洪水預(yù)報(bào)模型在清河水庫(kù)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

王金忠

（遼寧省清河水庫(kù)管理局，遼寧 鐵嶺 112003）

清河流域?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年流域平均降雨量722.4 mm，年內(nèi)分配極不均勻。

1 模型簡(jiǎn)介

1.1 新安江模型結(jié)構(gòu)

新安江模型是一概念性流域水文模型，其采用了蓄滿產(chǎn)流概念，單位線或線性水庫(kù)概念和馬斯京根法，提出了分單元、分層、分水源、分時(shí)段的模型演算，并將三水源蒸散發(fā)模型應(yīng)用其中進(jìn)行的流域產(chǎn)流匯流計(jì)算?？紤]到下墊面分布不均勻的影響，新安江模型按計(jì)算順序分為蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、分水源計(jì)算和匯流計(jì)算四部分。其產(chǎn)流計(jì)算采用蓄滿產(chǎn)流模型，特別適用于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)[1-3]。近年來(lái)三水源新安江模型不斷完善，應(yīng)用地區(qū)日趨廣泛，其結(jié)構(gòu)模型流程也愈加清晰合理。其模型各層次參數(shù)及其物理意義見(jiàn)表1。

新安江模型在產(chǎn)流計(jì)算時(shí)采用蓄滿產(chǎn)流模型，即應(yīng)用蓄水容量—面積分配曲線確定降雨空間分布均勻情況下的總徑流量。

1.2 混合產(chǎn)流模型結(jié)構(gòu)

混合產(chǎn)流模型考慮到流域上一場(chǎng)降雨產(chǎn)生蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流并存的條件下，把流域蓄水容量-面積分布曲線和下滲能力分布曲線，結(jié)合組合成的一種垂向混合產(chǎn)流模式。當(dāng)降雨下落地面后，通過(guò)具有空間分布的下滲能力分布曲線分為地面徑流和下滲水流，下滲水流一部分補(bǔ)充土壤缺水量，一部分補(bǔ)充完土壤缺水量后產(chǎn)生地下徑流。

表1 模型各參數(shù)意義

垂向混合產(chǎn)流在計(jì)算時(shí)，地面徑流取決于降雨強(qiáng)度和下滲能力，為超滲產(chǎn)流模式，地下徑流則取決于前期土壤缺水量和下滲水量，為蓄滿產(chǎn)流模式。其通過(guò)將流域下滲能力分布曲線和蓄水容量分布曲線進(jìn)行垂向結(jié)合，如圖1。

圖1 垂向結(jié)合法結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)凈雨P(guān)E到達(dá)地面，若降雨強(qiáng)度大于下滲能力，則產(chǎn)生地面徑流RS=PE-FA。

下滲水量FA在缺水量大的土壤中，補(bǔ)充土壤缺水量△W，在缺水量少的地方補(bǔ)充完缺水量后，多余水量則產(chǎn)生地下徑流RR。

當(dāng) FA+a＜WM（B+1）時(shí)，

當(dāng) FA+a＞W(wǎng)M（B+1）時(shí)，

總徑流R=RS+RR

式中：WM——流域平均蓄水容量；W——流域?qū)嶋H土壤含水量；a——相應(yīng)于初始土壤平均含水量W的最大值；B——蓄水容量分布曲線指數(shù)；RR——地面以下徑流；FA——下滲水量。

根據(jù)清河流域氣候特征，考慮到北方季節(jié)性降雨特點(diǎn)和低溫條件，將混合產(chǎn)流模型蒸發(fā)進(jìn)行改進(jìn)分段計(jì)算，在10—11，4—5月份采用一層蒸發(fā)模式即：當(dāng) WU+P≥Ep；Eu=Ep；當(dāng) WU+P＜Ep；Eu=WU+P；El=0、Ed=0。在 1—3 月份采用一層蒸發(fā)模式即：因?yàn)榇碎g月份北方特有的寒冷使得土壤凍結(jié)[5]，改變了土壤實(shí)際蒸發(fā)能力和流域蒸發(fā)能力的比值，應(yīng)對(duì)實(shí)際蒸發(fā)進(jìn)行折算，當(dāng)WU+P≥Ep，Eu=k1×Ep，當(dāng) WU+P＜Ep，Eu=k2×（WU+P），El=0，Ed=0。式中k1，k2分別為蒸發(fā)折算系數(shù)小于1，P為凈雨或凈雪融量。在6—9月份采用雙源蒸發(fā)計(jì)算流域蒸發(fā)能力。

