新安江模型在嫩江流域洪水預報中應用

胡宇豐，安 波，陸玉忠，徐海卿

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 流域概況

嫩江是松花江北源，發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山，由北向南流經(jīng)黑龍江省、吉林省、內蒙古自治區(qū)的7市（盟），在吉林省松原市三岔河附近與第二松花江匯合進入松花江干流。河流全長1370 km，流域面積29.7萬km2。

根據(jù)嫩江流域的地形、地貌和河谷特征，可將嫩江干流分為上、中、下三段：自河源至嫩江縣為上游段，河道長661 km；嫩江縣至尼爾基水庫為中游段，河道長122 km；尼爾基水庫至嫩江口為下游段，河道長587 km。

尼爾基水庫至大賚流域面積155333 km2。主要支流均位于右岸，流域面積大于10000 km2的一級支流有6條，其中右岸有4條，依次為諾敏河、雅魯河、綽爾河、洮兒河；左岸有2條，依次為訥謨爾河、烏裕爾河。

嫩江流域的洪水主要由暴雨產生，由于流域面積大，氣象條件復雜，流域內大洪水過程多由幾次暴雨過程迭加而形成。嫩江流域的暴雨一般發(fā)生在6—9月，且主要集中在7—8月。一次暴雨歷時7～10 d左右，主雨一般集中在3～5 d之內。受地形影響，嫩江流域的暴雨根據(jù)暴雨中心區(qū)位置大致分為3種類型：

第一種類型的暴雨中心區(qū)在甘河、諾敏河、訥謨爾河及干流上游一帶的上游型暴雨。造成這種暴雨的天氣系統(tǒng)一般北方低壓系統(tǒng)，暴雨走向為由西向東，由此形成嫩江上游干支流大洪水，如1955年暴雨。

第二種類型的暴雨中心區(qū)位于黃篙溝、音河一帶，有時主雨區(qū)范圍可擴大到雅魯河、綽爾河流域的全流域型暴雨。造成這種暴雨的天氣系統(tǒng)一般是副熱帶高壓北移過程中帶來的暖濕氣流與地面上的蒙古低壓或貝加爾湖低壓控制下的冷空氣交綏，產生大面積降雨。此種暴雨往往結合強度更大的集中性降雨，從而造成長歷時的全流域范圍內降雨，由于主雨區(qū)籠罩嫩江右側各主要支流，使嫩江流域右側各支流及干流相繼發(fā)生大洪水，如1969，1988，1998 年暴雨洪水。

第三種類型的暴雨中心區(qū)在洮兒河、霍林河一帶的下游型暴雨。造成這種暴雨的天氣系統(tǒng)為蒙古、東北、華北氣旋。此種暴雨籠罩范圍不大，強度較小，只是造成嫩江下游各支流發(fā)生大洪水。

2 模型選擇

嫩江流域年平均降雨量為440 mm，上游多于下游，流域內汛期6—9月降雨量約占全年降雨量的80%。新中國成立以后嫩江發(fā)生最大洪水年份1998年汛期6—9月流域平均降雨量為613 mm，比常年同期381 mm偏多61%。特別是嫩江干流以及右側支流山區(qū)，汛期多受北來天氣系統(tǒng)影響而產生降雨。其特點是連陰雨天多。在這些連陰雨天中，又受南來天氣系統(tǒng)影響，將可能在連雨天中出現(xiàn)模型。

嫩江流域三面環(huán)山，流域的西側為大興安嶺東坡，海拔高程1000～1400 m；東側為大興安嶺西坡，海拔高程600～1000 m，北側為大興安嶺伊勒呼里山，海拔高程1030 m；東南側為廣闊的松嫩平原，海拔高程110～160 m。整個流域地形由西北向東南傾斜，呈現(xiàn)為獨立的喇嘛口地形，這種地形條件對嫩江流域降雨有較大影響，當水汽充沛的南來天氣系統(tǒng)進入嫩江流域時，喇叭口地形使得低層氣流逐步收縮、抬升，產生對流，有利于產生降雨。嫩江干流在嫩江縣以上及右側支流屬于山區(qū)，山高林密，植被良好，森林多，當?shù)鼐用褫^少。干流在嫩江縣以下地形逐漸由山區(qū)過渡到丘陵地帶，再進入平原區(qū)。

考慮以上這些地形和降雨的特點，選用已經(jīng)在我國得到廣泛應用的新安江降雨徑流模型來建模，預報時段長為6 h。建模的具體步驟如下：

1）以現(xiàn)有水文站控制范圍，將流域分成幾塊，其中包括水文站之間的區(qū)間流域；分塊的目的在于考慮塊與塊之間因地形、地質、下墊面等條件不同導致的模型參數(shù)的不同。

