孫利敏，王祥峰，楊雯

（1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

隨著科技的高速發(fā)展，人們用水文模型來定量化進(jìn)行流域研究變得越來越可行，因此水文模型的發(fā)展和應(yīng)用受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。目前全球的水文模型很多，水文模型的應(yīng)用也很多，但是進(jìn)行水文模型應(yīng)用比較的人卻不是很多。王國(guó)慶等[1]選用六個(gè)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(zhǎng)站進(jìn)行了日和月徑流進(jìn)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(duì)比了兩種模型的模擬結(jié)果；謝帆等[3]應(yīng)用TopModel 和新安江模型在息縣以上流域的次洪進(jìn)行了模擬對(duì)比；江濤等[4]則在東江流域研究了6 個(gè)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(jié)果對(duì)比。因此我們可以看出，目前水文模型的對(duì)比分析做得不是很多，大多采用的是兩個(gè)水文模型的對(duì)比，或者是多個(gè)集總式或者月模型的對(duì)比。本文選用兩個(gè)半分布式水文模型和一個(gè)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(qū)的黃河源區(qū)。

黃河源區(qū)是指唐乃亥水文站以上流域，位于東經(jīng)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(gè)黃河多年平均徑流量的38.15%，為黃河主要產(chǎn)水區(qū)，被形象地稱為“黃河的水塔”。流域地勢(shì)總趨勢(shì)為西高東低，平均海拔大約4000m[5-6]。黃河源區(qū)的流域圖見圖1。

圖1 黃河源區(qū)流域圖

1 模型簡(jiǎn)介

1.1 HBV 模型

HBV(Hydrologiska Byr?ns Vattenbalansavdelning) 模型是一種模擬積雪、融雪、實(shí)際蒸散量、土壤水分儲(chǔ)存、地下水埋深和徑流等機(jī)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(gè)國(guó)家廣泛應(yīng)用，更成為北歐一些國(guó)家徑流研究的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用概念性的方法計(jì)算每個(gè)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(jì)算是在考慮降水和蒸發(fā)共同作用下實(shí)現(xiàn)的。徑流生成是由實(shí)際土壤濕度和降水的非線性方程計(jì)算得到。在每個(gè)子流域尺度上不同流量成分的動(dòng)力通過兩個(gè)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(gè)線性水庫通過一個(gè)常量滲透率來結(jié)合。最后應(yīng)用一個(gè)轉(zhuǎn)化方程來緩和化流量過程。轉(zhuǎn)化方程是一個(gè)包含自由參數(shù)的三角形權(quán)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(chǔ)的半分布式水文模型[9]。它是基于DEM 計(jì)算地形指數(shù)來反映水文響應(yīng)特征。該模型的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而且該模型參數(shù)較少，主要包括產(chǎn)流參數(shù)、匯流參數(shù)、蒸散發(fā)計(jì)算參數(shù)和反映流域特征的參數(shù)，每個(gè)參數(shù)都有具體的物理意義。

該模型以地形指數(shù)計(jì)算為核心，利用地形指數(shù)進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算。流域的產(chǎn)流計(jì)算包括不飽和層水分運(yùn)動(dòng)、飽和層出流（地下徑流）和地面徑流計(jì)算三個(gè)部分。河網(wǎng)的匯流計(jì)算則采用地表徑流滯時(shí)函數(shù)和河道演算函數(shù)。

1.3 新安江模型

新安江模型是河海大學(xué)趙人俊教授1973 年設(shè)計(jì)完成的國(guó)內(nèi)第一個(gè)流域水文模型。最初研制時(shí)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(guó)濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)。流域面積較小時(shí)，模型按集總式結(jié)構(gòu)計(jì)算，而當(dāng)流域面積較大時(shí)，模型將流域劃分為不同的單元進(jìn)行計(jì)算[10-11]。

新安江模型是分散性模型，分為四個(gè)層次進(jìn)行計(jì)算：蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、分水源計(jì)算和匯流計(jì)算，不同層次之間是相互獨(dú)立的。其蒸散發(fā)計(jì)算采用三層模型；產(chǎn)流計(jì)算采用蓄滿產(chǎn)流；分水源計(jì)算采用自由蓄水庫結(jié)構(gòu)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(jì)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(xù)演算或者滯后演算法。模型的主要特點(diǎn)是蓄滿產(chǎn)流和馬斯京根匯流的應(yīng)用[10,12]。

