新安江水文模型在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

張心鳳，賴萬安

（珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611）

水文模型是描述、模擬流域水文現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，從定量上分析計(jì)算形成流域出口斷面流量過程線的全部過程，包括降水、蒸發(fā)、截留、下滲，地面徑流、壤中流、地下徑流的形成，坡面調(diào)蓄和河網(wǎng)調(diào)蓄。

水文模型以其理論性強(qiáng)、概念清晰、結(jié)構(gòu)精細(xì)、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)在水文理論研究、水文預(yù)報(bào)中得到廣泛應(yīng)用［1-2］。以往工作中由于水文模型參數(shù)眾多，優(yōu)選困難的問題在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展已經(jīng)不再成為問題；降雨量代表性問題也將隨著水文站網(wǎng)現(xiàn)代化建設(shè)的普及而得到解決。因此，水文模型在水利現(xiàn)代化建設(shè)中將發(fā)揮越來越重要的作用［3］。

1 萬泉河流域概況

萬泉河是海南島第三大河流，位于海南島東南偏東部，發(fā)源于瓊中縣五指山風(fēng)門嶺，分南北兩源，南源稱乘坡河（也稱樂會(huì)水），北源稱定安河（也稱大邊河），南北兩河匯合于瓊海市合口咀。萬泉河向東或東北向流經(jīng)瓊中、屯昌、定安、文昌、萬寧等市縣，至瓊海市后急轉(zhuǎn)南下，經(jīng)博鰲港出海。干流全長(zhǎng)156.6km，平均坡降11.2%，總落差523.0m，流域面積3693km2。流域內(nèi)水系發(fā)育，支流較多，水系分布如圖1。

圖1 萬泉河水系分布圖

萬泉河干流自合口咀以下至河口56km，支流主要有文曲河、加浪河、塔洋河，在出?？谟野队屑娣e為278km2的九曲江經(jīng)沙美內(nèi)海匯入同一海灣出海。

萬泉河流域是海南島年降雨量最大的地區(qū)，是海南省的暴雨中心之一，多年平均降雨量2385mm，暴雨的形成以臺(tái)風(fēng)為主，是臺(tái)風(fēng)入侵的通道，素有臺(tái)風(fēng)走廊之稱，其中下游及河口區(qū)常遭受洪澇和風(fēng)暴潮災(zāi)害，平均每年有4次臺(tái)風(fēng)，并伴隨著暴雨和大暴雨。根據(jù)加積站實(shí)測(cè)資料，多年平均流量157m3/s，多年平均徑流量49.5億m3，實(shí)測(cè)最大洪峰流量1.01億m3/s（1970年10月17日），歷史上最大洪峰流量1.17億m3/s（1948 年）。

2 水文站點(diǎn)及資料概況

2.1 水文站點(diǎn)

萬泉河流域現(xiàn)有加積、乘坡、加報(bào)3個(gè)水文站，雨量站點(diǎn)29個(gè)。此外九曲江地區(qū)雨量站有5個(gè)，龍滾河雨量站1個(gè)。流域內(nèi)設(shè)有蒸發(fā)站1個(gè)，即加報(bào)站。除了這些固定站點(diǎn)外，萬泉河流域還設(shè)立過一些臨時(shí)站點(diǎn)，由于臨時(shí)站點(diǎn)資料不完整，本模型沒有采用。根據(jù)資料來源及站點(diǎn)分布情況，選用加積、加報(bào)為預(yù)報(bào)控制水文站；蒸發(fā)代表站為加報(bào)站；雨量控制站20個(gè)。

2.2 水文基本資料

（1）加積水文站：1948～2000 年的水位、流量、含沙量、輸沙率資料。

（2）加報(bào)水文站：1956～2000 年的水位、流量、含沙量、輸沙率、蒸發(fā)資料。

（3）雨量站資料：1948～2000 年資料。

（4）地形資料：1∶50000 電子地形圖。

3 模型預(yù)報(bào)方案

3.1 模型總結(jié)構(gòu)

萬泉河流域由多個(gè)自然流域單元組成，具有水系發(fā)達(dá)和側(cè)支眾多等特點(diǎn)。流域內(nèi)100km2以上一級(jí)支流有6條，其中河長(zhǎng)超過50km的有定安河和塔洋河。

根據(jù)其自然特點(diǎn)，結(jié)合站點(diǎn)布置情況，分為8個(gè)自然流域單元，其面積分別為1149，1236，398.1，220.1，286.6，406.8，297.4，211.8km2。

單元流域分布如圖2。

圖2中A0單元乘坡河出口斷面為牛路嶺水庫(kù)壩址，出口流量為水庫(kù)放水流量，不做產(chǎn)匯流計(jì)算；此外A7單元龍滾河在新開河處分流，不影響萬泉河洪水演進(jìn)，也不予計(jì)算。因此，實(shí)際參與計(jì)算的有A1～A6等6個(gè)流域單元。