1.3 薩克拉門(mén)托模型結(jié)構(gòu)

薩克拉門(mén)托模型簡(jiǎn)稱SCA模型，是集總參數(shù)型的連續(xù)運(yùn)算的確定性流域水文模型，其以土壤水份得儲(chǔ)存、滲透、移動(dòng)和蒸散發(fā)為特性，用一系列具有物理概念的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述徑流形成的各個(gè)過(guò)程。薩克拉門(mén)托模型將流域劃分為永久不透水面積、可變不透水面積和透水面積。將水源劃分為直接徑流、地面徑流、壤中流、快速地下水和慢速地下水進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算。

1)其直接徑流由永久不透水面積和可變不透水面積上形成的直接徑流兩部分組成。

永久不透水面積產(chǎn)生的直接徑流

可變不透水面積產(chǎn)生的直接徑流

式中：P為時(shí)段降雨量；PAV為有效降雨。

2）地面徑流則為上土層自由水達(dá)到最大值后，超過(guò)的部分形成地表徑流為：

式中：PAREA為透水面積占全流域的比例，PAREA=1-（PCTIM+ADIMP），

3）壤中流為上土層自由水的側(cè)向出流，日出流量 RI。

式中：UZFWC為上層自由水蓄量；UZK為壤中流出流系數(shù)。

4）快速地下水和慢速地下水則假定與蓄量成線性關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。

1.4 參數(shù)率定方法及原則

流域水文模型在結(jié)構(gòu)合理的前提下，參數(shù)的率定也是其應(yīng)用中的一個(gè)重要部分。由模型流程可知模型輸入降雨量、蒸發(fā)量、輸出流量。但由于一些地區(qū)缺乏降雨徑流、蒸發(fā)等實(shí)測(cè)資料，只能靠借用臨近地區(qū)資料或依據(jù)出口斷面實(shí)測(cè)流量過(guò)程，用系統(tǒng)識(shí)別的方法推求。又由于水文現(xiàn)象具有高度的復(fù)雜性和隨機(jī)性，水文模型在使用過(guò)程中參數(shù)多信息量少，就會(huì)產(chǎn)生參數(shù)的相關(guān)性和不唯一性等問(wèn)題。本文應(yīng)用參數(shù)的人機(jī)交互率定方法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定[6]。

2 模型的應(yīng)用

2.1 日模參數(shù)值及預(yù)報(bào)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)有資料選取了清河水庫(kù)流域1985—2010年的日降雨資料，日平均流量資料和1992—2010年25場(chǎng)洪水的資料，作為模型初始值及參數(shù)的率定及模型計(jì)算和檢驗(yàn)，將其參數(shù)依據(jù)上述人機(jī)交互方法并分層進(jìn)行優(yōu)選。按蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、水源劃分、匯流計(jì)算[3，5]四個(gè)層率定完參數(shù)后進(jìn)行預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。由預(yù)報(bào)結(jié)果可知：在日模型率定期各個(gè)模型年徑流深的最大相對(duì)誤差只有一年達(dá)到18.08%，所有年份均低于±20%。平均相對(duì)誤差-2.5%，-1.72%，-0.17%。確定性系數(shù)最大、最小分別為0.848，0.512。在日模型檢驗(yàn)期年徑流最大相對(duì)誤差分別為-10.6%，16.19%，15.62%，其余年份均小于±10%，確定性系數(shù)均值分別為0.729，0.709，0.746。率定和檢驗(yàn)期新安江模型相對(duì)誤差較其它兩模型小，其相對(duì)誤差只有兩場(chǎng)超過(guò)±10%，其他年份均低于±10%。

2.2 次洪預(yù)報(bào)結(jié)果

選取1992—2010年25場(chǎng)洪水資料，作為次洪模型率定和檢驗(yàn)期的模擬。因次洪中是以小時(shí)為時(shí)段長(zhǎng)，可知其參數(shù)中與時(shí)段長(zhǎng)無(wú)關(guān)的可以借用日模參數(shù)，如新安江模型的K，WM，WUM，WLM，B，C，EX。另外一些參數(shù)則與時(shí)段長(zhǎng)有關(guān)。

