不同流域水文模型在黄河源区的应用比较
时间：2023-04-08 15:30:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孙利敏，王祥峰，杨雯
（1.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017；
2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）
随着科技的高速发展，人们用水文模型来定量化进行流域研究变得越来越可行，因此水文模型的发展和应用受到了众多学者的关注。目前全球的水文模型很多，水文模型的应用也很多，但是进行水文模型应用比较的人却不是很多。王国庆等[1]选用六个集总式流域水文模型（AWBM 模型、SACRAMENTO 模型、TANK 模型、SMAR 模型、SMHYD 模型和YRWBM 模型）在清涧河流域延川站和子长站进行了日和月径流进行模拟；
陈小凤等[2]在湖北省白莲河流域探讨VIC 模型和SWAT 模型在中小尺度的径流模拟的适用性，并对比了两种模型的模拟结果；
谢帆等[3]应用TopModel 和新安江模型在息县以上流域的次洪进行了模拟对比；
江涛等[4]则在东江流域研究了6 个月尺度水文模型（TM 模型、VUB 模型、WM 模型、SM 模型、新安江模型和郭生练模型）在气候变化条件下的模拟结果对比。因此我们可以看出，目前水文模型的对比分析做得不是很多，大多采用的是两个水文模型的对比，或者是多个集总式或者月模型的对比。本文选用两个半分布式水文模型和一个分布式水文模型来作比较，即HBV 模型、TopModel 和新安江水文模型之间的比较。模拟流域选用典型寒区的黄河源区。
黄河源区是指唐乃亥水文站以上流域，位于东经95°50"～103°30"，北纬32°10"～36°05"之间，控制面积12 万km2，占黄河流域面积的15.14%；
多年平均径流量为204.17 亿m3，占整个黄河多年平均径流量的38.15%，为黄河主要产水区，被形象地称为“黄河的水塔”。流域地势总趋势为西高东低，平均海拔大约4000m[5-6]。黄河源区的流域图见图1。
图1 黄河源区流域图
1.1 HBV 模型
HBV(Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning) 模型是一种模拟积雪、融雪、实际蒸散量、土壤水分储存、地下水埋深和径流等机制的概念性半分布式降雨径流模型。HBV 模型于1976 年由SMHI(Swedish Meteorological and Hydrological Institute)研制，模型目前已在30 多个国家广泛应用，更成为北欧一些国家径流研究的标准工具[7]。
HBV 模型按照海拔和土地利用以及其他一些情况可以划分子流域。应用概念性的方法计算每个流域的雪的积累和融化，土壤湿度和径流。降雪过程采用度日法处理。土壤湿度的计算是在考虑降水和蒸发共同作用下实现的。径流生成是由实际土壤湿度和降水的非线性方程计算得到。在每个子流域尺度上不同流量成分的动力通过两个线性水库来概化。上层线性水库模拟的是表层流，而下层线性水库代表了基流。两个线性水库通过一个常量渗透率来结合。最后应用一个转化方程来缓和化流量过程。转化方程是一个包含自由参数的三角形权重方程。流量的汇流过程采用马斯京根法[8]。
1.2 TopModel
TopModel（ToPgraphy based hydrological Model）是1979 年Beven 和Kirkb 提出的一种以地形为基础的半分布式水文模型[9]。它是基于DEM 计算地形指数来反映水文响应特征。该模型的结构相对比较简单，而且该模型参数较少，主要包括产流参数、汇流参数、蒸散发计算参数和反映流域特征的参数，每个参数都有具体的物理意义。
该模型以地形指数计算为核心，利用地形指数进行产流计算。流域的产流计算包括不饱和层水分运动、饱和层出流（地下径流）和地面径流计算三个部分。河网的汇流计算则采用地表径流滞时函数和河道演算函数。
1.3 新安江模型
新安江模型是河海大学赵人俊教授1973 年设计完成的国内第一个流域水文模型。最初研制时是二水源模型，后来又提出了三水源模型，其普遍适用于我国湿润、半湿润地区。流域面积较小时，模型按集总式结构计算，而当流域面积较大时，模型将流域划分为不同的单元进行计算[10-11]。
