基于饱和-超渗-垂向混合多机制对比的拒马河流域上游洪水预报模型优选研究

本文系统比较了中国山洪模型(CNFF)平台集成的三种产流机制模型（新安江饱和产流模型、垂向混合模型和大伙房下渗超渗模型）在拒马河上游流域的洪水预报性能。研究表明，新安江模型在洪峰流量（REQ=6.8%）、径流深（RER=10.7%）和峰现时间（TP=0.47h）等关键指标上均达到A级精度（NSE=0.69），显著优于其他模型，为北方半湿润山区洪水预警提供了优选方案。

　　

1 引言
洪水灾害已成为制约区域可持续发展的关键风险因素。2022年中国因洪灾直接经济损失达1288.99亿元，占自然灾害总损失的54.01%。2021年河南"7·20"特大暴雨（日降水量624.1mm）和2023年海河流域大洪水等极端事件，凸显精准洪水预报的紧迫性。水文模型是洪水预报的核心工具，但不同模型因水文机制和区域气候特征差异而适用性各异。拒马河作为海河流域大清河水系主要支流，其上游具有典型的北方半湿润山区特征——土层浅薄（平均厚度<1m）、基流贡献低（<10%），且近年局地强降雨事件频发（2010-2020年暴雨日数较1961-1990年增加23%），亟需通过多模型对比确定最优预报方案。

2 材料与方法
2.1 研究区概况
拒马河上游控制站紫荆关断面集水面积1868.47km²，年均降水550-650mm（70%集中于6-9月），2023年"7·23"洪水径流系数达0.40，创历史记录。DEM数据来自国家地理信息中心，流域内布设14个雨量站和2个水文站。

2.3 模型评价体系
采用径流深相对误差（RER）、洪峰相对误差（REQ）、峰现时差（TP）和Nash-Sutcliffe效率系数（NSE）四项指标。A级精度标准要求|REQ|≤20%、|TP|≤2h且NSE>0.6。

2.4 模型配置
在CNFF框架下对比三种产流机制模型：

• 新安江模型（XAJ）：采用三层蒸发模块和动态马斯京根法河道演进，代表饱和产流机制
• 垂向混合模型（VMM）：基于Horton下渗曲线，侧重土壤-地下水垂向交换
• 大伙房模型（DHF）：采用抛物线下渗分布，表征超渗产流机制

3 结果
3.2 模拟精度评估
XAJ模型在7场历史洪水中的综合表现最优：

• NSE均值达0.69，较VMM（0.48）和DHF（0.41）提高0.21
• 洪峰预报合格率100%（VMM为86%，DHF仅71%）
• 峰现时差均值仅0.47h，较行业A级标准（±2h）提升76%

3.3 典型洪水事件分析
1963年"8·8"双峰洪水模拟显示，XAJ对第二洪峰的捕捉误差（REQ=8.3%）显著低于VMM（21.5%）和DHF（34.7%）。2012年"7·21"单峰大洪水事件中，XAJ的NSE高达0.82，印证其在强降雨条件下的稳定性。

4 讨论
4.1 新安江模型优势
XAJ的"蓄水容量曲线"能准确刻画浅层土壤快速饱和过程，契合拒马河流域薄层土（厚度<50cm）的水文响应特性。其三层蒸发模块（WUM/WLM/WDM参数）有效表征了北方山区土壤垂向水分运移。

4.3 模型机制局限性
DHF模型在前期干旱情景下会低估初损（如2016年"7·20"洪水峰现延迟3.2h），因其未考虑饱和产流阈值效应。VMM则因过度强调垂向交换（参数F_c/F₀），在强降雨时低估地表径流（如2012年事件低估峰值19%）。

5 结论
本研究证实新安江模型在拒马河上游可达B级业务预报精度（NSE>0.6且REQ<20%），推荐作为该区域主推模型。未来需结合2023年后新发洪水数据验证模型在气候变化下的适应性，并探索多机制耦合建模以应对局地暴雨引发的混合产流现象。