0 引言

松花江流域由北源(嫩江)、南源(第二松花江)和松花江干流组成。暴雨是松花江流域洪水形成的主要因素，年内量级大、范围广、持续时间长的大暴雨发生时期多集中在7—8月，占大暴雨总数的84%~88%^[1-2]。因此，可靠的水文预报对于汛期(6—9月)防洪控制具有重要的指导意义。

近年来，概念性水文模型在水文预报中受到了广泛关注，新安江模型、TOPMODEL等基于蓄满产流机制的模型在湿润地区取得了较好的模拟效果^[3-4]。研究^[5-6]表明，在半湿润半干旱地区，降雨时空分布不均，流域下垫面条件复杂，SMAR、SIMHYD等同时考虑蓄满产流和超渗产流两种产流机制的水文模型具有一定的优势。SIMHYD模型是澳大利亚应用最普遍的模型之一，研究内容包括产流量计算、参数率定方法研究、植被及气候改变对径流特征的影响等^[7-10]。在国内，陈晓丹等^[11]认为，SIMHYD模型能够合理地模拟北方地区潮河流域及南方地区汉江流域的月径流；张俊等^[12]选择牧马河等7个不同气候特性流域，利用该模型和三水源新安江模型进行径流模拟，均取得较高精度。同时，SIMHYD模型概念清晰、结构简单，通过日降雨量和日蒸发能力数据模拟日径流，对于降雨径流规律认识具有十分重要的作用。

本文选择SIMHYD模型在松花江流域展开研究，对这一半湿润半干旱地区进行汛期径流模拟，以期为防洪控制、水库调度提供依据。

1 研究区及数据

如图 1所示，松花江全长2 039 km，流域面积56×10⁴ km²，地理位置41°42′00″N—51°38′00″N，119°52′00″E—132°31′00″E。北源嫩江发源于大兴安岭伊勒呼里山中段南侧，河流全长1 370 km；南源第二松花江发源于长白山脉主峰白头山，河流全长958 km。本文选择嫩江上游石灰窑汇水区和第二松花江河源段白山汇水区进行研究，汇水面积分别为17 205 km²和19 000 km²。石灰窑汇水区属于大兴安岭林区，植被覆盖度高，具有典型的大陆性季风气候特点，夏季温暖潮湿，冬季寒冷少雪。白山汇水区位于长白山山地，植被良好，降水较充沛，水源涵养较好。与降雨径流密切相关的水文气象特征指标见表 1。

本文所用降雨、径流和蒸发数据由水利部松辽水利委员会提供。1973年以后嫩江流域开始实施农田灌溉和水利设施建设，河川径流受到人类活动影响^[13]；为保证水文资料的一致性^[14]，本文选择未受人类活动影响的时间序列1963—1972年，该时期可以被认为是天然径流基准期^[15]。对于白山汇水区，本文选择受人类活动影响较小的的时间序列1971—1980年进行研究。

经滑动最小值法^[16]推求石灰窑汇水区和白山汇水区的平均汇流时间(t)分别为3 d和2 d^[17]，且模型中没有考虑流域的河道汇流过程，为使降雨径流资料保持对应关系，径流系列应分别错后降雨系列3 d和2 d。为消除人为给定模型状态变量初始值的影响，资料系列的第一年作为预热期(1963年及1971年)，率定期分别为1964—1968年和1972—1976年，验证期分别为1969—1972年和1977—1980年。

2 SIMHYD模型简介

SIMHYD是一种简单的概念性集总式水文模型，模型结构如图 2所示。降雨经过植被截留(截留水分全部蒸发)，剩余的雨量落到地表面，降雨强度大于入渗能力则形成超渗地表径流，反之渗入包气带。进入包气带的这部分水量，经过土壤的再分配作用，一部分形成壤中流，一部分继续入渗补给地下水，剩余的部分则成为土壤增加的含水量；若土壤含水量达蓄满则形成饱和地面径流，该部分在此模型中也归为壤中流。对于壤中流的计算，假设其与土壤湿润度存在线性关系，土壤湿润度则等于土壤含水量和土壤蓄水能力之比。地下水补充量利用土壤湿润度算出。剩余的水量即为土壤含水量的增加。土壤蒸发量也是土壤湿润度的线性函数，但必须小于潜在蒸发能力。地表径流、壤中流和基流的线性叠加即为河川径流。因此，SIMHYD模型具有以下特点：1) 模型将流域分成截留水库、土壤水库和线性水库3部分；2) 模型考虑了超渗和蓄满2种产流机制，水源划分为超渗地表径流、壤中流和基流，各种径流成分及水分补给计算较为简单，均为线性关系；3) 模型结构简单清晰，物理概念明确，仅有7个参数。

表 2为SIMHYD模型7个参数的初始范围及初始值。其中INSC、COEFF和SMSC这3个参数的初始范围和初始值可以根据经验给出^[18]；其余参数的初始范围和初始值参照模型手册。原则上具有明确物理意义的参数值是不需要率定的，可通过实测、试验、比拟等方法来确定，但由于缺乏流域内水循环诸要素的时空变化值，加上水文要素又十分复杂，因此在实际模拟应用中仍需率定^[19]。

