姚玉梅，劉墨陽，陳 宇，李致家

(1.海河流域水土保持監(jiān)測中心站，天津 300170；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

流域形態(tài)、人類活動等都不同程度影響流域徑流變化。海河流域?qū)儆跍貛|亞季風(fēng)季候區(qū)，降雨量年內(nèi)年際分布不均，降雨量有逐年下降的趨勢[1- 2]。20世紀(jì)80年代以來，由于人類活動影響，海河流域下墊面情況發(fā)生了變化，對徑流及洪水的產(chǎn)生影響明顯[3]。由于水文過程復(fù)雜，水文模型對于水文過程會有不同程度的概化，不同水文模型在同一流域模擬效果不同。

水文循環(huán)現(xiàn)象本身存在復(fù)雜性，在水文模型模擬時，存在各種不確定性。模型輸入、模型參數(shù)、模型結(jié)構(gòu)及實測值等的不確定都會導(dǎo)致水文模型的不確定性。集合預(yù)報是近年來研究的熱點，可以將不同模型的結(jié)果進(jìn)行綜合，并得出更加穩(wěn)定可靠的預(yù)報結(jié)果。

基于多模型集合預(yù)報的日徑流不確定性分析是根據(jù)不同模型結(jié)構(gòu)和空間配置的復(fù)雜性，選擇不同降雨徑流模型，為綜合模型評價提供依據(jù)，使得降雨-徑流關(guān)系中的非自然變化可以最小化，同時確保數(shù)據(jù)可用性、長度和一致性。本文采用基于多模型集合預(yù)報日徑流不確定性分析方法探求HyMod模型、新安江模型、HBV模型及模型的集合預(yù)報在響水堡流域應(yīng)用的可行性。

1 方法介紹

1.1 模型簡介

HyMod模型[4]是由英國學(xué)者M(jìn)oore基于蓄滿產(chǎn)流機(jī)制提出的概念性水文模型，該模型在低流量階段模擬效果優(yōu)于高流量階段，HyMod模型在廣泛區(qū)域以較好的模擬和描述流域徑流隨著降雨的變化及過程特征。

新安江模型[5]是由趙人俊教授提出的概念性模型。當(dāng)流域面積較小時，新安江模型采用集總模型。流域水文模擬采用蓄滿產(chǎn)流機(jī)制；三層蒸散發(fā)計算模式；三水源劃分及坡地、河網(wǎng)匯流兩個階段。

HBV模型[6]是瑞典水文氣象局提出的一種半分布式概念性水文模型，該模型具有原理簡單、易于實現(xiàn)、所需輸入資料和參數(shù)較少以及模擬性能好等優(yōu)點。HBV模型的結(jié)構(gòu)分為蒸散發(fā)模塊、產(chǎn)流模塊、響應(yīng)模塊、路徑模塊和匯流模塊五個模塊。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

選取多目標(biāo)函數(shù)(MOF)[7]與納什效率系數(shù)(NS)，納什效率系數(shù)一般用以驗證水文模型模擬結(jié)果的好壞。采用Robust[8]參數(shù)估算法進(jìn)行優(yōu)化。

MOF=ENS-5|ln(1+B)|2.5

(1)

式中，ENS—納什效率系數(shù)；B—模型的偏差Bias。

(2)

2 流域概況

響水堡位于海河流域永定河支流洋河河北省張家口市下花園區(qū)辛莊子鄉(xiāng)響水鋪村，流域面積14507km2。流域內(nèi)暴雨主要特點是籠罩面積小，強(qiáng)度大、歷時短，多集中在7-8月，多年平均降雨量382.3mm，斷面來水受上游洋河水庫調(diào)節(jié)控制。1974-1991年平均降雨量417.62mm，降雨量呈逐年下降的趨勢，響水堡流域降雨量趨勢變化如圖1所示，根據(jù)張利茹等[9]2017年確定的響水堡流域在1979年左右水文序列發(fā)生突變，確定1974-1978年為率定期，1979-1983年為驗證期。響水堡流域1974-1991年多年平均徑流系數(shù)僅為0.056。

圖1 響水堡流域降雨量趨勢變化圖

3 應(yīng)用結(jié)果

根據(jù)響水堡水文站點歷史資料，本文采用1974—1983年響水堡水文站降雨徑流日數(shù)據(jù)。其中，選取1974—1978年作為率定期，1979—1983年作為驗證期。

