新安江三水源模型在長(zhǎng)槍鋪水文站洪水預(yù)報(bào)的應(yīng)用

沈桂環(huán)，馬 政，楊 飛

(安康水文水資源勘測(cè)中心，陜西 安康 725000)

新安江模型是國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟、影響力較大的水文模型。它是分散型水文模型，把流域分成多塊，對(duì)每塊分別計(jì)算產(chǎn)匯流，最后求出流量過(guò)程，實(shí)用于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)。本文以中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)采用新安江三水源模型成功編制了月河長(zhǎng)槍鋪站洪水預(yù)報(bào)方案，極大地提升了預(yù)報(bào)精度與時(shí)效性。

1 流域基本情況

月河發(fā)源于漢陰縣鳳凰山鐵瓦殿，為漢江一級(jí)支流，自西向東流經(jīng)漢陰、漢濱兩縣區(qū)，在漢濱區(qū)建民鎮(zhèn)紅蓮村匯入漢江，河流全長(zhǎng)114 km，流域面積2830 km2，河槽平均比降3.29‰。月河流域水系呈扇形不對(duì)稱分布，主要支流觀音河、洞河、恒河、付家河等均分布在北(左)岸,這4條主要支流均發(fā)源于秦嶺山脈，坡陡流短，比降大，暴雨徑流形成時(shí)間短，右岸為鳳凰山，山洪溝遍布，溝短且比降極大，一有較大強(qiáng)度降雨極易產(chǎn)生山洪，直入月河。月河流域?yàn)楸眮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量842 mm，山區(qū)降雨多于川道。汛期5月～10月降水量占全年總量的80%左右，產(chǎn)流以蓄滿產(chǎn)流為主，6月～9月4個(gè)月徑流量占全年的50%～60%。月河下游設(shè)有長(zhǎng)槍鋪水文站，該站設(shè)立于1959年12月，控制流域面積2814 km2，多年平均徑流量8.36億m3，徑流深為297 mm，建站以來(lái)最大洪峰流量3210 m3/s，出現(xiàn)在1983年7月31日，實(shí)測(cè)最大流速4.69 m/s；降雨洪水主要集中在7月～9月，多年平均徑流量8.40億m3,輸沙量140萬(wàn)t。

2 模型結(jié)構(gòu)與原理

2.1 模型基本結(jié)構(gòu)

中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是由水利部水文信息中心(水利部水文水資源監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心)主持，有關(guān)科研院所、大專(zhuān)院校、生產(chǎn)單位共同參與開(kāi)發(fā)的一套先進(jìn)實(shí)用的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，系統(tǒng)提供多個(gè)洪水預(yù)報(bào)模型。平臺(tái)除了具備模型參數(shù)調(diào)試列表外，還增加了子流域分段數(shù)參數(shù)、場(chǎng)次洪水狀態(tài)變量參數(shù)率定、預(yù)報(bào)降水輸入等功能。其中新安江模型是洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)預(yù)報(bào)模型之一，其主要由蒸散發(fā)、產(chǎn)流、分水源和匯流四個(gè)模塊組成，基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 新安江模型三水源基本結(jié)構(gòu)流程圖

2.2 相關(guān)原理

新安江三水源采用蓄滿產(chǎn)流概念，即一次降雨過(guò)程中，包氣帶達(dá)到田間持水量時(shí)才產(chǎn)流。產(chǎn)流后，超滲部分為地面徑流，下滲部分為壤中流和地下徑流。模型由蓄滿產(chǎn)流模塊、流域蒸散發(fā)模塊和水源劃分模塊、匯流模塊四部分構(gòu)成。

1)產(chǎn)流模塊。蓄滿產(chǎn)流由以下公式組成：

R=PE-(Wm-W0)

式中：b為拋物線型流域蓄水容量曲線方程的指數(shù)。

蓄滿產(chǎn)流模型中的變量是PE、W0和R，需要確定的參數(shù)只有Wm和b。

蓄滿產(chǎn)流模型計(jì)算產(chǎn)流量時(shí)，需要涉及流域蒸散發(fā)量的計(jì)算。流域蒸散發(fā)模型是為了配合蓄滿產(chǎn)流模型使用的，流域蒸散發(fā)計(jì)算的目的是確定流域土壤蓄水量。

