屈海晨，胡艷陽，劉曉東

（1.海河下游管理局西河閘管理處，天津300380；2.海河下游管理局水文水資源管理中心，天津300061）

不同水文模型在灤河流域?qū)Ρ冗\(yùn)用研究

屈海晨1，胡艷陽2，劉曉東1

（1.海河下游管理局西河閘管理處，天津300380；2.海河下游管理局水文水資源管理中心，天津300061）

為對比研究不同水文模型在灤河流域的模擬精度，分別選取垂向混合產(chǎn)流模型和VIC模型，以灤河灤縣水文站以上流域?yàn)檠芯苛饔?，基于灤縣水文站1980—1989年水文資料，對比分析不同水文模型的模擬精度，并在此基礎(chǔ)上，定量分析不同蒸發(fā)輸入和不同計(jì)算時(shí)段對水文模型模擬的影響。研究結(jié)果表明：垂向混合產(chǎn)流模型相比于VIC模型，在灤河流域具有更好的適用性，日模擬相對誤差均小于VIC模擬的相對誤差，且確定性系數(shù)均高于VIC模型；時(shí)段步長為0.5 h的次洪模擬，不論是在洪峰峰值模擬還是整個洪峰過程的擬合程度方面模擬精度都要優(yōu)于計(jì)算步長為1 h的次洪模擬；運(yùn)用Penman-Monteith公式計(jì)算的潛在蒸散發(fā)作為垂向混合產(chǎn)流模型蒸發(fā)輸入，模擬的日徑流過程總體上優(yōu)于運(yùn)用實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)作為蒸發(fā)輸入的模擬精度。模型的研究成果可以為灤河流域水文模擬和模型研究提供參考價(jià)值。

不同水文模型；不同蒸發(fā)輸入；不同降雨時(shí)段輸入；模擬精度對比；灤河流域

1 引言

不同水文模型在不同流域都有其適用性，垂向混合產(chǎn)流模型近些年來在我國北方地區(qū)得到了較好的模擬運(yùn)用[1-4]，且取得了良好的模擬效果，但是在灤河流域運(yùn)用研究相對較少。而美國華盛頓大學(xué)研發(fā)的VIC模型近些年來在我國不同流域得到了運(yùn)用[5-7]并取得不錯的研究效果，不過該模型需要大量的流域下墊面數(shù)據(jù)和比較多的模型參數(shù)且不能實(shí)現(xiàn)次洪模擬。相比于VIC模型，垂向混合產(chǎn)流模型需求的數(shù)據(jù)相對較少，且可以運(yùn)用到次洪模擬中。因此，結(jié)合灤河流域?yàn)纯h水文站的水文數(shù)據(jù)，定量分析兩種不同水文模型在灤河流域的模擬效果，在此基礎(chǔ)上，考慮到降雨時(shí)段和蒸發(fā)對于水文模型模擬的影響研究，將不同的計(jì)算時(shí)段（0.5和1 h）降雨、蒸發(fā)作為模型輸入，定量分析不同計(jì)算時(shí)段對模型模擬的精度影響。蒸發(fā)是水文模型的一項(xiàng)重要輸入項(xiàng)，考慮到有的流域缺乏實(shí)測的蒸發(fā)皿蒸發(fā)資料，需要采用計(jì)算的潛在蒸散發(fā)作為模型的蒸發(fā)輸入，因此定量分析不同蒸發(fā)輸入對水文模型模擬的影響對于提高水文預(yù)報(bào)的精確度至關(guān)重要，其研究成果可以為灤河流域水文模型的選取和水文模型模擬精度的提高提供指導(dǎo)。

2 研究區(qū)域概況和研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

選取灤河灤縣水文站以上區(qū)域?yàn)檠芯苛饔?，流域站點(diǎn)如圖1所示。灤河全長885 km，流域面積為4.49× 104km2。灤河流域年均降水量540 mm，屬于半濕潤半干旱區(qū)域，流域年徑流量4.79×109m3。灤河流域?qū)儆诘湫偷臏貛|亞季風(fēng)氣候，冬季由于受到西伯利亞氣團(tuán)的控制，寒冷少雪；而在春季由于受到蒙古大陸性氣團(tuán)的影響，風(fēng)速較大，并造成蒸發(fā)量大，易形成干旱的天氣。灤河流域年均氣溫在1.5～14℃，年均相對濕度50%～70%，年均陸面蒸發(fā)量470 mm。