2）對于每一塊再細分幾個單元,以考慮由于降雨分布不均勻影響以及上下不同單元塊洪水傳播影響。

3）對于每一單元，應用三水源新安江流域模型作降雨、蒸發(fā)、土壤含水量、水源分配和消退、單元河網(wǎng)單位線等一系列分析計算。

4）每個單元出口的流量通過河道匯流計算到塊的出口站，各單元到達出口站的流量過程線疊加得到出口站的流量過程。

5）采用幾年歷史水文資料，對于每一塊應用該模型參數(shù)率定子系統(tǒng)推求其有關參數(shù)，在調試達到一組最佳參數(shù)的條件下，可獲得歷年汛期連續(xù)洪水或各場次洪水的實測與計算擬合成果。

3 資料收集及處理

本次研究的范圍為嫩江干流從尼爾基水庫至大賚區(qū)間。首先分析嫩江流域大水年份，解放以來的大水年份為 1955，1969，1988，1989，1991，1993，1998年，其中1998年為解放后最大洪水年份，1969年為解放后第二大洪水年份，因此在選擇資料的年份上選取了1980—2008年加上1969年共30年的資料。其中雨量資料63個站，洪水資料18個站，蒸發(fā)資料11個站。雨量資料選用的是雨量摘錄資料，洪水資料選用的是洪水摘錄資料。將收集到的所有資料匯總，再做資料的處理。對于雨量摘錄資料，把雨量資料作移植，插補等處理；對于洪水摘錄資料，如果洪水摘錄資料不全的年份和站點，用日平均流量來插補；日蒸發(fā)資料要處理成時段蒸發(fā)。

4 新安江模型介紹

新安江模型是一個概念性降雨徑流模型，在我國濕潤與半濕潤地區(qū)廣為應用，取得了良好的效果。新安江模型是一個分散型的概念性模型。三水源新安江模型產流計算中應用蓄滿產流的概念；蒸散發(fā)計算采用3層模型；將水源劃分為地表徑流，壤中流和地下徑流3種；匯流計算分為坡面匯流和河網(wǎng)匯流兩部分，坡地匯流采用線性水庫或單位線；河道匯流采用馬斯京根分段連續(xù)演算法。新安江模型特點是模型參數(shù)少，且具有明確的物理意義，容易優(yōu)選；產流計算簡單，匯流計算相對復雜；模型中未設超滲產流機制，適用于濕潤與半濕潤地區(qū)。

4.1 模型結構

為了考慮降雨分布不均勻的影響，新安江模型設計為分散性的。按泰森多邊形法或天然流域劃分法將全流域劃分為N塊單元流域，在每塊單元流域內至少有一個雨量站。單元流域應大小適當，使得每塊單元流域上的降雨分布相對比較均勻。為了考慮下墊面條件的不同及變化，應盡可能使單元流域與自然流域相一致，以便利用小流域的實測水文資料和對問題的分析與處理。如流域內有水文站或大中型水庫，則水文站或大中型水庫以上的集水面積應作為一塊單元流域。

對劃分好的每塊單元流域分別進行產流、匯流計算，得到單元流域出口的流量過程；對單元流域出口的流量過程進行出口以下的河道匯流計算，得到該單元流域在全流域出口斷面的流量過程；將每塊單元流域在全流域出口斷面的流量過程線相疊加，就求得了全流域出口斷面總的流量過程。

三水源新安江模型每塊單元流域的計算流程如圖1所示。圖中方框外為參數(shù)值，方框內為狀態(tài)變量。輸入為實測降雨量過程P（t）和實測蒸發(fā)皿過程 EM（t）；輸出為流域出口斷面流量過程 Q（t）和流域實際蒸散發(fā)過程E（t）。

模型結構可分為蒸散發(fā)計算，產流計算，分水源計算和匯流計算4個層次結構。

4.2 模型參數(shù)

新安江模型參數(shù)如下：

1）B：張力水蓄水容量曲線的方次，反映流域面上蓄水容量分布的不均勻性。一般情況下與面積有關，對于小于5 km2的流域取0.1，幾百至一千平方公里時取0.2～0.3，幾千平方公里時取0.4左右。

2）C：深層蒸散發(fā)系數(shù)，決定于深根植物的覆蓋面積，在南方多林地區(qū)可達0.18，而對北方半濕潤地區(qū)約為0.08。

3）EX：產流面積上自由水蓄水容量曲線的方次。它決定于表層自由水蓄水條件的不均勻分布，一般在1～1.5左右。

4）IMP：不透水面積占全流域面積之比。在天然流域辭職很小，約為0.01～0.02，城鎮(zhèn)地區(qū)則可能很大。

5）K：蒸散發(fā)能力折算系數(shù)，即為流域蒸散發(fā)能力與實測水面蒸發(fā)能力之比。一般取0.5～1.2之間。

6）WM：流域平均蓄水容量，表示流域的干旱程度。找久旱后下大雨的資料，可認為雨前蓄水量為0，雨后已蓄滿，則此次洪水的總損失量就是WM。WM分為三層：WUM（上土層蓄水容量）約5～20 mm；WLM（下土層蓄水容量）可取 60～90 mm；WDM（深土層蓄水容量），WDM=WM-WUM-WLM。

