SIMHYD模型在清涧河流域的应用_王国庆

第28卷第3期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　人　民　黄　河　　　　　　　　　　　　　　　　　　Vol.28,No.3　　2006年3月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　YELLOW　RIVER　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Mar.,2006　　

【水文 泥沙】

SIMHYD模型在清涧河流域的应用

王国庆

1,2

,王军平,荆新爱,李皓冰

322

(1.河海大学水资源环境学院,江南南京200098;2.黄河水利科学研究院,河南郑州450003;

3.山西省水文水资源勘测局,山西太原030001)

摘　要:介绍了SIMHYD降水径流模型的结构及计算原理,利用该模型模拟了黄河中游清涧河流域的月流量过程,结果表明:①SIMHYD模型可以较好地模拟清涧河流域的月流量过程,但对日流量过程的模拟效果相对较差,因此该模型可以在宏观尺度上分析评价该流域水文的变化;②该模型不仅具有结构简单、参数较少的特点,而且考虑了超渗与蓄满两种产流机制,对输入资料要求低,一般流域资料都可以满足其输入需要,因此,模型具有适用范围大、易于推广应用的优点;③模型没有考虑人类活动对水文的可能影响,因此使用模型之前必须做资料的一致性分析,否则很难得到较好的模拟效果。

关　键　词:径流模拟;清涧河流域;SIMHYD模型

中图分类号:P333　　　文献标识码:A　　　文章编号:1379(2006)02　　流域水文模拟技术的发展已有半个世纪的历史。黄河流域产汇流规律复杂、水文现象多变,其水文模拟成为水文学者长期以来面临的难题[1]。利用黄河流域典型支流的资料,检验模拟技术相对成熟、在其他相似流域应用较为成功的水文模型,可为“数字黄河”工程建设提供借鉴。

降水径流模型,该模型的一大优点是考虑了超渗和蓄满两种产流机制。在模型计算过程中,河川径流由地表径流、壤中流和地下径流3种成分组成,模型的计算时段可以是小时、日或者月。模型的输入包括3个部分:逐时段降水量、流域蒸散发能力和实测径流量,流域蒸散发能力通常由实测的潜在水面蒸发代替,实测流量用于参数的优化,有7个参数需要通过优化确定。目前,该模型已在美国、澳大利亚等国的多个湿润、干旱流域中得到了应用[2],模型结构见图1。

模型计算过程:降水首先被地表植被截留,若剩余部分降水超过流域下渗能力,则超过部分形成地表径流,下渗水量分别转化为壤中流、地下水和土壤水。根据地下水储蓄量,按照线性水库出流理论计算基流,基于蓄满产流机制,同时考虑流域空间不均匀的影响,引入土壤含水量线性估算壤中流。最后,线性叠加地表径流、壤中流和基流,得到模拟的河川径流

。

1　清涧河流域概况

清涧河是黄河中游右岸的一级支流,发源于陕西省安塞县,自西向东流经安塞、子长、清涧、延川4县,于延川县土岗乡苏亚河村附近汇入黄河,全长167.8km,流域面积4080km2。清涧河流域水系呈树枝状,左右基本对称。流域内设有子长和延川两水文站,其中延川站是清涧河流域的出口控制站,两站均布设于20世纪50年代,控制面积分别为913、3468km2,约占全流域面积的22.4%和85.0%。

据1955～2002年资料统计,清涧河流域多年平均降水量为470mm,年际变化大,年内分配不均,最大年降水量约为最小年降水量的2.9倍,汛期6～9月份降水量可占年降水量的70%以上。延川站多年平均径流量为1.46亿m3,尽管径流量的年内分配相对缓和,汛期径流量占年值的67%,但径流年际变化甚大,最大年径流量为最小年径流量的4.4倍。

20世纪70年代以来,清涧河流域开展了大规模的水土保持工作。截至1999年,流域内共修建梯田17970hm2,造林83853hm2,种草11206hm2,淤成坝地2731hm2;修建水库5座,总控制面积超过250km2。流域内的这些人类活动在一定程度上改变了下垫面条件,使水文状况发生了一定的变化。

图1　SIMHYD模型结构

　收稿日期:24

　作者简介:王国庆(),山东成武人,高级工程师,博士,主要从事流域水文模拟、环境变化影响等方面的研究。

2　SIMHYD降水径流模型

SIMHYD模型是20世纪70年代提出的一个简单的集总式

30

人　民　黄　河　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006年　

流系数;GW为地下水储蓄量。

(4)水分储蓄量的计算。模型中包括3种水分储蓄,分别为地表植被水分储蓄、土壤湿度和地下水储蓄,其中土壤湿度是最为重要的中间状态变量,在一定程度上决定了壤中流、地

ET1=min(INS,PET)SMS

ET=min(10,POT)

SMSC

POT=PET-ET1

下水补充的计算。根据水平衡原理分别计算3种水分储蓄量。土壤湿度补充量和地下水储蓄补充量计算公式为

SMS

REC=CRAK×(RMO-SRUN)

