基于新安江模型的方便水庫入庫洪水預報方案

曹舒燕

(上海涇欣工程設計咨詢有限公司，上海 虹口 200000)

1 研究背景

水庫洪水預報能夠讓人們及時掌握水庫控制流域內的水情和雨情信息，并根據水、雨情信息對將來水庫的出庫洪水及庫水位等過程進行分析，及時做出安全防護措施。對中小型水庫而言，做好其洪水預報的工作能很大程度上減輕水庫的負擔。由氣象部門提供的預報降雨，提前預報入庫洪水過程，可以提前開閘放水，減少潰壩等問題[1]。由于中小型水庫在以前缺少系統管理，實測水情資料缺乏，且大多位于山丘區，雨量站、水文站等比較少，無法準確對其進行入庫洪水預報[2]。通過水庫洪水預報，可以獲取水庫未來一段時間內的來水總量、洪峰流量和洪峰出現時間等信息[3]。以往水庫在汛期都面臨庫水位超汛限、潰堤等問題，通過水庫洪水預報的來水進行提前防護可以幫助水庫在汛期安全度汛，因此預報結果的可靠性、預見期的有效長度及預報精度的高低直接關系到洪水調度方案的制定與執行。

近幾年，隨著天氣預報系統及洪水預報系統等的不斷改進、完善，可以更加及時準確地預報降雨量、入庫流量、峰現時間等。提前做好精準的洪水預報，及時運用防洪設施做好防洪準備，在較大洪水來之前開閘提前下泄，為未來洪水留出一定的防洪庫容；在洪水不大時，攔蓄一定水量，能夠做好灌溉調度。這樣就充分利用洪水資源，解決了原來水庫防洪與興利之間的矛盾[4～6]。目前，氣象部門發布的降雨預報越來越準確，洪水預報系統根據預報降雨輸出得到較準確的入庫洪水。降雨預報和洪水預報是水庫抗暴雨能力的基礎，做好降雨預報和入庫洪水預報就能更好地計算中小水庫抗暴雨能力，進而做好防洪泄洪準備，盡可能防止水庫超設計洪水位可能引起的潰決，能有效減少洪澇災害帶來的人身安全和經濟損失的威脅[7]。

2 研究區概況

方便水庫位于南京市溧水區東部的低山丘陵區，是秦淮河支流二干河的上游。庫區周邊地形起伏不大，以平原和丘陵山區為主，東蘆山、湫湖山、雙尖山等是庫區周邊主要山體，海拔高度200～270 m，山脊線起伏不大。水庫匯水區域為山丘區，其集水面積為77.1 km2，干流長度為16.86 km，干流比降為0.0023。方便水庫壩頂高程31.70 m，壩頂寬6.60 m，壩長1077 m，水庫溢洪閘為3孔×2.5 m，閘底高程23.00 m，總庫容4900萬m3，設計洪水標準是50年一遇，校核洪水標是千年一遇。

方便水庫位于溧水東北部，所屬秦淮河流域。二干河為秦淮河南源溧水河的主要支流，流域面積254 km2，約占溧水河流域面積680 km2的37.4%、秦淮河流域面積2631 km2的9.7%。二干河從方便水庫起至溧水河，全長26.0 km。二干河流域涉及江寧區、溧水區及句容市，具體見圖2.1，其中：方便水庫～溧水區東屏鎮大仁山附近，河道長度15.46 km，兩岸均屬溧水區東屏鎮；大仁山～茅公渡附近，河道長度2.37 km，兩岸為句容市郭莊鎮；公渡～共和漁場，河道長度8.17 km，河道左岸為溧水區柘塘鎮，右岸為江寧區湖熟鎮。

二干河流域大致呈長邊為西北～東南向矩形狀，長約33 km，寬5～10 km。流域地形總體上位東南部高，向西北方向地勢逐漸降低，最高峰為溧水區東廬山海拔274 m，山丘區約為207.12 km2，占總面積的81.5%，主要分布在流域東南部以及東北、西南兩側的分水嶺附近區域。沿二干河兩側的平原圩區面積共約46.88 km2，占總面積的18.5%，地面高程7.0～10.5 m，主要分布在南山閘以下；南山閘以上河道兩岸地面高程一般在11.1～13.0 m，圩區面積較小，呈零星分布狀，堤防與地面高差不大；和尚橋以上無明顯堤防，屬自然漫溢區域。