2)流域蒸散模塊。蒸散發(fā)的含義與測(cè)站蒸發(fā)器所觀測(cè)的定點(diǎn)小面積蒸發(fā)量是不同的，它與蒸散發(fā)能力和土壤蓄水量有關(guān)。流域蒸散發(fā)能力可以用測(cè)站蒸發(fā)器觀測(cè)數(shù)據(jù)換算。在方案中采用恒口站多年平均月蒸發(fā)量計(jì)算；

方案中流域蒸散發(fā)模型采用三層模型計(jì)算，即將土壤包氣帶劃分為上層、下層和深層，Wm=UM+LM+DM。三層蒸散發(fā)模型的參數(shù)為上層蓄水容量UM、下層蓄水容量LM、深層蒸散發(fā)系數(shù)C、蒸散發(fā)折算系數(shù)K。流域蒸散發(fā)模型計(jì)算公式如下：

當(dāng)P+WU>K×EM時(shí)，EU=K×EM

P+WU≤K×EM時(shí)，EU=WU+P

當(dāng)EL

則取EL=C×(K×EM-EU)

若WL

則EL=WL

ED=C×(K×EM-EU)-EL

式中：EM為測(cè)站蒸發(fā)器觀測(cè)蒸發(fā)量，mm；WU、WL分別為土壤上層、下層實(shí)有蓄水量，mm；EU、EL、ED分別為土壤上層、下層、深層蒸發(fā)量，mm。

根據(jù)以上公式計(jì)算，總的蒸發(fā)量E=EU+EL+ED。

③分水源模塊。新安江三水源模型將水源分為三種：地表徑流、壤中流和地下徑流。分水源模型的參數(shù)有表層土自由水蓄水容量SM、自由水蓄水量對(duì)地下水的出流系數(shù)KG、自由水蓄水量對(duì)壤中流的出流系數(shù)KI。計(jì)算公式如下：

當(dāng)S+R≤SM時(shí)RS=0

RI=(S+R)×KI×FR

RG=(S+R)×KG×FR

當(dāng)S+R>SM時(shí)RS=(S+R-SM)×FR

RI=SM×KI×FR

RG=SM×KG×FR

式中：S為自由水蓄水庫(kù)實(shí)時(shí)蓄水量，mm；RS、RI、RG分別為地表水、壤中流、地下水出流量，mm；FR為產(chǎn)流面積比。

由于在產(chǎn)流面積FR上的自由水的蓄水容量不是均勻的，也要用拋物線蓄水容量曲線來(lái)考慮它的分布，為此引入EX的指數(shù)。

④匯流模塊。單元流域匯流過(guò)程包括坡地匯流和河網(wǎng)匯流、河道匯流。三水源產(chǎn)流模型中經(jīng)過(guò)水源劃分得到地表徑流、壤中流和地下徑流，其中坡地對(duì)地表徑流的調(diào)蓄作用不大，直接進(jìn)入河網(wǎng)，而壤中流和地下徑流要分別經(jīng)過(guò)壤中流水庫(kù)和地下水蓄水庫(kù)的調(diào)節(jié)。壤中流和地下徑流出流量用線型水庫(kù)計(jì)算，出流系數(shù)分別為CI和CG。地表徑流、壤中流、地下徑流組成對(duì)河網(wǎng)的總?cè)肓鳌：泳W(wǎng)匯流采用滯后演算模型進(jìn)行計(jì)算。單元流域匯流參數(shù)有CI、CG、CS、LAG四個(gè)。其中CI是壤中流出流系數(shù)，CG是地下水蓄水庫(kù)出流系數(shù)，CS是河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)，LAG是滯后時(shí)段數(shù)。河道匯流，用馬斯京根分段連續(xù)演算法進(jìn)行計(jì)算。

產(chǎn)匯流參數(shù)確定方法，是采用單元內(nèi)代表流域?qū)崪y(cè)雨洪資料率定參數(shù)的初值，再將與流域面積有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最后將干流計(jì)算流量和各單元計(jì)算流量疊加與實(shí)測(cè)流量過(guò)程比較，進(jìn)行參數(shù)的統(tǒng)調(diào)，直到與實(shí)測(cè)過(guò)程擬合最好為止。通過(guò)軟件進(jìn)行方案建立，輸入初始參數(shù)和方案所用站點(diǎn)，選取洪水進(jìn)行率定。

