多源蒸發(fā)對(duì)新安江模型作業(yè)預(yù)報(bào)成果影響分析

廖亞一 舒全英 劉 寅 王青青

（1、浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310002 2、杭州市臨安區(qū)水利局,浙江 臨安 311300)

新安江模型是一個(gè)適用于濕潤地區(qū)與半濕潤地區(qū)的降雨徑流模型[1],在浙江地區(qū)得到了廣泛的運(yùn)用[2]。近年來,隨著各地對(duì)洪水預(yù)報(bào)需求的提升,基于B/S 架構(gòu)的新安江洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用前景較好[3]。

系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性影響了模型計(jì)算的效率和效果。蒸發(fā)是新安江模型關(guān)鍵的輸入數(shù)據(jù),它關(guān)系到前期土壤含水量的計(jì)算[4],其準(zhǔn)確性對(duì)模型計(jì)算結(jié)果有較大的影響[5]。不同于降雨遙測數(shù)據(jù)獲取的簡便,目前實(shí)測蒸發(fā)數(shù)據(jù)仍依賴于人工記錄,需要手動(dòng)輸入系統(tǒng)。本文旨在討論不同蒸發(fā)類型數(shù)據(jù)對(duì)新安江模型計(jì)算結(jié)果的影響,同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)獲取的簡便性和模型計(jì)算的準(zhǔn)確性,為洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的蒸發(fā)數(shù)據(jù)輸入提供參考依據(jù)。

本文以浙江省臨安區(qū)里畈水庫為例,收集了2012-2018 年的降雨、蒸發(fā)等數(shù)據(jù),以2012-2016 年作為率定年份,2017-2018 作為驗(yàn)證年份,分析實(shí)測蒸發(fā)、多年平均蒸發(fā)、彭曼蒸發(fā)、無蒸發(fā)等情況下,對(duì)新安江模型計(jì)算精度的影響。

1 研究區(qū)情況

里畈水庫位于南苕溪青山水庫上游的溪里村,壩址集水面積83km2,水庫總庫容2094 萬m3,是一座以防洪為主,結(jié)合灌溉、發(fā)電、供水的中型水庫[6],水庫流域范圍見圖1。流域內(nèi)土質(zhì)疏松,透水性好,植被覆蓋率高,持水能力強(qiáng),屬典型的蓄滿產(chǎn)流區(qū)。

圖1 里畈水庫流域范圍和站點(diǎn)分布圖

2 模型模擬

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

流域范圍內(nèi)有5 個(gè)遙測雨量站,分別為里畈水庫、溪口、太湖源東坑、白沙陽山塢、市嶺,其中市嶺站同時(shí)監(jiān)測蒸發(fā)數(shù)據(jù),站點(diǎn)分布詳見圖1。

本文收集到5 個(gè)遙測站點(diǎn)2012-2018 年的逐日降雨數(shù)據(jù)、市嶺站2012-2018 年逐日蒸發(fā)數(shù)據(jù)、里畈水庫2012-2018 年逐日水位和出庫流量。流域面雨量根據(jù)泰森多邊形法計(jì)算得到,水庫入庫流量由水庫壩上水位及出庫流量反推得到。

準(zhǔn)備4 組蒸發(fā)數(shù)據(jù),分別為實(shí)測蒸發(fā)、多年平均蒸發(fā)、彭曼蒸發(fā)、無蒸發(fā)。為驗(yàn)證蒸發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響,取2012-2016 年為率定年,2017-2018 年為驗(yàn)證年。

（1）實(shí)測蒸發(fā)和多年平均蒸發(fā)

實(shí)測蒸發(fā)為市嶺站通過E601 型蒸發(fā)器監(jiān)測的水面蒸發(fā)。多年平均蒸發(fā)采用2012-2016 年共5 年的實(shí)測逐日蒸發(fā)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

（2）彭曼蒸發(fā)

彭曼公式是自變量溫度、風(fēng)速、凈輻射量和相對(duì)濕度的非線性方程[7]。本文采用FAO Penman-Monteith 方法計(jì)算得到[8]。假設(shè)作物植株高度為0.12m,固定的作物表面阻力位70m/s,反射率為0.23,非常類似于表面開闊、高度一致、生長旺盛、完全遮蓋地面而水分充分適宜的綠色草地蒸散量。

式中,PE 為可能蒸散量（mm/d）,△為飽和水氣壓曲線斜率（kPa/℃）,Rn為地表凈輻射（MJ/(m*d)）,G 為土壤熱通量（MJ/(m2*d)）,γ 為干濕表常數(shù)（kPa/℃））,Tmean為日平均溫度（℃）,u2為2 米高處風(fēng)速（m/s）,es為飽和水氣壓（kPa）,ea為實(shí)際水氣壓（kPa）。

