基于三水源新安江模型的三河口水庫洪水預(yù)報

吳 銳 馬 峰 馮亞鵬

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司,陜西 西安 710011)

三河口水利樞紐是引漢濟(jì)渭調(diào)水項(xiàng)目的主干工程之一,是陜西省引漢濟(jì)渭工程調(diào)水項(xiàng)目的調(diào)蓄中樞,水庫于2019年底下閘蓄水,相對于施工建設(shè)期,其承擔(dān)的防洪興利任務(wù)更為突出。洪水預(yù)報作為重要的防洪非工程措施,在水庫調(diào)度管理中發(fā)揮著重要作用。準(zhǔn)確預(yù)報入庫洪水,對于支持三河口水庫防洪度汛、指導(dǎo)水庫科學(xué)調(diào)度,保護(hù)下游地區(qū)行洪安全具有重要意義。在三河口水利樞紐施工階段,流域洪水預(yù)報采用經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法以及水文模型進(jìn)行洪水預(yù)報。經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法使用便捷,但難以考慮降雨及下墊面條件的空間分布不均勻性,同時由于初期流域徑流資料有限,施工期構(gòu)建的水文模型模擬精度不高[1]。隨著水利信息化推進(jìn),流域水文模型已成為水庫實(shí)時洪水預(yù)報調(diào)度的核心模塊,因此,需在水利信息化平臺基礎(chǔ)上建立流域水文模型,作為水庫水情自動測報系統(tǒng)的核心。目前,國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的流域水文模型有美國的SAC模型[2]、中國的新安江模型[3]和英國的TOPMODEL[4],在濕潤與半濕潤地區(qū),應(yīng)用最為廣泛的模型仍為新安江模型[5]。鑒于此,綜合考慮三河口水庫流域資料、地形及所處環(huán)境,選擇應(yīng)用新安江模型建立洪水預(yù)報模型,為三河口水庫洪水預(yù)報和科學(xué)調(diào)度提供技術(shù)支撐。

1 流域概況以及研究方法

1.1 流域概況

子午河系漢江上游北岸的一級支流,子午河流域地勢北高南低,主峰秦嶺梁海拔2965m,流域主要為土石山區(qū),植被良好,林木茂密,森林覆蓋率達(dá)70%,子午河流域?qū)俦眮啛釒駶櫋霛駶櫄夂騾^(qū),四季分明。子午河徑流主要由降雨形成,水情隨降雨變化明顯。河流上游由汶水河、蒲河、椒溪河匯合而成,主源汶水河發(fā)源于寧陜、周至、鄠邑區(qū)三縣交界的秦嶺南麓,三條河流匯合后稱子午河。三河口水庫壩址位于漢中市佛坪縣大河壩鎮(zhèn)三河口下游2km處,總庫容為7.1億m3,壩址處河床高程為525m,壩頂高程為646m。壩址以上河長106km,控制流域面積2186km2,占子午河流域面積的72.6%。流域多年平均年降水量為891mm,降水主要集中在汛期,5—10月降水量占全年降水量的84.4%。三河口水庫流域水系見圖1。

子午河流域自1959年起,先后設(shè)立了多個雨量站,各測站的位置見圖1。1963年3月設(shè)立了兩河口水文站;為三河口水利樞紐工程建設(shè)需要,2010年4月在水庫大壩下游設(shè)立大河壩水文站,觀測水位、流量、降水量。

1.2 研究方法

三水源新安江模型是一個分散參數(shù)的蓄滿產(chǎn)流概念性模型[6]。根據(jù)流域具體特點(diǎn)以及下墊面的水文、地理情況,將流域分為若干個單元面積,再將每個單元面積計算的流量過程演算到流域出口,最后疊加起來即為整個流域的流量過程[6],每個單元流域的計算流程見圖2。

模型各參數(shù)物理意義以及取值范圍[2]如下:

a.K值為蒸散發(fā)能力折算系數(shù),此參數(shù)控制總水量平衡。

b.WM為張力水蓄水容量。分為3個部分,即上層張力水蓄水容量WUM、下層張力水蓄水容量WLM和深層張力水蓄水容量WDM。WM取值范圍為100～170mm,WUM多林地可取20mm,WLM通常取值范圍為60～90mm。

