新安江模型對某水庫洪水預報模擬可靠性分析

陳文蛟

（河南省平頂山水文水資源勘測局，河南 平頂山 467000）

0 引言

近幾十年來，現代水文學建立的高精度水文模型為優化水庫洪水預報調度，開展水資源合理應用提供了有力保證。通常認為，把數學語言或物理模型運用到現實水文系統的刻劃或比擬當中，依據一定條件對水文變量進行模擬及預報，從而建立起水文模型，以達到預報現實水文系統的未來變化的目的。從水文模型的發展歷程上看，約到14世紀末水文學仍處于定性描述水文現象階段，約到19世紀末形成了水文科學體系，到20世紀50 年代興起了應用水文學，從而開始了現代水文學的發展。基于預報洪峰的實踐需要，現代水文模型應運而生，并蓬勃發展。常用的可分為三大類：系統理論模型、概念性模型和分布式模型。中國水文領域的新安江模型屬于概念性模型，20世紀70 年代由趙人俊團隊對新安江水庫作入庫流量預報時提出，特別適用于濕潤和半濕潤地區陣雨徑流預報。

1 新安江模型的基本認識

1.1 新安江模型基本原理

新安江模型特別注重流域內降雨到徑流形成的時空變化過程，整個模型系統由功能不同的五個子模型緊密構成，即三層蒸發子模型、蓄滿產流子模型、三水源劃分子模型、流域匯流子模型和洪水演進子模型。各個子模型間迭代運行流程依次遵從三個階段：①啟動三層蒸發子模型算出蒸發量，隨后導入蓄滿產流子模型算出徑流總量；②運行三水源劃分子模型；③運行流域匯流子模型和洪水演進子模型，計算出特征時段的洪水預報量。

模型計算時先要進行單元流域劃分，綜合考慮自然地理概況、河流水文特征及水文控制站等三因素作為劃分基本原則，把自然水文、流域形狀、降雨特征和水文控制站等主要因素作為指標把全流域劃分成多塊單元流域，單元內再進行分塊。之后，按三階段流程運行。

第一階段將多個時段的降雨量輸入模型。優選一個特征時段的降雨量作為參數傳給三層蒸發子模型進行內部計算，算出流域內降雨的蒸發量。接著把降雨量和蒸發量作為參數導入蓄滿產流子模型進行內部計算得出徑流總量。第二階段以徑流總量為參數導入三水源劃分子模型，經內部運算后輸出地表徑流（RS）、壤中流（RSS）和地下徑流（RG）三水源。第三階段啟動流域匯流和洪水演進兩個子模型，利用洪水演進子模型計算出該特征時段的洪水預報量。同理，依照上述三階段迭代運行體系逐次計算出其余各時段的洪水預報量。

1.2 新安江模型洪水預報流程簡圖

新安江模型輸入降雨（P）和蒸散發能力（EM），最終輸出流域出口斷面流量（Q）和蒸散發量（E）。整個模型運行主要經過蒸散發計算、產流量計算、三水源劃分和匯流計算等四部分。模型洪水預報流程見圖1。

圖1 三水源新安江模型流程圖

2 可靠性分析

2.1 誤差計算

入庫洪水預報模擬誤差主要來自于建模基礎資料、模型結構、模型參數、流域開發活動（尤其是水利工程）影響及預見期內降雨預報等五個方面誤差。

一般采用對比模型模擬效果與實測資料間的差值關系，估算出各時段的絕對誤差和相對誤差，最后求得平均誤差，以便對比規范評估模型的可靠性。

2.2 原因分析

2.2.1 資料誤差

分析基本資料建立新安江模型時會有四方面誤差：①測驗誤差；②洪水流量資料間接由觀測水位（H）查找H～Q關系曲線轉換導致的誤差；③資料的空間代表性；④用于率定水文模型的水文資料，充分反映各種流域特性的客觀代表性差異程度引起的必然誤差。

