行河道分段（Steam Segmentation），從而劃定柵格集水區(qū)（Catchment Grid delineation），進(jìn)一步得到匯流點(diǎn)（DrainagePoint），匯流線（DrainageLine）。EasyDHM正是以兩個(gè)河道的交匯點(diǎn)作為子流域出口，從流域總出口沿河道向上游搜索每一河道的上游給水區(qū)，分別對搜索到的上游給水區(qū)邊界，進(jìn)行勾畫就得到了各個(gè)子流域的邊界。子流域劃分過程結(jié)束后，所生成的子流域個(gè)數(shù)和河道數(shù)一致且一一對應(yīng)。在EasyDHM中有上游流域分析功能，能自動找出水文站以上流域的集水面積，以及劃分子流域和等高帶。

表1 古城子參數(shù)率定成果表

率定準(zhǔn)則包括：

1）率定期洪水水量誤差最小。

2）率定期洪峰流量誤差最小。

3）率定期洪峰出現(xiàn)時(shí)間誤差最小。

4）Nash-Sutcliffe效率系數(shù)盡可能高。

此次參數(shù)率定期為1990—2008年，驗(yàn)證期為1984—1989年，水文站所在參數(shù)分區(qū)的率定效果見表1。

3 結(jié)論

通過對諾敏河流域進(jìn)行分布式流域水文模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了該流域的分布式洪水預(yù)報(bào)方案。總體來看，基于分布式水文模型的洪水預(yù)報(bào)方案，整體達(dá)到了乙級以上預(yù)報(bào)水平，局部可以達(dá)到甲級預(yù)報(bào)水平。EasyDHM模型結(jié)構(gòu)清晰，參數(shù)具有物理意義，適用范圍廣，實(shí)用性較強(qiáng)，并得到了精度較高的模擬結(jié)果，為分布式水文模型在實(shí)際的水資源調(diào)配、管理以及洪水預(yù)報(bào)都奠定了基礎(chǔ)。