SMSC

SMF=RMO-SRUN-REC

式中:REC为地下水储蓄补充量;SMF为土壤湿度补充量;CRAK为地下水补充系数。

(1)蒸发损失计算。蒸发损失包括地表植被截留水分蒸发和土壤水分蒸发两部分,其中植被截留水分按蒸发能力的速率大小损耗,而土壤水蒸发则根据土壤含水量和剩余蒸发能力计算。计算公式为

式中:ET1为地表植被截留水分蒸发;ET为土壤水分蒸发;INS为植被截留储蓄量;PET为潜在蒸发能力,一般由实测水面蒸发替代;SMS为土壤湿度;SMSC为土壤蓄水容量;POT为剩余

蒸发能力。

(2)土壤下渗量计算。下渗计算是整个模型计算的核心,假定下渗率与土壤含水量之间具有负幂指数关系,土壤下渗量计算公式为

RMO=min(INF,INR)INF=COEFF×e

SMS

SQ3　清涧河流域的流量模拟

水文模拟一般要求所使用的资料具有良好的一致性。由于1970年之前清涧河流域内人类活动强度相对不大,因此在研究中以1970年为界限,认为流域在1970年以前处于天然状态。

以Nash-Sutcliffe模型效率系数R2做为主目标函数,以平均相对误差Re为次目标函数进行参数率定。一般情况下,R2越接近1,同时Re越接近0,说明模拟效果越好[3]。为消除人为给定模型状态变量初始值的影响,将资料系列的第1年作为预热期,利用预热期后面的资料进行参数率定及径流模拟。

表1给出了清涧河流域的水文特征值及流量模拟效果,由表1可以看出:①SIMHYD模型对月流量具有较好的模拟效果,两站的Nash-Sutcliffe模型效率系数均在65%以上,相对误差也均控制在5%以内;②模型对日流量的模拟效果相对较差,两站的Nash-Sutcliffe模型效率系数都在55%以下,其中对延川站日流量的模拟效率系数只有25.4%,模拟相对误差也较大,两站相对误差超过10%;③对子长站的流量模拟效果好于对延川站的模拟效果。

INR=max[(RAIN+INS-INSC),0]

式中:RMO为土壤下渗量;INF为下渗率;COEFF为最大下渗

损失;SQ为下渗损失指数;INR为扣除植被截流部分的降水;RAIN为时段降水量;INSC为截留储蓄容量参数;INS为截留储蓄量,按照水量平衡计算。

(3)径流成分及模拟径流的计算。模型将河川径流划分为3种组成:地表径流、壤中流和基流,计算公式分别为:

IRUN=INR-RMO

SMS

SRUN=SUB×RMO

SMSC

BAS=K×GW

RUNOFF=IRUN+SRUN+BAS

式中:IRUN为地表径流;SRUN为壤中流;BAS为基流;RUNOFF为模拟的径流量;SUB为壤中流出流系数;K为地下径

表1　清涧河流域两水文站日、月流量模拟

站　名延　川子　长

资料系列1955～1969年1958～1969年

年降水量/

mm514.1536.1

年径流量/

mm

45.151.1

年蒸发量/

mm937.6946.7

日流量模拟效果

Re/%R/%

2

月流量模拟效果

Re/%R2/%67.172.1

-4.5-5.0

25.453.1

-13.8-17.5

　　从清涧河流域月流量实测值和模型计算值的对比图也可以看出:模型计算值与实测值非常接近,二者的相关系数均在0.7以上,点群也集中在1∶1线附近;延川站大流量的模拟误差相对较大,子长站大流量模拟误差虽然相对较小,但模拟的中、大流量普遍小于实测值。

的可能影响,因此使用模型之前必须做资料的一致性分析,否则很难得到较好的模拟效果。

参考文献:

[1]　陈先德.黄河水文[M].郑州:黄河水利出版社,1996.[2]　ChiewFHS,PeelMC,WesternAW.Applicationandtes-tingofthesimplerainfall-runoffmodelSIMHYD[A].Math-ematicalModelsofWatershedHydrology[C].Colorado:Wa-terResourcesPublication,2002.

[3]　NashJE,SutcliffeJ.Riverflowforecastingthroughconceptu-almodels,Part1,Adiscussionofprinciples[J].JournalofHydrology,1970,(10).

4　结　语

SIMHYD模型在清涧河流域的应用结果表明:①SIMHYD模型可以较好地模拟清涧河流域的月流量过程,但对日流量过程的模拟效果相对较差,因此,该模型可以在宏观尺度上分析评价该流域水文的变化;②该模型不仅具有结构简单、参数较少的特点,而且考虑了超渗与蓄满两种产流机制,对输入资料要求低,一般流域资料都可以满足其输入需要,因此,模型具有适用范围大、易于推广应用的优点;③模型没有考虑人类活动对水文

【责任编辑　翟戌亮】