c.C為深層蒸散發(fā)系數(shù),此值范圍為0.08～0.18。

d.B為張力水蓄水容量曲線指數(shù)的方次,與流域面積F有關(guān),本流域取值在0.4左右。

e.IM為流域不透水面積的比例,對于天然流域,此值范圍在0.01～0.02左右。

f.SM為表層土自由水蓄水容量,一般流域?yàn)?0～20m左右。

g.EX為表層自由水蓄水容量的方次,由表層自由水蓄水條件的不均勻性分布決定,其取值范圍一般為1.0～1.5。

h.KG為表層自由水蓄水量對地下水的出流系數(shù),KI為表層自由水蓄水量對壤中流的出流系數(shù),兩者之和表示自由水出流的快慢。當(dāng)流域面積F在1000km2左右時,從降雨停止到壤中流停止的時間一般為3d左右,相當(dāng)于兩者之和為0.7。

i.CS為線性水庫地表徑流消退系數(shù),由河網(wǎng)地貌決定。

j.CI為深層壤中流消退系數(shù),當(dāng)壤中流很豐富時,此值為0.9左右。

k.CG為地下徑流消退系數(shù),以天為時段時,此值范圍一般為0.95～0.998。

l.XE為馬斯京根河段匯流傳播時間,KE為馬斯京根河段流量比重系數(shù)。

區(qū)域輸入的面雨量信息是根據(jù)區(qū)域內(nèi)雨量站觀測的信息及其所占權(quán)重計算得到的,本次模型中流域單元劃分采用泰森多邊形法進(jìn)行。劃分出的每個單元,其計算主要分為蒸散發(fā)計算、產(chǎn)流計算、分水源計算和匯流計算四個層次[1]。模型各層次結(jié)構(gòu)的功能,計算采用的方法和參數(shù)見表1。

表1 新安江模型各層次結(jié)構(gòu)功能、計算方法和相應(yīng)參數(shù)

2 參數(shù)率定

2.1 水文資料來源

采用的實(shí)測流量資料為大河壩水文站歷史摘錄資料,以及三河口水位站2017—2021年水位資料。洪水資料整編分為三個階段:2010—2015年,由于三河口水庫尚未開建,采用大河壩水文站洪水流量摘錄資料,進(jìn)行歷史洪水場次的摘錄、參數(shù)率定、模擬和檢驗(yàn);2016—2019年,三河口水庫開始建設(shè),受圍堰影響,采用壩址圍堰處水位資料和大河壩水文站實(shí)測洪水摘錄資料,利用三河口水庫的水位庫容關(guān)系進(jìn)行實(shí)測入庫洪水過程還原計算;2020—2021年,三河口水庫具有調(diào)蓄能力,采用三河口水庫水位資料和大河壩監(jiān)測洪水摘錄資料,利用三河口水庫的水位庫容關(guān)系進(jìn)行實(shí)測入庫洪水過程還原計算。

2.2 水文資料“三性”審查

流域代表站資料均為整編后的水文年鑒刊印成果,流域上下游各代表站徑流模數(shù)相差較小,流域各測站歷年斷面變化較小,水位流量關(guān)系穩(wěn)定,資料可靠性較高。

本次采用了水庫下游兩河口水文站、大河壩水文站及流域內(nèi)各雨量站資料,經(jīng)現(xiàn)場踏勘調(diào)查及測站沿革考證,水文站無斷面遷移,測驗(yàn)方式方法雖有變化,但都進(jìn)行了同期不同方法比測,資料年限內(nèi)無跨流域調(diào)水工程,分析流域代表站兩河口站年徑流深與年降水量的關(guān)系,其變化趨勢不明顯,資料一致性良好。

對選用的資料系列較短的雨量站資料,采用相距較近、資料完整的雨量站進(jìn)行了相關(guān)分析插補(bǔ)。以年降水量逐年向前計算累積平均值和變差系數(shù),流域內(nèi)各站降水量豐枯變化規(guī)律基本一致,從統(tǒng)計參數(shù)穩(wěn)定性分析,各站雨量和水位流量資料系列具有足夠的代表性。

2.3 模型參數(shù)率定方法及結(jié)果

率定期為2010—2019年,期間共有27場歷史洪水。根據(jù)水文資料及其他情況綜合考慮,采用自動優(yōu)化算法和人機(jī)交互率定相結(jié)合來率定本模型參數(shù)。