圖1 灤河灤縣水文站以上流域站點(diǎn)

2.2 研究方法及資料收集

首先，分別運(yùn)用垂向混合產(chǎn)流模型和VIC模型來模擬研究流域的徑流，垂向混合產(chǎn)流模型和VIC模型的具體原理詳見參考文獻(xiàn)[2]和[5]。其次，定量分析不同計(jì)算時(shí)段和蒸發(fā)輸入對垂向混合產(chǎn)流模型模擬的影響，采用三次樣條插值方法將次洪降雨、蒸發(fā)數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換成時(shí)段為1、0.5 h的降雨和蒸發(fā)，然后基于已率定好的同一組參數(shù)，分別計(jì)算和對比兩個時(shí)段（1、0.5 h）對模擬精度的影響。在考慮不同蒸發(fā)輸入對水文模擬的影響時(shí)，選用Penman-Monteith[8]公式（以下簡稱P-M公式）計(jì)算流域潛在蒸散發(fā)，并與灤縣站實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)對比作為蒸發(fā)輸入對垂向混合產(chǎn)流模擬的影響。在研究過程中，收集灤縣水文站1980—1989年流量、蒸發(fā)資料以及流域內(nèi)各站點(diǎn)1980—1989年降雨資料，灤縣水文站1980—1989年15場洪水資料用于定量分析不同計(jì)算時(shí)段對水文模擬的影響。

3 成果分析

3.1 不同水文模型在灤河流域運(yùn)用的對比研究

基于灤縣水文站1980—1989年資料，運(yùn)用不同水文模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。其中，1981—1986年作為模型的率定期，1987—1989年作為模型的驗(yàn)證期。模型參數(shù)及模擬對比結(jié)果見表1—2，模擬對比結(jié)果如圖2所示。

表1 垂向混合產(chǎn)流模型及VIC模型參數(shù)值

表2 垂向混合產(chǎn)流模型及VIC模型模擬結(jié)果對比

圖2 垂向混合產(chǎn)流模型及VIC模型模擬結(jié)果對比

由表2可以看出，1980—1989年運(yùn)用垂向混合產(chǎn)流模型模擬的徑流深相對誤差均小于運(yùn)用VIC模型模擬的徑流深相對誤差，且確定性系數(shù)也高于運(yùn)用VIC模型模擬的確定性系數(shù)。由此可見，在相同的降雨條件下，垂向混合產(chǎn)流模型比VIC模型在灤河地區(qū)具有更好的適用性，模擬精度要好于運(yùn)用VIC模型模擬精度，相比于VIC模型垂向混合產(chǎn)流模型需求的數(shù)據(jù)少，使用起來也較為方便。因此，在灤河地區(qū)的水文模擬中推薦使用垂向混合產(chǎn)流模型。由圖2中1985和1986年不同水文模型模擬與實(shí)測對比結(jié)果可以看出，垂向混合產(chǎn)流模型相比于VIC模型，與實(shí)測流量更具較好的吻合度。

3.2 不同計(jì)算時(shí)段對水文模擬的影響研究

通過三次樣條插值方法將不同時(shí)段的降雨、蒸發(fā)以及流量分別轉(zhuǎn)換成時(shí)段步長為0.5、1 h的降雨、蒸發(fā)以及流量，分別作為垂向混合產(chǎn)流模型的輸入，在同一組參數(shù)下運(yùn)用該模型，對比分析不同時(shí)段下水文模擬結(jié)果，具體結(jié)果見表3，如圖3所示。

表3 不同計(jì)算時(shí)段對次洪模擬的影響對比結(jié)果

圖3 不同計(jì)算時(shí)段對水文模擬的影響結(jié)果對比

從表3可以看出，計(jì)算時(shí)段為0.5 h的次洪模擬結(jié)果總體上要好于計(jì)算時(shí)段步長為1 h的模擬精度。在垂向混合產(chǎn)流模型率定期，11場洪水里有8場洪水計(jì)算時(shí)段為0.5h的模擬精度均高于計(jì)算時(shí)段為1 h的模擬精度，兩個計(jì)算時(shí)段計(jì)算的峰現(xiàn)時(shí)間差別不大，從模擬的確定性系數(shù)來看11場洪水里有7場洪水計(jì)算時(shí)段為0.5 h的模擬精度都高于計(jì)算時(shí)段為1 h的模擬精度；在檢驗(yàn)期的4場洪水中，同樣可以看出，計(jì)算時(shí)段為0.5 h的模擬精度要高于計(jì)算時(shí)段為1 h的模擬精度，且峰現(xiàn)時(shí)間誤差也要好于計(jì)算時(shí)段為1 h的峰現(xiàn)時(shí)間誤差。因此，在模型的率定期和檢驗(yàn)期，計(jì)算時(shí)段為0.5 h的模擬效果總體上好于計(jì)算時(shí)段為1 h的模擬效果。