7）SM：自由水庫蓄水容量，本參數(shù)受降雨資料時段均化的影響，當用日為時段長時，在土層很薄的山區(qū)，其值為10 mm或更小一些。在土深林茂的透水性能很強的流域，其值可達50 mm或更大一些，一般流域在10～20 mm之間。當所取時段長減小時，該參數(shù)應該加大。這個參數(shù)對地面徑流的多少起決定性作用。

8）KG：自由水地下水的出流系數(shù)，反映流域地下水的豐富程度。

9）KSS：自由水壤中流的出流系數(shù)。

圖1 三水源新安江模型結構圖

10）KG和KSS這兩個出流系數(shù)是并聯(lián)的，其和（KG+KSS）代表自由水出流的快慢。對于一個流域，它們都是常數(shù)。1000 km2左右的流域，從雨止到壤中流止的時間，一般為3 d左右，相當于KG+KSS=0.7；如果退水歷時為2 d，則KG+KSS=0.8。KKSS為壤中流消退系數(shù)。如無深層壤中流，KKSS趨于0；當壤中流很豐富時，KKSS趨于0.9，相當于匯流時間為10 d。

11）KKG為地下水消退系數(shù)。

12）UH為單位線，通過優(yōu)選確定。

5 模型參數(shù)率定

根據(jù)嫩江流域情況，選取尼爾基水庫到大賚區(qū)間干流及右側支流的站點來做洪水預報模型的參數(shù)率定。選定10個水文站作為洪水預報控制斷面編制新安江模型預報方案，其中嫩江干流3個，嫩江右側支流7個，詳見表1。

表1 嫩江干流及右側支流洪水預報方案站點一覽表

水文模型由模型結構和模型參數(shù)構成，一旦模型結構確定下來，模型參數(shù)是影響洪水預報結果非常重要的因素，因此，需對模型參數(shù)進行優(yōu)化以使洪水過程擬合最好，這個過程即為參數(shù)優(yōu)選。

模型的參數(shù)可分為兩類：一類是可以通過量測獲得的，如流域面積、河長、河道坡度、雨量站權重、分塊單元流域面積等，這類參數(shù)一經(jīng)確定不再修改。另一類則隨流域降雨徑流特性以及下墊面條件而不同，如各土層最大蓄水容量、自由水庫最大容量、蒸散發(fā)系數(shù)、入滲曲線的系數(shù)和指數(shù)，以及各層水流的出流和消退系數(shù)等。對后一類參數(shù)，一般都采用系統(tǒng)分析方法來確定，即以降雨、蒸發(fā)作為系統(tǒng)的輸入，在確定一組待求參數(shù)的條件下，通過模型運算，最后輸出流域出口斷面處的流量過程，經(jīng)過對參數(shù)的不斷調整，使計算和實測的流量過程擬合最佳，這種方法稱目標最佳擬合法，是優(yōu)選模型參數(shù)的最有效方法。

作為嫩江流域20世紀最大洪水年份1998年新安江模型率定成果見表2。

表21998年洪水新安江模型率定成果表

6 預報方案誤差評定

按照GB/T 22482-2008《水文情報預報規(guī)范》，通過對嫩江流域10個站點的洪水模擬進行精度評定，降雨徑流預報以實測洪峰流量的20%作為許可誤差，誤差小于20%的洪水模擬為合格,具體見表3。

表3 嫩江流域主要站點洪水預報方案誤差評定表

7 結論

通過新安江模型對嫩江流域洪水預報方案的編制，可以看出預報方案的精度會受到眾多因素的影響，如流域下墊面條件、河道狀況、測站分布、資料條件等，但最基本的還是雨量資料，以河道匯流為主且區(qū)間雨量測站密度相對較大的預報站點，預報方案合格率相對較高。

嫩江流域新安江模型預報方案整體達到了乙級以上預報水平，局部可以達到甲級預報水平，對實際洪水的檢驗模擬效果也不錯。待嫩江流域水情自動測報系統(tǒng)建設投運，隨著遙測雨量站網(wǎng)密度增加，積累新的雨洪資料后逐步修正完善預報方案，可使本方案的合格率進一步提高。

新安江模型是一個適用于濕潤半濕潤地區(qū)的降雨徑流模型，通過新安江模型對嫩江流域洪水預報的探討，該模型在嫩江流域的應用是適用的、可行的。

通過對新安江模型在嫩江流域的探討，形成的洪水預報調度系統(tǒng)已經(jīng)投入運行，有效提高了嫩江洪水預報的精度和預見期，為松遼委防汛抗旱和水資源管理提供科學、合理的洪水預測預報和調洪成果。

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