不同流域水文模型在黃河源區的應用比較

孫利敏，王祥峰，楊雯

（1.四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

隨著科技的高速發展，人們用水文模型來定量化進行流域研究變得越來越可行，因此水文模型的發展和應用受到了眾多學者的關注。目前全球的水文模型很多，水文模型的應用也很多，但是進行水文模型應用比較的人卻不是很多。王國慶等[1]選用六個集總式流域水文模型（AWBM 模型、SACRAMENTO 模型、TANK 模型、SMAR 模型、SMHYD 模型和YRWBM 模型）在清澗河流域延川站和子長站進行了日和月徑流進行模擬；陳小鳳等[2]在湖北省白蓮河流域探討VIC 模型和SWAT 模型在中小尺度的徑流模擬的適用性，并對比了兩種模型的模擬結果；謝帆等[3]應用TopModel 和新安江模型在息縣以上流域的次洪進行了模擬對比；江濤等[4]則在東江流域研究了6 個月尺度水文模型（TM 模型、VUB 模型、WM 模型、SM 模型、新安江模型和郭生練模型）在氣候變化條件下的模擬結果對比。因此我們可以看出，目前水文模型的對比分析做得不是很多，大多采用的是兩個水文模型的對比，或者是多個集總式或者月模型的對比。本文選用兩個半分布式水文模型和一個分布式水文模型來作比較，即HBV 模型、TopModel 和新安江水文模型之間的比較。模擬流域選用典型寒區的黃河源區。

黃河源區是指唐乃亥水文站以上流域，位于東經95°50'～103°30'，北緯32°10'～36°05'之間，控制面積12 萬km2，占黃河流域面積的15.14%；多年平均徑流量為204.17 億m3，占整個黃河多年平均徑流量的38.15%，為黃河主要產水區，被形象地稱為“黃河的水塔”。流域地勢總趨勢為西高東低，平均海拔大約4000m[5-6]。黃河源區的流域圖見圖1。

圖1 黃河源區流域圖

1 模型簡介

1.1 HBV 模型

HBV(Hydrologiska Byr?ns Vattenbalansavdelning) 模型是一種模擬積雪、融雪、實際蒸散量、土壤水分儲存、地下水埋深和徑流等機制的概念性半分布式降雨徑流模型。HBV 模型于1976 年由SMHI(Swedish Meteorological and Hydrological Institute)研制，模型目前已在30 多個國家廣泛應用，更成為北歐一些國家徑流研究的標準工具[7]。

HBV 模型按照海拔和土地利用以及其他一些情況可以劃分子流域。應用概念性的方法計算每個流域的雪的積累和融化，土壤濕度和徑流。降雪過程采用度日法處理。土壤濕度的計算是在考慮降水和蒸發共同作用下實現的。徑流生成是由實際土壤濕度和降水的非線性方程計算得到。在每個子流域尺度上不同流量成分的動力通過兩個線性水庫來概化。上層線性水庫模擬的是表層流，而下層線性水庫代表了基流。兩個線性水庫通過一個常量滲透率來結合。最后應用一個轉化方程來緩和化流量過程。轉化方程是一個包含自由參數的三角形權重方程。流量的匯流過程采用馬斯京根法[8]。

1.2 TopModel

TopModel（ToPgraphy based hydrological Model）是1979 年Beven 和Kirkb 提出的一種以地形為基礎的半分布式水文模型[9]。它是基于DEM 計算地形指數來反映水文響應特征。該模型的結構相對比較簡單，而且該模型參數較少，主要包括產流參數、匯流參數、蒸散發計算參數和反映流域特征的參數，每個參數都有具體的物理意義。

該模型以地形指數計算為核心，利用地形指數進行產流計算。流域的產流計算包括不飽和層水分運動、飽和層出流（地下徑流）和地面徑流計算三個部分。河網的匯流計算則采用地表徑流滯時函數和河道演算函數。

1.3 新安江模型

新安江模型是河海大學趙人俊教授1973 年設計完成的國內第一個流域水文模型。最初研制時是二水源模型，后來又提出了三水源模型，其普遍適用于我國濕潤、半濕潤地區。流域面積較小時，模型按集總式結構計算，而當流域面積較大時，模型將流域劃分為不同的單元進行計算[10-11]。