3.3 不同蒸發(fā)輸入對水文模擬的影響研究

為定量分析不同蒸發(fā)輸入對水文模型的影響，分別將實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)和由P-M公式計(jì)算的潛在蒸散發(fā)作為模型的蒸發(fā)輸入，進(jìn)行日模擬的分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4，如圖4所示。

表4 不同蒸發(fā)輸入對水文模擬的影響對比結(jié)果

圖4 不同蒸發(fā)輸入對水文模擬的影響結(jié)果對比

由表4可以看出，運(yùn)用P-M公式計(jì)算的潛在蒸散發(fā)作為水文模型蒸發(fā)輸入模擬效果要好于運(yùn)用實(shí)測蒸發(fā)皿作為模型蒸發(fā)輸入的模擬結(jié)果。運(yùn)用P-M公式計(jì)算的潛在蒸散發(fā)模擬的1980—1989年徑流深只有2年徑流深誤差超過20%，少于運(yùn)用實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)模擬的年徑流深相對誤差；運(yùn)用P-M公式計(jì)算的潛在蒸散發(fā)模擬的徑流過程在擬合程度上也要好于運(yùn)用實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)模擬的徑流過程，其確定性系數(shù)都高于運(yùn)用實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)模擬的確定性系數(shù)。由此可見，在灤河流域運(yùn)用P-M公式計(jì)算的潛在蒸散發(fā)作為模型的蒸發(fā)輸入可以較好地滿足模型模擬要求。

4 結(jié)論

筆者以灤河灤縣站以上流域作為研究區(qū)域，定量對比分析了垂向混合產(chǎn)流模型和VIC模型在研究流域的模擬精度，并定量分析了不同計(jì)算時(shí)段和蒸發(fā)輸入對水文模擬的影響，研究結(jié)果如下。

（1）垂向混合產(chǎn)流模型比VIC模型在灤河流域具有更好的模擬精度，比VIC模型更適用于灤河流域的水文模擬。

（2）計(jì)算時(shí)段越短，水文模型模擬的精度越高，計(jì)算時(shí)段為0.5 h模擬的次洪相對誤差和峰現(xiàn)時(shí)間要好于計(jì)算時(shí)段為1 h的次洪模擬。

（3）運(yùn)用P-M公式計(jì)算的潛在蒸散發(fā)可作為水文模型的蒸發(fā)輸入，相比于實(shí)測蒸發(fā)皿蒸發(fā)，其計(jì)算的徑流深相對誤差和確定性系數(shù)模擬精度要高。

[1]瞿思敏，包為民，張明，等.新安江模型與垂向混合產(chǎn)流模型的比較[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，(4)：374-377.

[2]包為民，王從良.垂向混合產(chǎn)流模型及應(yīng)用[J].水文，1997，(3)：19-22.

[3]王貴作，任立良.基于柵格垂向混合產(chǎn)流機(jī)制的分布式水文模型[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，(4)：386-390.

[4]王慶平，沈國華，王紅艷.垂向混合產(chǎn)流模型在不同地區(qū)的應(yīng)用與改進(jìn)[J].節(jié)水灌溉，2012，（5）：11-15.

[5]張利平，陳小鳳，張曉琳，等.VIC模型與SWAT模型在中小流域徑流模擬中的對比研究[J].長江流域資源與環(huán)境，2009，（8）：745-752.

[6]胡彩虹，郭生練，彭定志，等.VIC模型在流域徑流模擬中的應(yīng)用[J].人民黃河，2005，（10）：22-24+28.

[7]吳志勇，陸桂華，張建云，等.基于VIC模型的逐日土壤含水量模擬[J].地理科學(xué)，2007，（3）：359-364.

[8]王聲鋒，段愛旺，張展羽.半干旱地區(qū)不同水文年Harg?reaves和P-M公式的對比分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，（7）：29-33.

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 三洼蓄滯洪區(qū)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，助理工程師，主要從事水利工程管理工作。