新安江模型是分散性模型，分为四个层次进行计算：蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算，不同层次之间是相互独立的。其蒸散发计算采用三层模型；
产流计算采用蓄满产流；
分水源计算采用自由蓄水库结构将总的径流划分为地表径流、地下径流和壤中流；
流域的汇流计算采用的是线性水库法或者单位线法；
河道的汇流采用马斯京根分段连续演算或者滞后演算法。模型的主要特点是蓄满产流和马斯京根汇流的应用[10,12]。
2.1 率定期和检验期
本文采用黄河源区1960 年到2005 年进行计算，其中1960 年到1986 年为模型的率定期，1987 年到2005年为模型的检验期。由于TopModel 和新安江模型是为湿润地区设计的，其不考虑积融雪的过程，而作为典型寒区的黄河源区，其积融雪过程是不可避免的。因此此处采用度日法处理降水，将降水划分为降雨和降雪。
不同模型效率计算结果见表。由表1 中模型率定期和检验期可以看出：在该地区，率定期HBV 模型最好，而在检验期是新安江模型最好。总的来说在该流域应用三个水文模型得到的结果都是合理的，其中新安江模型的模拟效果最好，HBV 模型次之，TopModel 的最差。
表1 不同模型的率定期和检验期
2.2 日过程和年过程对比
不同模型的日过程和年过程模拟结果见图2。从图2 中可知HBV 模型的模拟流量值普遍偏低，而Topmodel 的模拟结果相对偏高，新安江模型的模拟结果从总体来看还是相对不错的。从年际变化上看，HBV模型在模拟的初始时段即在60 年代模拟结果比其它两个模型都好，到80 年代初期TopModel 的模拟结果很好，到模拟结束时的21 世纪初期HBV 模型的模拟结果也还不错，其他时段的是新安江模型的模拟结果很好。总的来说，可以得到的结论是：HBV 模型对于模拟的初始时段和结束时段的模拟结果相对较好，TopModel 对于峰值的模拟较好，而从总体趋势上来看，新安江模型的模拟结果更好。
图2 不同模型日/年过程模拟结果对比
2.3 效率系数对比
图3 所示的是三个不同模型模拟的每年的效率系数值。图中蓝色的代表HBV 模型，粉色的代表新安江模型，绿色的代表TopModel，填充斜线的是平水年，横线代表丰水年，点代表枯水年，综合分析三个模型我们可以发现，模型的模拟能力在枯水年较低，在丰水年最高。而分别对比每个模型在各年的模拟能力发现，其并没有明显的趋势。而通过典型年划分而得到的丰水年、平水年和枯水年的模拟情况对比不难发现，TopModel 对于枯水年的模拟是较差的。研究时段的46 年中有10 年是枯水年，在这些枯水年中总是TopModel 模拟结果最差，有几年的效率系数甚至出现了负值的情况。其中有6 年HBV 模型的模拟结果较好，剩余4 年新安江模型的模拟结果较好，说明两者在枯水年的模拟能力是差不多的。11 年的丰水年中，总是HBV 模型的模拟结果最好，其中有7 年新安江模型的模拟结果最差，剩余的4 年是TopModel 的模拟结果最不好。由此可以看出三个模型HBV 模型对丰水年的模拟结果最好，而剩下的两个模型对比而言，TopModel对丰水年的模拟较新安江模型好。平水年的模拟结果则是千差万别，没有一个总体的趋势。
图3 不同模型各年效率系数对比
综合上述分析可以得出：三个模型在黄河源区的模拟能力都可以接受，总体而言HBV 模型的模拟能力最好，新安江模型其次，TopModel 最差。这可能与HBV 模型的设计是适用于高寒气候区，而新安江模型和TopModel 是适用于湿润半湿润地区有关系。后两个模型的计算过程中，虽然将降水资料进行了处理，但是模型对不同气候条件的模拟能力还是存在较大的不同。而且TopModel 在设计之初将DEM 的网格大小限定在30m，由于研究区域面积较大，故将网格精度降低，此处用的DEM 网格大小为1000m，这势必将影响模型模拟结果。对于枯水年的模拟，HBV 模型的模拟结果较好，而TopModel 的模拟结果较差。而从丰水年上讲则是TopModel 的模拟结果较新安江模型的好。
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