新安江產流和TANK匯流耦合模型在南方濕潤地區的應用

邱文怡，朱永軍，湛忠宇

(江蘇省水文水資源勘測局南京分局，江蘇 南京 210008)

中國水資源[1-3]分布存在著南多北少的特點，在南方濕潤地區，降水偏豐，但是由于南方降雨年內分配不均，雨季易發生洪澇災害，枯水期河道干涸，水資源利用率不高，水資源浪費尤為突出。隨著中國筑壩技術的日臻完善，在流域內合適的位置修建水利工程，合理地分配天然河道的徑流，既能解決雨季洪水泛濫成災的問題，又能擺脫枯水期河道的干涸現象，同時攔蓄的庫水還能滿足灌溉、供水等生活需求。然而有些地區因為徑流資料匱乏或者徑流資料可靠性不高等問題不能為水利工程的修建提供可靠的技術支撐，因此如何解決無資料地區的長系列的徑流問題變得尤為重要。新安江模型是由趙人俊等[4-5]于1973年提出的降雨徑流模型，因其參數物理意義明確，且適用性較好，通過不斷完善，在中國南方濕潤地區廣泛應用。TANK模型[6-7]為日本菅原正巳博士于1961年提出，通過水箱串聯或并聯結構可以很好地模擬降雨徑流關系，因其概念簡單，且彈性較大，在國內廣為使用。因新安江模型參數均具有物理意義，在參數范圍的選擇上具有很大的局限性，但TANK模型為純粹的數學模型，可以很好地適用于計算復雜地區徑流。兩者的結合可以很大程度上既能保證參數的物理意義，又能更好地適用于復雜地區的徑流計算。鑒于此，本文提出了一種基于新安江產流和TANK匯流結合的新型徑流分析方法，并在衢州市銅山源溪進行了實例計算，通過研究計算成果的合理性和精度，探究研究方法在銅山源溪的適用性，以期為南方濕潤無資料地區徑流分析的研究提供新的思路。

1 研究方法

基于新安江產流和TANK匯流的徑流分析方法利用附近水文資料較為豐富且下墊面相似流域，結合新安江產流[8]和“TANK匯流”[9-10]通過優化參數的方式來模擬附近流域實際徑流變化過程，并將優化的參數成果應用到無資料流域得到計算徑流成果。其耦合方式主要是在考慮了下墊面、蒸散發、土壤蓄水能力和前期含水量等因素后運用新安江產流模型得到流域的凈雨，并通過TANK匯流模型將該凈雨按照流域的特征從地表到地下，完成凈雨的進一步分配得到實際的徑流過程。該方法分析計算步驟如下。

a) 選取參證流域。所年選取的參證流域要有相似的下墊面，且要有連續5 a以上的水文觀測資料，如降雨、蒸發、流量等。

b) 參證流域產流分析。選用水文站控制斷面以上的雨量站按照泰森多邊形法則求其面雨量。將面雨量和蒸發量按照新安江模型中產流部分，考慮流域的初期含水量(包含上層、下層和深層含水量)、夏秋和冬春的蒸散發系數、流域上層、中層和深層的蓄水平均容量等各種因素推求流域的產流過程。

c) 參證流域匯流分析。根據產流的成果按照TANK匯流來模擬參證流域的匯流過程，并將水文站控制斷面的匯流徑流成果與實測徑流進行對比分析，通過對TANK匯流中的水箱側孔出流的系數和高度進行優選，以徑流總量、徑流過程的擬合誤差最小為目標得到最優的參數，其中優選的目標函數為：

S=min[∑(Ric-Rir)2]

(1)

|V-U|≤0.001

(2)

式中S——徑流擬合過程，i為天數；Ric——計算徑流深成果；Rir——實際徑流深成果；V——計算徑流系數；U——實測徑流系數。

d) 無資料流域徑流成果確定。考慮本流域的降雨和蒸發，通過參證流域新安江產流和TANK匯流優選分析出的參數，按照產匯流分析方法得到計算的徑流成果。

2 實例分析

銅山源溪是衢江在衢州境內左岸一條較大支流，主流全長45 km，流域面積246.5 km2。銅山源溪流域屬于亞熱帶季風氣候區，溫暖濕潤，四季分明，受季風影響明顯，多年平均降雨量1 918 mm，為典型的南方濕潤地區。銅山源溪上建有銅山源水庫，壩址以上集水面積180 km2，河長27.21 km，河道比降9.70‰，河道平均高程227.9 m。

銅山源溪流域主要設有杜澤、銀坑、溪灘、廟前、銅山源5個雨量站，一個水文站為銅山源水庫站，但是水文站徑流系列較短，可為分析計算成果合理性提供依據。其水系分布及水文測站分布見圖1。

圖1 流域水系及水文測站分布

2.1 參證流域選取

衢江同側銅山源溪鄰近為芝溪流域，流域面積為350 km2，其下墊面與銅山源溪相似，本次選用芝溪流域為銅山源溪流域的參證流域，參證流域中設有嚴村水文站和上坪田、仙洞、赤岸、茶坪雨量站，其中嚴村水文站測流斷面集水面積為180 km2。本次選取1983—1987年共計5年逐日水文系列來優選模型參數。