3 洪水預(yù)報(bào)方案的建立

3.1 方案編制方法

月河流域產(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流為主，符合新安江三水源模型適用條件，本次采用中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，把月河長(zhǎng)槍鋪以上斷面流域作為一個(gè)單元總體，以降雨為輸入條件，求得流域出口流量過(guò)程。

3.2 資料選用

按照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482-2008)，綜合考慮選用長(zhǎng)槍鋪站1977年～2019年洪峰流量大于500 m3/s(本站洪水預(yù)報(bào)起報(bào)標(biāo)準(zhǔn)是500 m3/s)33年37場(chǎng)次的流量過(guò)程資料及對(duì)應(yīng)雨量站資料(洪水過(guò)程中對(duì)應(yīng)每個(gè)時(shí)段的降雨量和本次洪水過(guò)程前30天日降雨資料)作為編制方案資料，其中1977年～2013年25場(chǎng)資料用于方案建立、參數(shù)率定、方案評(píng)定，其中2014年～2019年12場(chǎng)資料用于預(yù)報(bào)方案的檢驗(yàn)。雨量站采用流域內(nèi)資料系列完整且有代表性的藥王、八廟、漢陰、蒲溪、沈壩、葉家坪、大河鎮(zhèn)、雙溪、恒口、東鎮(zhèn)、茨溝、長(zhǎng)槍鋪等12站，蒸發(fā)站采用同流域內(nèi)恒口蒸發(fā)站日蒸發(fā)量資料。

3.3 產(chǎn)匯流模型參數(shù)率定

根據(jù)平臺(tái)自動(dòng)優(yōu)選和人工相結(jié)合的方法，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算和與實(shí)測(cè)洪水過(guò)程的擬合，進(jìn)行參數(shù)率定，使實(shí)測(cè)過(guò)程與模擬過(guò)程擬合最好時(shí)的參數(shù)作為預(yù)報(bào)方案的最終率定成果，場(chǎng)次率定成果見(jiàn)圖2。

將各站資料通過(guò)txt文件格式按照站碼、年月日、開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、水位流量、降雨量等數(shù)據(jù)逐行排列，檢查并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。按預(yù)熱期(預(yù)熱期，即前期影響雨量的天數(shù)，一場(chǎng)降雨前，流域土壤的干濕狀況對(duì)此次降雨產(chǎn)生徑流的多少影響很大，一般往前取15 d～30 d。)為30天，計(jì)算時(shí)段(計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)，當(dāng)前可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到每一小時(shí)的流量和雨量信息，故計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)選用1 h。)長(zhǎng)為1 h，預(yù)見(jiàn)期(預(yù)見(jiàn)期，制作發(fā)布洪水預(yù)報(bào)的時(shí)刻至預(yù)報(bào)洪峰流量發(fā)生所間隔的時(shí)間，一般取3 d即72 h。)為72個(gè)時(shí)段，進(jìn)行率定。模型參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 月河長(zhǎng)槍鋪站參數(shù)率定圖

4 方案的評(píng)定與檢驗(yàn)

4.1 方案的評(píng)定

按照方案的結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)，使用參加方案編制的25場(chǎng)次洪水過(guò)程進(jìn)行評(píng)定。分別對(duì)各次洪水的洪峰流量、洪峰出現(xiàn)時(shí)間按照許可誤差法進(jìn)行評(píng)定，25次洪峰及峰現(xiàn)時(shí)間合格場(chǎng)均為18次，合格率72.0%，總的率定確定性系數(shù)為0.814，評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表2、表3。按照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》的規(guī)定，洪水過(guò)程總的確定性系數(shù)達(dá)到0.7以上為“乙”等，因此根據(jù)確定性系數(shù)法評(píng)定，長(zhǎng)槍鋪洪水過(guò)程預(yù)報(bào)方案為“乙”等。

表1 月河流域新安江三水源模型參數(shù)率定成果表

表2 月河長(zhǎng)槍鋪站新安江模型預(yù)報(bào)方案評(píng)定成果表

表3 月河長(zhǎng)槍鋪站洪水預(yù)報(bào)方案評(píng)定表

4.2 方案的檢驗(yàn)

