網格新安江模型在岳城水庫庫區(qū)的應用

徐 寧

(水利部海委漳衛(wèi)南運河管理局水文處，山東 德州 253009)

岳城水庫地處太行山東麓、海河流域漳衛(wèi)河系的漳河中游，是重要的控制性水利工程，為保證下游河道防洪安全起著關鍵性的作用；同時對南水北調中線工程的安全起著重要屏障作用。近年來岳城水庫水源經衛(wèi)運河、南運河向南水北調東線一期工程北延應急供水工程補水。因此研究岳城水庫入庫洪水的預報具有重要意義。

岳城水庫入庫站為觀臺水文站，一直以來將觀臺站流量作為岳城水庫入庫流量。國家防總批復的《漳衛(wèi)河洪水調度方案》規(guī)定岳城水庫按照入庫流量確定水庫泄流區(qū)間。當庫區(qū)出現(xiàn)強降雨時，庫區(qū)范圍內產流明顯，實際入庫流量遠大于觀臺站流量，對水庫防洪調度產生不利影響。漳衛(wèi)河系“16.7”、“21.7”暴雨洪水中，暴雨中心覆蓋岳城水庫庫區(qū)，這一問題表現(xiàn)尤為突出。“16.7”洪水觀臺站洪峰流量6150m3/s，岳城水庫反推入庫流量9740m3/s；“21.7”洪水觀臺站洪峰流量3150m3/s，岳城水庫反推入庫流量4860m3/s。但由于歷史和技術原因，庫區(qū)范圍內缺乏對降雨和匯流入流溝長序列觀測資料，且由于庫區(qū)匯流時間極短，庫區(qū)產流預報難度大。

庫區(qū)內下墊面情況較復雜，降雨空間分布也會對入庫洪水產生較大影響。而網格新安江模型(簡稱Grid-XAJ)作為分布式水文模型，可充分體現(xiàn)流域下墊面的分布不均，且能將降雨以分布式的形式作為輸入。因此本研究利用網格新安江模型對岳城水庫庫區(qū)進行洪水模擬，分析模型模擬精度，驗證模型在區(qū)間的洪水預報適用性。

1 研究區(qū)域概況

岳城水庫位于河北省磁縣，控制流域面積18100km2，總庫容13億m3，為大Ⅰ型水庫，如圖1所示。庫區(qū)面積約300km2，地處溫帶半干旱、半濕潤季風氣候區(qū)，多年平均降水約560mm[1]。該地區(qū)受地形和季風環(huán)流的影響，降水大多集中在6—9月，且產流機制復雜，庫區(qū)匯流時間約3～4h。

圖1 岳城水庫位置圖

岳城水庫庫區(qū)入流溝主要有14條，2021年以前均未建立水位流量監(jiān)測設施。2022年僅在3條較大入流溝上建立遙測站監(jiān)測水位流量。2016年前庫區(qū)雨量站較少，僅有白土、北賈壁、觀臺、岳城水庫4處。2017—2022年后相繼在庫區(qū)建立了多處雨量站和遙測雨量站。

2 模型構建

Grid-XAJ模型將DEM網格作為計算單元，將網格單元內的降水、地理、土壤及植被等下墊面要素視作空間內均勻[2]，而各要素在不同網格之間會產生變化。模型計算網格單元的蒸散發(fā)量后，計算網格單元的產流，并采用自由水蓄水庫結構將網格單元劃分為地表徑流、壤中流和地下徑流，最后按照網格間的匯流演算次序，將3種水源演算到區(qū)域出口[3]。

模型的產流部分采用新安江模型的蓄滿產流計算方法。為充分體現(xiàn)土壤濕度在垂直方向的分布和變化，模型的蒸散發(fā)計算使用3層蒸散發(fā)模型[2]。

次洪模型的匯流部分：①采用一維擴散波模型。假設在原坡地網格內存在“虛擬河道”，每個網格單元的壤中流和地下徑流直接匯入河道，并采用河道匯流的計算方法，各網格之間的擴散波匯流計算只考慮坡面匯流和河道匯流。②在缺少河道斷面信息的地區(qū)，采用基于網格Muskingum匯流方法對網格間的3水源及河道進行匯流計算[3]。

Grid-XAJ模型計算日徑流模擬的匯流時，由于單位時段較長、對匯流計算的精度對模型模擬的最終結果影響不大，為提高模型計算效率，采用新安江模型中的線性水庫原理對每個網格單元的壤中流和地下徑流進行計算[4]，并按照網格單元的匯流計算順序進行疊加，直到流域出口斷面。網格單元的地表徑流不參與網格間的匯流計算，直接在流域出口斷面進行疊加[5]。在流域出口斷面，用滯后演算法計算日徑流模擬的出流過程[2]。