3.1 HyMod模型

HyMod模型的參數(shù)主要有土壤最大蓄水量Cmax，土壤含水量的空間變異程度β，高流速水箱滯留因子Rq，低流速水箱滯留因子RS，流量分配系數(shù)α，融雪溫度TT和日融雪系數(shù)DD。HyMod模型參數(shù)可能取值范圍見表1，HyMod模型率定期與驗證期的指標(biāo)評價結(jié)果見表2。HyMod模型對響水堡流域在率定期和驗證期的日徑流量模擬結(jié)果如圖2所示。模擬結(jié)果表明響水堡流域HyMod模型在率定期模擬結(jié)果比驗證期模擬結(jié)果好，在80年代前后，流域下墊面變化較大。

3.2 HBV模型

HBV模型的參數(shù)主要有融雪溫度TT，日融雪系數(shù)DD，蒸散發(fā)折算系數(shù)CEF、土壤田間持水量FC，凋委系數(shù)PWP，蓄水容量曲線函數(shù)β，地表徑流系數(shù)K0，壤中流徑流系數(shù)K1，地下水徑流系數(shù)K2，滲流系數(shù)KD，地表出流閾值HL。HBV模型參數(shù)取值范圍見表3，HBV模型率定期與驗證期的指標(biāo)評價結(jié)果見表4。HBV模型對響水堡流域在率定期和驗證期的日徑流量模擬結(jié)果如圖3所示。模擬結(jié)果表明響水堡流域HBV模型在率定期模擬結(jié)果比驗證期模擬結(jié)果好，在80年代前后，流域下墊面變化較大。

表1 HyMod模型參數(shù)取值范圍

表2 HyMod模型率定期與驗證期的指標(biāo)評價結(jié)果

圖2 HyMod模型日徑流量模擬結(jié)果

表3 HBV模型參數(shù)取值范圍

表4 HBV模型率定期與驗證期的指標(biāo)評價結(jié)果

圖3 HBV模型日徑流量模擬結(jié)果

3.3 新安江模型

新安江模型參數(shù)主要有融雪溫度TT，日融雪系數(shù)DD，蒸散發(fā)折算系數(shù)K，流域蓄水容量分布曲線指數(shù)B，深層散發(fā)系數(shù)C，包氣帶張力水容量WM，上層張力水容量WUM，下層張力水容量WLM，不透水面積比例IM，表層土自由水蓄水容量SM，流域自由水容量分布曲線指數(shù)EX，地下水出流系數(shù)KG，壤中流出流系數(shù)KI，地下水消退系數(shù)CG，壤中流消退系數(shù)CI，河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)CS。新安江模型參數(shù)取值范圍見表5，新安江模型率定期與驗證期的指標(biāo)評價結(jié)果見表6。新安江模型對響水堡流域在率定期和驗證期的日徑流量模擬結(jié)果如圖4所示。模擬結(jié)果新安江模型在率定期模擬結(jié)果優(yōu)于驗證期，在80年代前后，流域下墊面變化較大。

表5 新安江模型參數(shù)取值范圍

表6 新安江模型率定期與驗證期的指標(biāo)評價結(jié)果

3.4 集合預(yù)報模型

將HYMOD模型、新安江模型、HBV模型綜合應(yīng)用于響水堡流域，對率定期的流域進(jìn)行模擬，納什效率系數(shù)分別為HYMOD-HBV模型0.72，HYMOD-新安江模型0.80，新安江-HBV模型0.82。率定期日徑流量集合預(yù)報模型模擬與實測值如圖5所示。

圖4 HyMod模型日徑流量模擬結(jié)果

圖5 率定期日徑流量集合預(yù)報模型模擬與實測值

4 結(jié)語

選用HyMod模型、HBV模型、新安江模型三種水文模型及模型的集合預(yù)報應(yīng)用于響水堡流域，對比分析模型應(yīng)用效果。

(1)20世紀(jì)80年代前，響水堡流域沒有經(jīng)歷過大規(guī)模的人為干擾，模型在率定期模擬結(jié)果均優(yōu)于驗證期，80年代前后響水堡流域下墊面變化較大。

(2)對于響水堡流域，率定期單個模型模擬最佳的水文模型納什效率系數(shù)分別HyMod模型0.67，HBV模型0.72；新安江模型0.84。

(3)將以上三種模型綜合應(yīng)用于響水堡流域納什效率系數(shù)分別為HYMOD-HBV模型0.72，HYMOD-新安江模型0.80，新安江-HBV模型0.82。

(4)HyMod模型、HBV模型、新安江模型及集合模型預(yù)報在響水堡流域80年代前日流量模擬中均有較好的應(yīng)用。