按照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》的規(guī)定，許可誤差取洪峰流量20%、洪現(xiàn)時(shí)間3 h,方案使用2014年～2019年6年洪峰流量大于500 m3/s的12場(chǎng)洪水進(jìn)行精度檢驗(yàn)，單場(chǎng)次洪水檢驗(yàn)見(jiàn)圖3，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5，12次洪峰合格場(chǎng)次為10次、合格率83.3%，洪現(xiàn)時(shí)間合格場(chǎng)次為9次、合格率75.0%，總體確定性系數(shù)為0.863，大于方案評(píng)定精度。

圖3 月河長(zhǎng)槍鋪站“190910”洪水預(yù)報(bào)過(guò)程圖

表4 月河長(zhǎng)槍鋪站新安江模型預(yù)報(bào)方案檢驗(yàn)成果表

表5 月河長(zhǎng)槍鋪站洪水預(yù)報(bào)方案精度檢驗(yàn)表

4.3 方案的總體評(píng)價(jià)

由檢驗(yàn)表可知，方案檢驗(yàn)精度指標(biāo)稍優(yōu)于評(píng)定指標(biāo)。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482-2008)的規(guī)定方案總體評(píng)價(jià)等級(jí)為乙等，可用于發(fā)布正式預(yù)報(bào)。

5 預(yù)報(bào)方案存在主要問(wèn)題及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

(1)部分場(chǎng)次洪水洪峰流量及洪現(xiàn)時(shí)間誤差較大模型建立使用的前期降水量受歷史條件限制，大部分為四段次觀測(cè)值、部分站為日雨量，率定時(shí)，系統(tǒng)均按平均方式處理，與實(shí)際情況有出入；流域內(nèi)降雨中心可分為上游型、均勻型、下游型，洪現(xiàn)時(shí)間差異較大，本次構(gòu)建方案開(kāi)始采用劃分流域率定但結(jié)果不理想，因此，部分場(chǎng)次洪現(xiàn)時(shí)間誤差較大，在作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)可根據(jù)實(shí)際加以調(diào)整以提高精度。

(2)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)預(yù)報(bào)精度產(chǎn)生較大影響。月河流域小型庫(kù)塘眾多，人為調(diào)節(jié)影響較大。尤其是汛初第一場(chǎng)洪水影響很大，預(yù)報(bào)結(jié)果比實(shí)際出現(xiàn)值偏大明顯，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)前期降水和庫(kù)塘蓄水情況人為干預(yù)。

(3)預(yù)報(bào)模型中參數(shù)率定時(shí)，均采用歷史資料且為大概率綜合情況，這與實(shí)際情況將有所差異。在作業(yè)預(yù)報(bào)中，應(yīng)充分考慮流域現(xiàn)狀變化調(diào)整預(yù)報(bào)結(jié)果，提升預(yù)報(bào)精度。

(4)蓄滿產(chǎn)流模型沒(méi)有考慮超滲產(chǎn)流，如果雨強(qiáng)過(guò)大預(yù)報(bào)的洪峰可能偏小，需在實(shí)際應(yīng)用中加以修正。

6 結(jié)論及建議

月河長(zhǎng)槍鋪水文站新安江三水源方案，采用實(shí)時(shí)時(shí)段降雨和歷史降雨情況，鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果，比傳統(tǒng)人工降雨徑流等方法效率、精度得到明顯提高。根據(jù)上述情況，在實(shí)際工作中，為提高預(yù)報(bào)精度，正確使用本方案，提出以下建議。

(1)當(dāng)流域出現(xiàn)汛初第一場(chǎng)較大降雨或前期久旱后較大量級(jí)時(shí)，作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)，要根據(jù)各庫(kù)塘蓄水情況，減小預(yù)報(bào)洪峰量值、洪現(xiàn)時(shí)間延后。

(2)在作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)充分考慮當(dāng)前河道流量(底水)。

(3)匯流時(shí)間受前期土壤飽和程度、河道底水、暴雨強(qiáng)度及暴雨中心位置等因素影響,匯流時(shí)間各異。具體要根據(jù)降雨中心主雨結(jié)束時(shí)間分析，上游型主雨結(jié)束到洪峰出現(xiàn)為6 h～12 h、均勻型為9 h～12 h、下游型為3 h～6 h。

(4)預(yù)報(bào)時(shí)如流域降雨持續(xù)，應(yīng)根據(jù)預(yù)報(bào)雨量及結(jié)束時(shí)間，人工增加雨量并調(diào)整洪現(xiàn)時(shí)間，以提升預(yù)報(bào)精度。