自動優(yōu)化算法根據(jù)模型參數(shù)的取值范圍,利用實(shí)測流量資料和計算流量過程,通過計算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果之間的差值系列,來優(yōu)化算法,根據(jù)目標(biāo)函數(shù)結(jié)果,通過優(yōu)化迭代,最終率定出一組具有計算結(jié)果的模型參數(shù)。自動優(yōu)化算法采用單純形法[7]及SCE-UA方法[8]。為避免參數(shù)超出模型參數(shù)合理的取值范圍,導(dǎo)致率定出的參數(shù)不能用于模型檢驗(yàn),結(jié)合人機(jī)交互進(jìn)行控制調(diào)整;人機(jī)交互率定通過不斷調(diào)整模型參數(shù),對比率定期歷史洪水模擬精度以及模擬合格率來判斷參數(shù)是否合適。在調(diào)整參數(shù)過程中,按照模型參數(shù)的敏感性,根據(jù)模型參數(shù)對洪水過程不同階段影響的大小程度,以及歷史洪水模擬中初始值的情況,進(jìn)行不斷調(diào)整,以滿足精度和預(yù)報方案結(jié)果評定的要求。 參數(shù)率定結(jié)果見表2。

表2 三河口水庫流域新安江模型參數(shù)率定結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 精度評價方法

根據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范》(GB/T 22482—2008)的誤差評定要求,精度評定的項(xiàng)目包括洪水徑流深、洪峰流量、相應(yīng)時間等預(yù)報要素。對率定結(jié)果進(jìn)行評價,三項(xiàng)要素指標(biāo)均在誤差許可范圍內(nèi),模擬洪水過程方可判定為合格。各要素相對誤差的許可范圍分別為:徑流深預(yù)報以實(shí)測值的20%作為許可誤差;洪峰出現(xiàn)時間以預(yù)報時間至實(shí)測洪峰出現(xiàn)時間差值的30%作為許可誤差,當(dāng)許可誤差小于3h時,則以3h作為許可誤差;洪峰流量預(yù)報以實(shí)測值的20%作為許可誤差。

3.2 率定期及檢驗(yàn)期結(jié)果

率定期(2010—2019年)共有27場歷史洪水資料,檢驗(yàn)期(2020—2021年)共有7場歷史洪水資料。34場歷史洪水率定和檢驗(yàn)結(jié)果見表3和圖3。

表3 三河口水庫流域新安江模型模擬結(jié)果綜合評價

圖3 洪水過程

由表3可知:

a.率定期27場歷史洪水有26場合格, 27場洪水中,徑流深預(yù)報最大相對誤差為17.3%,平均值為2.9%;洪峰預(yù)報最大相對誤差為-17.6%,平均值為-2.1%;洪峰出現(xiàn)時間最大誤差為3h。率定結(jié)果均在誤差許可范圍內(nèi)。確定性系數(shù)最大值為0.980,最小值為0.570,平均確定性系數(shù)為0.900,預(yù)報合格率96.3%。

b.檢驗(yàn)期7場歷史洪水全部合格。其中,徑流深預(yù)報最大相對誤差為6.4%,平均值為-1.2%;洪峰預(yù)報最大相對誤差為-5.7%,平均值為-2.0%;洪峰出現(xiàn)時間最大誤差1h。檢驗(yàn)結(jié)果均在誤差許可范圍內(nèi)。確定性系數(shù)最大值為0.988,最小值為0.944,平均確定性系數(shù)為0.960,預(yù)報合格率100%。

根據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范》(GB/T 22482—2008)的相關(guān)評定規(guī)定,在率定期和檢驗(yàn)期,模擬結(jié)果的合格率和確定性系數(shù)均達(dá)到甲等。故三水源新安江模型應(yīng)用于三河口水庫流域的預(yù)報方案精度達(dá)到了甲等。

4 結(jié) 語

通過2010—2021年期間34場歷史洪水的率定與檢驗(yàn)分析,新安江模型在三河口水庫流域洪水預(yù)報中精度達(dá)到甲等,該模型預(yù)報結(jié)果可為三河口水庫防洪調(diào)度提供技術(shù)支撐。在模型建立過程中,歷史資料采用大河壩水文站的流量資料,大河壩水文站2010—2015年屬正常河道測流,2016—2019年因圍堰調(diào)蓄,2020—2021年因大壩調(diào)蓄,調(diào)蓄階段洪水資料是根據(jù)水庫水位和出庫實(shí)測流量反推計算得到的,與天然洪水過程有一定的差別,對模型的參數(shù)率定和檢驗(yàn)有一定影響。因此,在實(shí)時預(yù)報中,發(fā)現(xiàn)出庫流量信息和壩上水位信息有較大偏差時需及時修正,以避免較大的預(yù)報誤差出現(xiàn)。該模型的建立,是基于有限的歷史資料,經(jīng)過分析計算確定的一般規(guī)律。在后期實(shí)際應(yīng)用中,在積累更多洪水資料后,將進(jìn)一步對預(yù)報方案進(jìn)行驗(yàn)證,不斷優(yōu)化完善預(yù)報模型,提高其可靠性。