Grid-XAJ模型在進行逐網格匯流演算時，每個網格單元中土壤含水量未達到田間持水量之前，上游來水優(yōu)先補充該網格的土壤缺水量，直至其蓄滿為止。若網格單元有河道存在，則該網格地表徑流先按一定的比例匯入河道，然后再匯至下游網格[6]，計算流程如圖2所示。

圖2 Grid-XAJ模型計算流程圖

3 數據處理和模型率定

3.1 數據處理

岳城水庫區(qū)間流域地處全流域的東部，其上游觀臺流入的水量與流域內降雨產生的徑流一起匯入下游岳城水庫。模型構建時將觀臺水文站實測流量作為模型入流量，觀臺以上流域不參與模型計算，參與計算的岳城水庫區(qū)間流域面積300km2。岳城水庫實際入庫流量按照庫水位-蓄量關系及下泄流量計算。2017年以前暴雨洪水過程，參與計算的雨量站為觀臺、北賈壁、白土和岳城水庫(壩上)；2017年以后的以前暴雨洪水過程，增加前嶺、東保障、中清流3個雨量站。考慮歷史原因和下墊面變化情況，選擇1980年以后的暴雨洪水過程進行參數率定和模擬。

根據岳城水庫庫區(qū)和各入流溝情況(如圖3所示)，結合衛(wèi)星影像圖觀察，根據不同分辨率的數字高程(30、90m)判斷可識別的集水區(qū)，最終將本次研究區(qū)域劃分為：岳城水庫北面的庫區(qū)(岳城北庫區(qū))，觀臺站以下及觀臺南面的觀臺溝(觀臺溝)、乞伏溝、南孟南橋溝、中清流溝和西清流溝合并概化為清流溝(清流溝)，以及岳城水庫的水面區(qū)域，如圖4所示。根據網格新安江模型的技術要求和實際流域特點，采用差異化網格分辨率進行最終的降雨-徑流模擬[7]。

圖3 岳城水庫庫區(qū)入流溝及水文測站分布圖

圖4 岳城水庫庫區(qū)DEM及地形示意圖

3.2 模型參數率定

2017年前庫區(qū)雨量站較少，北庫區(qū)雨量站相對較多且降雨數據系列較長。模型以1h為計算時段，根據下墊面條件及土壤類型，對岳城北庫區(qū)進行率定(參數見表1)，并將參數移植到其他4個支流溝。

表1 Grid-XAJ模型參數

岳城水庫水面徑流模擬采用線性水庫法進行滯后演算模擬計算，具體的參數為CS=0.2，Lag=2。

4 歷史洪水模擬及分析

4.1 洪水模擬

受資料所限，選取1982、2016、2021年3場洪水進行模擬，模擬結果見表2、如圖5—7所示。

表2 岳城水庫入庫洪水模擬情況統(tǒng)計表

圖5 19820730號洪水

4.2 結果分析

3場洪水洪量相對誤差介于18.3%～30%，普遍偏大。洪峰相對誤差介于-16.5%～3.8%，其中19820730號洪水洪峰偏大，其余2場洪水均偏小。峰現(xiàn)時間誤差最大為1h。確定性系數介于0.85～0.87。由模型模擬的特征統(tǒng)計值可以看到，Grid-XAJ模型模擬洪量、洪峰、峰現(xiàn)時間以及洪形與實際洪水過程較為符合，確定性系數也較高。

圖5中19820730號洪水洪形復雜，出現(xiàn)多次漲落過程，模擬洪水過程總體趨勢與實際洪水過程一致，但其漲落幅度和出現(xiàn)時間與實際洪水有明顯差別。

圖6—7中20160719號、20210715號洪水洪形較為簡單，模擬洪水過程和實際洪水過程較為接近。

圖6 20160719號洪水

圖7 20210715號洪水

5 結語

本文采用Grid-XAJ模型對岳城水庫庫區(qū)歷史洪水進行模擬研究，結合實際產匯流過程，對模擬結果進行分析，得出以下結論。

(1)Grid-XAJ模型在岳城水庫庫區(qū)模擬效果較好。

(2)由于庫區(qū)面積較小，這一區(qū)域發(fā)生強降雨產生較大入庫徑流的洪水場次較少，導致用于參數率定和模型驗證的場次暴雨洪水不足。后期庫區(qū)發(fā)生強降雨時進一步優(yōu)化模型參數[8]。

(3)歷史暴雨過程中雨量站密度較低，一定程度上影響產匯流參數率定。建議結合衛(wèi)星遙感資料，在確保數據準確的前提下，充分利用庫區(qū)周邊新建遙測站數據應用到模型計算。