3 新安江模型

20世紀60、70年代趙人俊教授帶領其團隊研究并提出了新安江模型[8]，首次將地區產流分為濕潤地區產流和干旱地區產流，認為在濕潤地區主要以蓄滿產流為主，而干旱地區主要以超滲產流為主，推翻了以往傳統的概念性水文模型。新安江模型最先應用于新安江流域[9]，驗證了在濕潤和半濕潤地區的適用性，該模型也從此在國內被廣泛應用。

本文采用三水源的新安江模型，這里的三水源是指徑流分為地表徑流、壤中流和地下徑流[10]。該模型將所研究流域劃分為不透水面積和透水面積，其中不透水面積上產生的徑流為地表徑流，而在透水面積上產生的徑流有地表徑流、壤中流和地下徑流。一般將城市路面、水面等[11]可以直接產流的區域稱為不透水面積，由于不透水面積的產流在中小流域中一般影響不大，故可忽略不計。

由于降雨時空分布不均和下墊面條件不同，故新安江模型將其結構分為蒸散發計算、產流計算、分水源計算和匯流計算4個層次。

表1 新安江模型各層次結構功能、計算采用的方法和相應參數

4 數據收集及分析

降雨、蒸發、水位和出庫流量數據均取于江蘇省水文局實時雨水情數據庫，采用2013～2018年系列數據。降雨是逐小時數據，方便水庫流域面雨量的計算按泰森多邊形的方法來計算。蒸發采用逐日數據，可以將逐日蒸發數據平均至逐小時；出庫流量是溢洪閘的泄流量，由于灌溉流量太小故忽略不計。入庫流量是根據水位庫容曲線推求的，但是反推入庫流量由于水位的上下波動會出現負值、跳動值等，本文采用滑動平均的方法對其進行處理，處理過程保持總水量不變，洪峰值保持不變，使鋸齒處盡可能平滑。

5 次洪分析

根據降雨、水位及反推入庫流量挑選典型場次進行分析。此次洪水場次共選取8場洪水，以降雨量大且水位變化大為原則選擇洪水場次，8場洪水場次累計降雨量介于86.5～251 mm，降雨歷時介于20～68 h。

6 洪水預報率定及驗證

選擇2013～2018年的水文數據資料，入庫流量由出庫流量及庫容曲線反推得到，將其與模擬過程進行對比分析。以2013～2016年作為率定期，2017～2018年作為驗證期。率定結果見表2和圖1。

表2 方便水庫新安江模型參數率定結果

選擇時間段在2013年7月4日～2013年7月10日、2014年7月4日～2014年7月9日、2014年8月31日～2014年9月5日、2015年6月26日～2015年7月4日、2016年6月30日～2017年7月5日和2016年7月5日～2017年7月15日的六場典型洪水進行模擬，模擬結果見圖1。

圖1 洪率定結果

選擇時間段在2017年6月10日～2017年6月15日、2018年8月17日～2018年8月19日、2018年7月5日～2018年7月8日的三場洪水做驗證，其驗證結果見圖2。

圖2 驗證結果

2013～2018年洪水場次模擬誤差統計如表3所示。

表3 2013～2018計算與實測統計

由表3可知，預報流量和由實測出庫流量反推的入庫流量的相對誤差在-9.91%～14.27%，均小于20%；峰現時間差值由表看出都不超過3 h；確定性系數在0.622～0.872之間。此次預報的確定性系數的均值為0.710，模擬精度較高。

6 結論

基于方便水庫流域基本參數構建新安江洪水預報模型，結合水情數據進行模擬、驗證，驗證新安江模型在方便水庫的適用性，得到以下結論：

(1)對實測資料進行模擬、驗證。預報流量和由實測出庫流量反推的入庫流量的相對誤差在-9.91%～14.27%，均小于20%；峰現時間差值由表看出都不超過3 h；確定性系數在0.622～0.872之間。表明新安江模型對流量的模擬精度較高。

(2)模擬的典型洪水場次實測入庫流量和模擬入庫流量平均相對誤差為1.24%，確定性系數的平均值為0.710，模擬精度較高，表明本文構建的新安江模型適用于方便水庫的入庫洪水預報。