怀沙河流域水文情势模拟与分析

摘要：怀沙河是北台上水库入库河流，作为北京市应急水源，其水文情势对首都供水保障有重要影响。运用NAM模型构建了怀沙河降雨径流过程模型，对模型参数进行了率定，模拟结果和实测流量过程能够较好的吻合，模拟精度纳西效率系数为0.642。利用该模型对怀沙河流域局地暴雨洪水过程及洪水的淹没分布情况进行分析后认为，流域出口处的最大流量是30.8 m3/s，与西沟水文站观测的最大流量31.0 m3/s 比较接近。

关键词：NAM模型；降雨；径流；DEM；暴雨

中图分类号：P333.1文献标识码：A文章编号：16721683（2013）03001704

1流域概况

怀沙河全长42.1 km，是北台上水库的入库河流，北台上水库为首都应急水源，2003年开始纳入北京市统一调度，开始向首都供水[1]。怀沙河流域西北高东南低，属于低山丘陵区，山高坡陡、土层脊薄，地形复杂，平均沟壑密度2.7 km/km2，易引起水土流失，海拔高度最高1 600 m，最低81 m。流域包括沙峪、新营、九渡河、四渡河、辛庄、西水峪、西沟7个子流域，主要水系是怀沙河（干流）和怀九河（支流）2条沟道，流域总面积93.9 km2，水土流失面积32.2 km2，占总面积的32%，其中轻度侵蚀面积28.6 km2，中度侵蚀面积36 km2。常住人口2 700人，外来常住人口1 300人，有耕地84 hm2，农民人均年收人过万元，社会粮食总产196.8 t，各种干鲜果品总产857 t[2]。

2 NAM模型简介

降雨径流模型（NAM）最初由丹麦技术大学于1973年提出，后经丹麦水力研究所（简称DHI）逐步完善。1996年在中国-丹麦合作的“长江中游暴雨洪水预报”项目中，引进了DHI的MIKE 11河流预报系统软件，NAM为其中的水文模拟计算部分。NAM是一个集总式的确定性概念模型，它将降雨产流和汇流分为积雪蓄水量（Snow Storage）、地表蓄水量（Surface Storage）、浅层或根区蓄水量（Lower Zone Storage） 和地下水蓄水量（ground water Storage） 4个部分，分别对其进行连续计算，以模拟流域中各种相应的水文过程[35]，见图1。

3流域水文情势模拟与分析

3.1降雨径流过程模拟

（1）NAM模拟范围。流域范围内的产流和降雨是两个相互对应的过程，一次较显著的降雨与河流的一次水位变化过程相对应，也就是与一个流量过程相对应[810]。NAM模型通过给定降雨条件来模拟流域产流，模拟结果除了可以得到地表径流，还可以得到坡面径流、壤中流和基流等[1112]。模型模拟范围见图2，流域面积为93.9 km2，模拟时间为2005年1月-2011年12月。

（2）NAM输入条件。输入条件为沙峪和西沟的降雨量和蒸发量（图3、图4），西沟水文站流量资料作为模型的率定[13]。根据怀沙河流域的流域特征，资料情况和项目要求，降雨径流模型的时间步长设定为 24 h。

（3）模拟结果。图5、图6是怀沙河流域出口控制站位——西沟水文站模拟和实测流量过程对比图，实线为模拟值，点线为实测值，从降雨径流模拟结果可以看出，模型参数得到了较好的率定，模型模拟精度为0.642（纳西效率系数），见表1。

3.2暴雨过程模拟分析

（1）模拟区域空间信息提取。以怀沙河流域西沟水文站上游地区1：10000数字地形图上等高线和高程点数据作为背景地形，采用ArcGIS内插生成DEM，网格大小为40 m×40 m。首先将DEM凹陷区域及平坦区域进行处理，生成无凹陷点的栅格DEM，然后按D8算法计算有效水流方向分布图，按给定的最小水道给养面积阈值确定河流水系[14]。通过对DEM数据进行填凹、计算汇水面积、勾划流域分水线、生成河网等处理，自动提取出怀沙河流域河网，并进行流域河网分级与子流域划分[15]。提取的西沟水文站以上流域地形图及河网图见图7。

模型提取的西沟水文站以上怀沙河流域面积为93.9 km2，为一从西北到东南走向的狭长山区流域，纵向长约14 km，横向宽为3～7 km。流域内西北部为海拔500～1 200 m的山区，东南部为80～500 m的河谷平地。

（2）模型初边条件。水动力学模型计算格网直接采用DEM的正方形网格，网格的边长为40 m。全流域共有网格数为58 731个，模拟区域内相邻网格最大高程差达75 m，糙率采用曼宁系数表达。模型在出口边界两个单元给定一组假设的水位-流量关系。整个计算时间以min计，计算开始时间取为降雨开始时间。降雨过程采用10 min的间隔数据，单位为mm/h。本次模拟共计算12 h，计算区域的径流系数按不同雨区、不同地形确定。

（3）模拟结果。本模型基于2010年8月15日实际的暴雨过程，模拟了怀沙河流域的局地暴雨洪水过程及洪水的淹没分布情况（图9）。流域出口处的最大流量为30.8 m3/s 。怀沙河流域低洼地最大水深接近1.5 m，淹没历时1～3 h。本次主要的淹没范围集中在河道两旁50～200 m内。

洪峰的传播沿河道呈现一种坦化的趋势，九渡河上的Site 5处的最大流量大于其上游的Site 6、Site7，也大于其下游的Site 4、Site1；洪峰历时从上游到下游是愈来愈长。对于九渡河，洪峰出现的时间分别是18∶30（第3.5 h，Site 7）、18∶00（第3.0 h，Site 6）、18∶15（第3.25 h，Site 5）、21∶45（第6.75 h，Site4）；对于出口控制站，洪峰出现的时间是22∶45（第775 h，Site 3）。流域出口处的最大流量是30.8 m3/s，

图8流域“2010.8.15”降雨历时过程

Fig.8The rainfall process in the Huaisha River Watershed

on August 15，2010

与西沟水文站观测的最大流量31.0 m3/s比较接近。

由于缺乏进一步的验证资料，且流域的河道地形、地貌、植被、土壤等资料亦未获取，本次模拟也未对河道进行专门处理，故模拟的结果与实际应该有所出入。但是，本研究构建的基于DEM的快速暴雨洪水分析平台与系统所模拟的结果，为怀沙河流域次暴雨洪水过程提供了一个总体认识，可以对更进一步深入研究该问题提供技术支持。

图9怀沙河流域各控制点洪水流量及水深过程

Fig.9The flood discharges and water depths at all of

the hydrological stations in the Huaisha River Watershed

4结论

（1） 运用NAM模型对怀沙河降雨径流过程进行模拟，从结果可以看出，模拟和实测流量过程能够较好的吻合，模型参数得到了较好的率定，模型模拟精度为0.642（纳西效率系数）。

（2） 通过基于栅格DEM法将流域划分为58 731个大小相同的矩形网格，模拟分析了怀沙河流域局地暴雨洪水过程及洪水的淹没分布情况，模拟结果显示，流域出口处的最大流量是30.8 m3/s，与西沟水文站观测的最大流量31.0 m3/s比较接近。

本次模拟过程所选取的典型小流域基础资料十分缺乏，水情、气象及降雨等资料非常有限，受数值模拟过程中采用的各种概化及简化处理的影响，其模拟精度不是十分理想，需要在今后的工作中，结合最新的水文气象资料，对模型参数的率定与验证开展进一步的工作。

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