新安江模型次洪率定期20場(chǎng)洪水19場(chǎng)合格，其確定性系數(shù)平均為0.832，為乙級(jí)精度預(yù)報(bào)方案，最高的達(dá)到0.953，其中有6場(chǎng)洪水達(dá)到甲級(jí)精度預(yù)報(bào)方案。檢驗(yàn)期5場(chǎng)洪水均合格，其確定性系數(shù)平均為0.700，為乙級(jí)精度預(yù)報(bào)方案?；旌袭a(chǎn)流模型在率定期有18場(chǎng)洪水合格，其確定性系數(shù)平均為0.816，為乙級(jí)精度預(yù)報(bào)方案，其中有6場(chǎng)洪水達(dá)到甲級(jí)精度預(yù)報(bào)方案。檢驗(yàn)期的5場(chǎng)洪水4場(chǎng)合格。SCA模型在率定期有17場(chǎng)合格，確定性系數(shù)均值0.800，其中7場(chǎng)達(dá)到甲級(jí)精度預(yù)報(bào)方案，檢驗(yàn)期有1場(chǎng)不合格，也均達(dá)到乙級(jí)預(yù)報(bào)精度。

根據(jù)模擬結(jié)果，分析三模型在清河水庫(kù)均能符合洪水預(yù)報(bào)規(guī)范，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，三模型在濕潤(rùn)地區(qū)模擬結(jié)果良好。從模型結(jié)構(gòu)和清河地區(qū)氣候條件分析，垂向混合產(chǎn)流在清河流域經(jīng)過(guò)改進(jìn)應(yīng)用效果更好。

2.3 預(yù)報(bào)結(jié)果分析

從垂向混合產(chǎn)流模型改進(jìn)后的模擬結(jié)果分析，從計(jì)算結(jié)果看出：在對(duì)次洪模擬中出現(xiàn)了一些場(chǎng)次降雨量小于實(shí)測(cè)徑流量，可能原因有：

1）雨量站少、站網(wǎng)密度小，選擇的位置不合理使得不能得到暴雨中心的雨量，從而計(jì)算的平均降雨量偏小。

2）流域地理因素，因流域面積大，地理?xiàng)l件復(fù)雜降雨時(shí)空分布極不均勻。

3）測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)，由于降雨量觀測(cè)中信號(hào)傳輸?shù)闹袛嗷蛘J(rèn)為因素，使得漏記，多記等原因，都可能影響到數(shù)據(jù)的不合。

4）高強(qiáng)度降雨偏小，雨量資料缺測(cè)等。考慮以上因素，可以增加雨量站的數(shù)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)，及時(shí)排除不合理數(shù)據(jù)。

從單場(chǎng)洪水分析，如990922號(hào)洪水，峰現(xiàn)時(shí)差提前46 h，得出9月25日后實(shí)測(cè)流量明顯呈尖峰，原因是由于上游水庫(kù)放水使得流量突然增加，在不考慮此次放水情況下，模擬結(jié)果較好，峰現(xiàn)時(shí)差為計(jì)算提前1 h。

從單場(chǎng)洪水970829號(hào)洪水分析可知，計(jì)算流量漲水段明顯較實(shí)測(cè)流量偏大，原因是由于此次暴雨中心集中在上游，水庫(kù)前期水位上漲緩慢，又由于水庫(kù)實(shí)測(cè)流量是根據(jù)水庫(kù)水位反推得到，使得實(shí)測(cè)流量較計(jì)算流量偏小。

3 結(jié)語(yǔ)

新安江模型目前主要應(yīng)用于濕潤(rùn)，半濕潤(rùn)地區(qū)，垂向混合產(chǎn)流模型在半干旱、干旱地區(qū)使用也較多，根據(jù)清河水庫(kù)流域地處東北凍土地區(qū)的實(shí)際情況，將三模型應(yīng)用于清河水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)中取得了較好效果。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的垂向混合產(chǎn)流模型的預(yù)報(bào)方案在清河地區(qū)合理可行，預(yù)報(bào)精度較高，利用符合東北氣候特點(diǎn)的混合產(chǎn)流模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，可給水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)提供一定的借鑒。

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