3 SIMHYD模型参数率定 3.1 参数敏感性分析

在模型精度评价中，以Nash-Sutcliffe模型效率系数R²(简称纳什系数)为目标函数，一般情况下，R²越接近于1，说明模拟效果越好^[20]。计算式为

式中：R_i和r_i分别为实测日径流深和模拟日径流深，mm；为实测日平均径流深，mm；n为模拟总天数。

本文对石灰窑和白山汇水区进行参数敏感性分析^[21]，通过单个参数在整个参数范围内变动而引起纳什系数R²的变化程度(图 3)来分析各参数的敏感程度。

单个参数引起纳什系数R²的最大变化量(ΔR_max²)如表 3所示，白山汇水区和石灰窑汇水区的参数敏感性较为一致：SUB、CRAK、K、SMSC这4个参数对应的纳什系数变化较大，为敏感参数；INSC对应的纳什系数变化较小，为相对敏感参数；SQ和COEFF的改变基本没有引起纳什系数的变化，为不敏感参数，这与前人的研究结果较为一致^[10]。

3.2 参数优化

进行参数优选时，根据图 3，不敏感参数取纳什系数最大值时的参数值，敏感参数则多次调整参数变化范围和初值，纳什系数达到最大时的参数解即为所求。石灰窑汇水区和白山汇水区的参数优选结果如表 4所示。

4 模型计算结果

模型在松花江流域的模拟结果如图 4、图 5所示，纳什系数见表 5。

由图 4、图 5及表 5可以得出：石灰窑验证期的纳什系数为0.158，实测径流和模拟径流之间差别较大，模拟效果并不理想；白山验证期的纳什系数为0.729，实测径流和模拟径流过程整体拟合效果较好，但在峰值处模拟不够精确。图 5b显示当径流深小于等于4 mm时，点群能够均匀分布在1:1直线两侧，模拟值与实测值较为接近，当径流深大于4 mm时，模拟值往往小于实测值。

5 模型适应性分析

王国庆等^[22-23]应用SIMHYD模型对黄河中游径流过程进行模拟，结果表明：无定河流域7个子流域验证期日径流模拟纳什系数均小于0.45，月径流模拟纳什系数稍好，但均不超过0.60；清涧河流域月径流模拟纳什系数在0.65以上，日径流纳什系数在0.55以下。结合该模型在黄河流域和松花江流域的计算结果进行对比分析：从时间尺度上看，月尺度降雨径流关系更为密切，模拟效果更好，以日为尺度的白山汇水区的径流模拟也取得了较好的效果；从空间尺度上看，黄河中游及嫩江流域石灰窑汇水区属于半干旱地区，多年平均降水量不足500 mm，第二松花江白山汇水区多年平均降水量752 mm，属于半湿润地区，模型在半湿润地区的模拟效果好于半干旱地区, 且石灰窑汛期降雨年际间差异较大，模型所率定参数为流域平均值，不能很好地反映径流年际间的差异；从径流成分上看，黄河流域风沙区以地下径流为主，其他地区以地表径流为主，松花江上游森林地区，主要以壤中流为主^[24]，暴雨发生时，河网汇流显著，SIMHYD模型模拟存在不足；从模型参数上看，气候及下垫面特征不同的流域参数值不同，参数敏感程度不同，松花江流域SUB、CRAK、K、SMSC 4个参数为敏感参数，在应用中需重点率定。

同时，将该模型与新安江模型在松花江流域的应用^[25]进行对比发现：1) 新安江模型产流计算应用蓄满产流概念，适用于湿润半湿润地区的洪水模拟，SIMHYD模型既考虑蓄满产流，也考虑超渗产流，应用范围更加广泛。2) 新安江模型考虑了产流空间分布的不均匀性，且汇水区雨量测站密度越大，划分单元流域越多，预报的合格率就越高；SIMHYD模型则假定流域下垫面的一致性，只反映各影响因素对径流形成的平均作用，同时忽略了河道汇流过程，在洪峰流量的模拟时存在不足。

6 结论与建议

1) 石灰窑汇水区率定期的纳什系数为0.501，验证期的纳什系数只有0.158，模型应用的适应性较差；白山汇水区率定期的纳什系数为0.777，验证期纳什系数为0.729，模型应用的适应性优良。模型在半湿润地区应用的适应性好于半干旱地区。

2) SIMHYD模型在松花江流域的应用存在一定的优势与不足：该模型同时考虑了蓄满和超渗两种产流机制，结构简单、计算方便、参数较少、对资料的要求较低，易于推广；但该模型没有考虑到产流时空分布不均及河道汇流计算，对于洪峰处的模拟存在较大误差。

3) 该模型在洪峰处模拟误差较大，在应用该模型时，若考虑地形地貌等条件不同导致的模型参数的不同，将流域分成几块，根据降雨分布不均匀影响以及上下不同单元块洪水传播影响，对于每一块再细分几个单元分别进行产汇流计算，最终进行线性叠加到出口站，则可以进一步提高模型精度，对该模型在松花江流域进一步推广具有十分重要的意义。在模型的应用中，应根据降雨径流数据考虑两种产流机制所占的比例，尽可能包括各种水文年份(丰、平、枯水年)，才可得到能够反应研究区实际水文特征的参数。