以上參數(shù)通過美國國家環(huán)境預(yù)測中心開發(fā)的全球預(yù)測系統(tǒng)（Global Forcast System）獲取,為網(wǎng)絡(luò)公開數(shù)據(jù)。

彭曼計(jì)算結(jié)果需要根據(jù)里畈水庫實(shí)際情況進(jìn)行校正,對(duì)2012-2016 年彭曼計(jì)算結(jié)果與實(shí)測水面蒸發(fā)進(jìn)行線性回歸分析,推求適應(yīng)于本地區(qū)的校正公式[9]。

2.2 蒸發(fā)組分析（表1）

表1 彭曼蒸發(fā)和多年平均蒸發(fā)與實(shí)測蒸發(fā)誤差分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,2017 年實(shí)際蒸發(fā)、多年平均蒸發(fā)、彭曼蒸發(fā)的總量分別為587.9mm、575.2mm、540.9mm；2018年分別為548.0mm、560.2mm、540.9mm。從年蒸發(fā)總量上看,3 組蒸發(fā)數(shù)據(jù)差別不大。

相對(duì)于實(shí)際蒸發(fā)數(shù)據(jù),彭曼蒸發(fā)和多年平均蒸發(fā)的平均誤差分別為-0.0007mm、-0.07mm,平均絕對(duì)誤差分別為0.68mm、0.76mm,誤差均方差分別為0.86mm 和0.98mm。結(jié)果表明,兩組蒸發(fā)整體上相較于實(shí)際蒸發(fā)的誤差均較小,其中彭曼蒸發(fā)更接近于實(shí)際蒸發(fā)。

2.3 模型率定（表2）

表2 2012-2016 年模型率定結(jié)果

本文采用相對(duì)誤差和確定性系數(shù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)[10]。

式中,ε 為年徑流量的相對(duì)誤差；Dc為確定性系數(shù),取值范圍介于0-1 之間,越接近于1 表明模型擬合程度越高,Qc為入庫流量預(yù)報(bào)值,Q0為入庫流量實(shí)測值,Q0入庫流量實(shí)測平均值。

由表2 可知,率定期的絕對(duì)年徑流量誤差均在11%以內(nèi),確定性系數(shù)均在0.78 以上,說明模型給出了較好的模擬效果。

3 結(jié)果分析

根據(jù)表3,當(dāng)模型輸入蒸發(fā)為0 時(shí),驗(yàn)證年徑流量誤差在75%以上,且確定性系數(shù)較差,可見蒸發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果有較大影響。從年徑流相對(duì)誤差上看,多年平均蒸發(fā)組表現(xiàn)相對(duì)較好,2017 年和2018 年分別為-3.33%和5.38%；其次為彭曼蒸發(fā)組,為-9.45%和2.5%；實(shí)際蒸發(fā)組為-10.6%和4.6%。從確定性系數(shù)上看,實(shí)際蒸發(fā)組表現(xiàn)最好,2017 年和2018 年分別為0.7 和0.74；其次為彭曼蒸發(fā)組,為0.65 和0.74；多年平均蒸發(fā)組為0.64 和0.72。2017-2018 年模型計(jì)算逐日流量過程線見圖2。不難發(fā)現(xiàn),實(shí)際蒸發(fā)組、多年平均蒸發(fā)組、彭曼蒸發(fā)組的模型計(jì)算結(jié)果差別不大。在系統(tǒng)作業(yè)過程中,實(shí)際蒸發(fā)需要由人工輸入,效率較低；彭曼蒸發(fā)參數(shù)雖然可以通過網(wǎng)絡(luò)公開數(shù)據(jù)獲取,但會(huì)存在數(shù)據(jù)連接中斷、后臺(tái)計(jì)算緩慢等風(fēng)險(xiǎn)；而多年平均蒸發(fā)獲取簡便,可直接存入數(shù)據(jù)庫調(diào)用,計(jì)算效率高。

表3 不同蒸發(fā)組模型計(jì)算結(jié)果

圖2 2017-2018 年模型計(jì)算逐日流量過程線

4 結(jié)論

4.1 與實(shí)測蒸發(fā)數(shù)據(jù)相比,適用于本地的彭曼公式蒸發(fā)成果與多年平均蒸發(fā)誤差差別不大,其中彭曼蒸發(fā)更接近于實(shí)際蒸發(fā)。

4.2 分析了實(shí)際蒸發(fā)、多年平均蒸發(fā)、彭曼蒸發(fā)和無蒸發(fā)共4 組蒸發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)新安江模型計(jì)算結(jié)果的影響,發(fā)現(xiàn)無蒸發(fā)組計(jì)算結(jié)果較差,其余3 組計(jì)算結(jié)果較好且差別不大,均可應(yīng)用于B/S 架構(gòu)的新安江洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中。

4.3 綜合考慮新安江洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的簡便性和計(jì)算的準(zhǔn)確性,推薦使用多年平均蒸發(fā)作為系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。