新安江模型是分散性模型，分為四個層次進行計算：蒸散發計算、產流計算、分水源計算和匯流計算，不同層次之間是相互獨立的。其蒸散發計算采用三層模型；產流計算采用蓄滿產流；分水源計算采用自由蓄水庫結構將總的徑流劃分為地表徑流、地下徑流和壤中流；流域的匯流計算采用的是線性水庫法或者單位線法；河道的匯流采用馬斯京根分段連續演算或者滯后演算法。模型的主要特點是蓄滿產流和馬斯京根匯流的應用[10,12]。

2 模型應用

2.1 率定期和檢驗期

本文采用黃河源區1960 年到2005 年進行計算，其中1960 年到1986 年為模型的率定期，1987 年到2005年為模型的檢驗期。由于TopModel 和新安江模型是為濕潤地區設計的，其不考慮積融雪的過程，而作為典型寒區的黃河源區，其積融雪過程是不可避免的。因此此處采用度日法處理降水，將降水劃分為降雨和降雪。

不同模型效率計算結果見表。由表1 中模型率定期和檢驗期可以看出：在該地區，率定期HBV 模型最好，而在檢驗期是新安江模型最好?？偟膩碚f在該流域應用三個水文模型得到的結果都是合理的，其中新安江模型的模擬效果最好，HBV 模型次之，TopModel 的最差。

表1 不同模型的率定期和檢驗期

2.2 日過程和年過程對比

不同模型的日過程和年過程模擬結果見圖2。從圖2 中可知HBV 模型的模擬流量值普遍偏低，而Topmodel 的模擬結果相對偏高，新安江模型的模擬結果從總體來看還是相對不錯的。從年際變化上看，HBV模型在模擬的初始時段即在60 年代模擬結果比其它兩個模型都好，到80 年代初期TopModel 的模擬結果很好，到模擬結束時的21 世紀初期HBV 模型的模擬結果也還不錯，其他時段的是新安江模型的模擬結果很好?？偟膩碚f，可以得到的結論是：HBV 模型對于模擬的初始時段和結束時段的模擬結果相對較好，TopModel 對于峰值的模擬較好，而從總體趨勢上來看，新安江模型的模擬結果更好。

圖2 不同模型日/年過程模擬結果對比

2.3 效率系數對比

圖3 所示的是三個不同模型模擬的每年的效率系數值。圖中藍色的代表HBV 模型，粉色的代表新安江模型，綠色的代表TopModel，填充斜線的是平水年，橫線代表豐水年，點代表枯水年，綜合分析三個模型我們可以發現，模型的模擬能力在枯水年較低，在豐水年最高。而分別對比每個模型在各年的模擬能力發現，其并沒有明顯的趨勢。而通過典型年劃分而得到的豐水年、平水年和枯水年的模擬情況對比不難發現，TopModel 對于枯水年的模擬是較差的。研究時段的46 年中有10 年是枯水年，在這些枯水年中總是TopModel 模擬結果最差，有幾年的效率系數甚至出現了負值的情況。其中有6 年HBV 模型的模擬結果較好，剩余4 年新安江模型的模擬結果較好，說明兩者在枯水年的模擬能力是差不多的。11 年的豐水年中，總是HBV 模型的模擬結果最好，其中有7 年新安江模型的模擬結果最差，剩余的4 年是TopModel 的模擬結果最不好。由此可以看出三個模型HBV 模型對豐水年的模擬結果最好，而剩下的兩個模型對比而言，TopModel對豐水年的模擬較新安江模型好。平水年的模擬結果則是千差萬別，沒有一個總體的趨勢。

圖3 不同模型各年效率系數對比

3 結論

綜合上述分析可以得出：三個模型在黃河源區的模擬能力都可以接受，總體而言HBV 模型的模擬能力最好，新安江模型其次，TopModel 最差。這可能與HBV 模型的設計是適用于高寒氣候區，而新安江模型和TopModel 是適用于濕潤半濕潤地區有關系。后兩個模型的計算過程中，雖然將降水資料進行了處理，但是模型對不同氣候條件的模擬能力還是存在較大的不同。而且TopModel 在設計之初將DEM 的網格大小限定在30m，由于研究區域面積較大，故將網格精度降低，此處用的DEM 網格大小為1000m，這勢必將影響模型模擬結果。對于枯水年的模擬，HBV 模型的模擬結果較好，而TopModel 的模擬結果較差。而從豐水年上講則是TopModel 的模擬結果較新安江模型的好。