2.2 新安江產流參數分析

新安江模型是一個概念性分散式降雨徑流模型[11]，主要分為4部分：蒸散發計算、產流計算、水源劃分以及匯流計算。產流模塊[12]主要包括蒸散發計算和產流計算，模型利用3層蒸散發模型[13]計算蒸發量；采用蓄滿產流方法[14]計算產流量。共計12個參數，且每個參數都具有實際的物理意義，每個參數的所屬類別、物理意義和優化結果見表1。本次參證流域芝溪控制斷面選擇為嚴村水文站測流斷面，控制斷面以上流域的面雨量通過上坪田、仙洞、赤岸、茶坪雨量站泰森多邊形求得，蒸發站選擇為衢州站，位于衢江干流上，距離芝溪流域不遠，代表性較好。

表1 新安江產流模型參數及優化取值

2.3 TANK匯流參數分析

TANK模型又稱水箱模型[15-17]，其使用過程中的靈活性和可靠性在長期發展中已經廣泛應用于世界各個國家，是一種典型的概念性降雨徑流流域模型。串聯型結構[18-20]是TANK模型中最常用的一種，該結構特別適用于南方濕潤地區，產流成果通過串聯型結構的水箱再分配實現模擬流域匯流的過程。本次采用的雙層串聯結構水箱模型示意見圖2，通過側孔的出流方式來模擬坡面匯流和壤中流，底孔主要考慮模擬地下基流部分的出流，側孔的個數來模擬不同的坡面匯流和壤中流的種類，出流系數則為滿足不同匯流方式的匯流速度的要求，模型參數優化結果見表2。

a) 坡面匯流和壤中流模擬圖2 TANK匯流模型結構示意

b) 地下徑流模擬續圖2 TANK匯流模型結構示意

表2 TANK匯流模型參數及優化取值

2.4 參證流域計算成果對比分析

通過芝溪流域模型優化參數得到的芝溪流域的徑流數據(1983—1987年)與實測徑流資料對比分析見圖3。

圖3 芝溪流域模型與實測年徑流成果對比

芝溪流域通過新安江產流模型和TANK匯流模型優化得到的徑流深(1983—1987年)和實測年徑流成果基本一致，由圖3中可以看出模型和實測值歷年年徑流深相差均不超過2%，徑流深年際變化規律與實際發生情況一致，可以很好地反映出本年度的豐、平、枯狀況。結合圖4可以看出，模型計算得出的歷年各月的徑流分配變化基本與實測一致，能將年內各月枯水期和汛期的分配很好地體現出來。基于新安江產流和TANK匯流的徑流分析方法以徑流過程的擬合誤差和徑流總量最小為目標優化的最優參數得到的徑流成果在年際變化和年內分配上均與實測變化規律相同，可以很好地反映出芝溪流域的徑流特性。

a) 實測

b) 模型成果圖4 芝溪流域模型和實測徑流歷年逐日情況

2.5 銅山源溪流域徑流成果確定

銅山源溪流域位于芝溪流域附近，且下墊面相似，通過將參證流域芝溪流域產、匯流的優化參數結合銅山源溪流域的逐日降雨和逐日蒸發 (水文資料系列長度為1962—2017年)應用到銅山源溪流域，分析得到銅山源溪的計算徑流成果。

由圖5、6可以看出，銅山源溪流域的年徑流深在1962—2017年中，既有連續豐水年，如1992—1995年、1997—1999年，也包含連續枯水年，如1978—1982年、1963—1968年，同時也包含豐枯交替年份，如1973—1978、1985—1990、2008—2014年，與該地區各年份的豐、平、枯實際情況一致。由圖7分析，銅山源溪流域的年內月分配占比可以看出，年內的主汛期主要在4—7月，10月至次年2月水量偏枯，其年內分配與該地區主要受梅雨控制的規律也一致。

圖5 銅山源溪流域年徑流深差積曲線

圖6 銅山源溪流域長系列年徑流深變化(1962—2017年)

2.6 銅山源溪徑流合理性分析及方法評價

銅山源溪上現建有銅山源水庫，設有水文站，但是建站后測流較晚，資料系列較短，但可為新安江產流和TANK匯流得到的徑流計算成果的合理性提供參考，銅山源水文站目前有2005—2016年共計12 年實測徑流資料。統計12年徑流成果顯示，銅山源溪多年平均徑流深為1 138 mm，選取2005—2016年計算徑流成果，銅山源溪多年平均徑流深為1 121.9 mm，誤差不到2%。由圖8可知，2005—2016年計算和實測徑流成果變化規律保持一致，計算成果表現出較高的精度。

圖8 銅山源溪徑流實測和計算對比

綜合銅山源溪流域的年際變化規律和年內月分配規律和與部分年份的實測徑流成果對比分析，認為本次銅山源溪流域徑流計算的成果是合理的。

新安江產流和TANK匯流模型結合了新安江和TANK 2種徑流計算分析方法的優點，計算時既能夠保證了產流部分的參數被賦予的物理意義，同時在匯流的時候通過TANK水箱的不同連接形式可以增大計算參數選擇的彈性，從而使得計算成果能更好地擬合實際。雖然在匯流部分參數概念較為簡單，數學概念較強，可物理意義并不明確，但這種新安江產流和TANK匯流相結合的研究方式可以很大程度上增加了計算分析的靈活性和可操作性。

3 結語

本文提出了基于新安江產流和TANK匯流的徑流計算分析方法，并在銅山源溪流域進行了驗證計算分析，該流域在4—7月主汛期期間，其徑流量占全年的58.9%，多年平均徑流深為1 198 mm，經與銅山源水文站實測12年徑流成果對比分析，認為計算成果是合理的。基于新安江產流和TANK匯流的徑流計算分析方法既滿足了成果合理性的需要，又能補齊地區水文資料匱乏的短板，在降水豐沛或地區水文環境較差地區均具有較好的可操作性。