2.2.2 模型的結構誤差

水文模型都是實際水文流域的概化，建模過程中就需要大量的簡化處理，由此必然會帶來一些誤差。

2.2.3 率定模型參數誤差

水文模型模擬時，存在著用水文資料率定的預報誤差。

2.2.4 流域開發活動（尤其是水利工程）影響誤差

流域開發活動（尤其是水利工程建設）會改變流域下墊面與河道的天然狀況，導致水文模型建立的前提條件嚴重偏離。從而帶來水文模型參數率定的困難，甚至會影響到模型的結構。

2.2.5 降雨預見期內的預報誤差

洪水預報在預見期內較為準確，考慮天氣預報因素，引起洪水預報誤差和不確定性。

3 案例分析

3.1 歷史典型洪水模擬分析

利用新安江模型對某水庫歷史上有記錄的洪水進行模擬，分析模型模擬洪水的效果，對模型預報洪水發生的可能性和誤差情況綜合評估，為水庫洪水調度提供參考依據。

3.1.1 歷史典型入庫洪水實測資料選擇

選擇某水庫歷史典型入庫洪水實測資料為分析依據，見表1。

表1 某水庫歷史典型入庫洪水實測資料表（實測峰值）

3.1.2 新安江模型對典型入庫實測洪水模擬分析

運用新安江模型對上述典型入庫實測洪水24個時段進行模擬分析，得出預報入庫流量值，見表2第（3）欄所示。

3.1.3 新安江模型模擬與實測資料對比分析

在同一坐標系內，分別點繪出新安江模型模擬與實測資料流量過程線，進行對比分析，見圖2。

圖2 某水庫典型入庫實測洪水與模型洪水預報模擬結果對比圖

3.2 可靠性評估

3.2.1 誤差估算

誤差估算分別從絕對誤差和相對誤差兩方面進行。絕對誤差是用模型預報模擬值減去相應時段的典型入庫實測洪水值所得的差值即Q模擬-Q實測=Q絕對誤差，相對誤差是用各時段的差值除以實測值所得百分比即Q誤差/Q實測=Q相對誤差。表2 中時段1：00～2：00 的Q絕對誤差=0.92-1.25=-0.33 m3/s，Q相對誤差=-0.33/1.25=-26%；2：00～3：00的Q絕對誤差=1.12-1.25=-0.13 m3/s，Q相對誤差=-0.13/1.25=-10%；依此類推，持續算到第24個時段0：00～1：00，見表2中（4）（5）兩欄所示。

從表2中（4）（5）兩欄可知，洪水預報模擬結果絕對誤差的最大值為8.97 m3/s，算術平均誤差值為2.50 m3/s，從絕對誤差的平均值來看模擬結果與實測誤差并不大，然而其相對誤差平均值卻達到27.33%，接近1/3，略顯較大。對比表2 中的24 個時段的實測值與模擬值可以看出，平均誤差較大主要是由于預報峰值出現時刻（16：00～17：00）有偏差（實測峰值出現在15：00～16：00）所致，當來水過程降雨量相對偏大時就會使平均誤差變大。

3.2.2 模型模擬可靠性評估

查詢《水文情報預報規范（SL250—2000）》有關規定可知，模擬許可誤差應控制在實測資料變幅的20%以內。上述案例分析24 個時段中有15 個模擬預報相對誤差絕對值≤20%,在許可誤差范圍內（見表2 相對誤差一欄），預報合格率為62.50%，符合規范丙等級別要求的60%≤合格率＜70%指標區間，可以相信新安江模型在預報模擬效果的可能性、許可誤差等方面都有足夠的可靠性。

表2 模型對歷史典型實測入庫洪水模擬誤差估算表（取絕對值的算術平均值）

4 結語

①新安江模型是概念性水文模型的典型代表，非常適用于流域內降雨徑流預報。②實證分析顯示，新安江模型對入庫洪水預報模擬效果有足夠的可靠性。③實踐中選取基礎資料對模型參數率定時要注重正確處理方法和要求。