2 模型應(yīng)用

2.1 率定期和檢驗(yàn)期

本文采用黃河源區(qū)1960 年到2005 年進(jìn)行計(jì)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(yàn)期。由于TopModel 和新安江模型是為濕潤(rùn)地區(qū)設(shè)計(jì)的，其不考慮積融雪的過程，而作為典型寒區(qū)的黃河源區(qū)，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(jì)算結(jié)果見表。由表1 中模型率定期和檢驗(yàn)期可以看出：在該地區(qū)，率定期HBV 模型最好，而在檢驗(yàn)期是新安江模型最好?？偟膩碚f在該流域應(yīng)用三個(gè)水文模型得到的結(jié)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(yàn)期

2.2 日過程和年過程對(duì)比

不同模型的日過程和年過程模擬結(jié)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(jié)果相對(duì)偏高，新安江模型的模擬結(jié)果從總體來看還是相對(duì)不錯(cuò)的。從年際變化上看，HBV模型在模擬的初始時(shí)段即在60 年代模擬結(jié)果比其它兩個(gè)模型都好，到80 年代初期TopModel 的模擬結(jié)果很好，到模擬結(jié)束時(shí)的21 世紀(jì)初期HBV 模型的模擬結(jié)果也還不錯(cuò)，其他時(shí)段的是新安江模型的模擬結(jié)果很好。總的來說，可以得到的結(jié)論是：HBV 模型對(duì)于模擬的初始時(shí)段和結(jié)束時(shí)段的模擬結(jié)果相對(duì)較好，TopModel 對(duì)于峰值的模擬較好，而從總體趨勢(shì)上來看，新安江模型的模擬結(jié)果更好。

圖2 不同模型日/年過程模擬結(jié)果對(duì)比

2.3 效率系數(shù)對(duì)比

圖3 所示的是三個(gè)不同模型模擬的每年的效率系數(shù)值。圖中藍(lán)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(diǎn)代表枯水年，綜合分析三個(gè)模型我們可以發(fā)現(xiàn)，模型的模擬能力在枯水年較低，在豐水年最高。而分別對(duì)比每個(gè)模型在各年的模擬能力發(fā)現(xiàn)，其并沒有明顯的趨勢(shì)。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(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，TopModel 對(duì)于枯水年的模擬是較差的。研究時(shí)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(jié)果最差，有幾年的效率系數(shù)甚至出現(xiàn)了負(fù)值的情況。其中有6 年HBV 模型的模擬結(jié)果較好，剩余4 年新安江模型的模擬結(jié)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(jié)果最好，其中有7 年新安江模型的模擬結(jié)果最差，剩余的4 年是TopModel 的模擬結(jié)果最不好。由此可以看出三個(gè)模型HBV 模型對(duì)豐水年的模擬結(jié)果最好，而剩下的兩個(gè)模型對(duì)比而言，TopModel對(duì)豐水年的模擬較新安江模型好。平水年的模擬結(jié)果則是千差萬別，沒有一個(gè)總體的趨勢(shì)。

圖3 不同模型各年效率系數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

綜合上述分析可以得出：三個(gè)模型在黃河源區(qū)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(shè)計(jì)是適用于高寒氣候區(qū)，而新安江模型和TopModel 是適用于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)有關(guān)系。后兩個(gè)模型的計(jì)算過程中，雖然將降水資料進(jìn)行了處理，但是模型對(duì)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(shè)計(jì)之初將DEM 的網(wǎng)格大小限定在30m，由于研究區(qū)域面積較大，故將網(wǎng)格精度降低，此處用的DEM 網(wǎng)格大小為1000m，這勢(shì)必將影響模型模擬結(jié)果。對(duì)于枯水年的模擬，HBV 模型的模擬結(jié)果較好，而TopModel 的模擬結(jié)果較差。而從豐水年上講則是TopModel 的模擬結(jié)果較新安江模型的好。