圖2 萬泉河流域單元分布

3.2 產(chǎn)流模型基本結(jié)構(gòu)

采用新安江三水源流域水文模型作為萬泉河流域水文預(yù)報(bào)的基本模型［4］。其基本結(jié)構(gòu)如下：

蓄滿前：

蓄滿后：

式中 P為時(shí)段降雨量 （mm）；E為時(shí)段蒸散發(fā)量（mm）；W1、W2為時(shí)段始末土壤中含水量（mm）；R 為時(shí)段總產(chǎn)流量（mm）；WM為田間持水量（mm）。

當(dāng) S+PE≤SM，RS=0；

當(dāng) S+PE>SM，RS=（S+PE-SM）×FR。

式中 S為自由水庫(kù)蓄水量（mm）；SM為自由水蓄水庫(kù)的容量；FR為產(chǎn)流面積，由蓄水容量曲線確定。

3.3 模型基本參數(shù)

新安江三水源流域水文模型基本參數(shù)：K為流域蒸散發(fā)能力與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之比；C為深層蒸散發(fā)系數(shù)；IMP為不透水面積比重；WM為流域平均蓄水容量（指張力水）；WUM為流域平均上層蓄水容量；WLM為流域平均下層蓄水容量；WDM為流域平均深層蓄水容量（WDM=WM-WUM-WLM）；B為流域蓄水容量曲線指數(shù)；EX為自由水蓄水容量曲線指數(shù)；KKG為地下水日退水系數(shù)；KSS為壤中流出流系數(shù)；KG為地下水出流系數(shù)；UH為無因次的地表徑流單位線縱標(biāo)。

3.4 河道匯流模型結(jié)構(gòu)

采用長(zhǎng)辦匯流曲線為河道匯流模型［5］，公式如下：

式中 tK為入流歷時(shí)；τ為河段匯流時(shí)間；Pon為入流終止前第n個(gè)河段的匯流系數(shù)；PKn為入流終止后第n個(gè)河段的匯流系數(shù)。

此匯流曲線用于河段洪水演算的優(yōu)越性在于考慮了演算河段中區(qū)間匯入的各支流入流點(diǎn)距下游斷面的遠(yuǎn)近而應(yīng)受到的不同大小的調(diào)節(jié)作用。

4 模型率定與驗(yàn)證

4.1 模型率定與改進(jìn)

萬泉河流域水文預(yù)報(bào)模型設(shè)計(jì)為連續(xù)演算預(yù)報(bào)模型［6］，根據(jù)資料情況，選用 1990～2000 年 11 年系列資料進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)，為滿足各種預(yù)見期（1～6h）的預(yù)報(bào)要求，選定計(jì)算時(shí)段DT=1h。經(jīng)率定，求得模型參數(shù)如表1。

表1 模型參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，模型對(duì)于過程的擬合效果不甚理想，主要是洪水起漲段和退水段擬合不佳，分析后認(rèn)為是山塘、小水庫(kù)、水田的蓄水作用所至，因此增加一個(gè)模擬地面水庫(kù)蓄水作用的結(jié)構(gòu)［7-8］，增加以下4個(gè)參數(shù)，則：

RESM為地面水庫(kù)蓄水容量；RES0為地面水庫(kù)蓄水量初值；KRES為地面水庫(kù)出流系數(shù)；FRES為地面水庫(kù)控制面積。這4個(gè)參數(shù)經(jīng)率定為：RESM=55；RES0=0；KRES=0.2；FRES=0.56。

增加模擬地面水庫(kù)蓄水作用的結(jié)構(gòu)后，過程擬合精度大為提高，洪峰預(yù)報(bào)精度也有所提高。經(jīng)率定，采用2條流域匯流單位線，定安河匯流單位線如圖3，其他單元流域匯流單位線如圖4。

圖3 定安河匯流單位線

圖4 其他單元流域匯流單位線

4.2 模型驗(yàn)證

加報(bào)水文站資料較全，而加積站除2000年外，其余年份缺牛路嶺水庫(kù)的放流資料，所以模型主要以加報(bào)站流量進(jìn)行驗(yàn)證。

2000年洪水過程驗(yàn)證成果如圖5，圖6所示。模型驗(yàn)證表明：在1990～2000年加積站和加報(bào)站的水量平衡研究中，模擬結(jié)果比較符合實(shí)測(cè)值，證明模型對(duì)萬泉河流域具有較強(qiáng)的適用性。

圖5 加積站洪水過程模擬（2000年10月12日～21日）

圖6 加報(bào)站洪水過程模擬（2000年10月12日～21日）

5 結(jié)語

（1）蓄滿產(chǎn)流結(jié)構(gòu)能很好的適應(yīng)萬泉河流域的水文特性，模擬精度較高，特別是對(duì)于流域普降大雨形成的洪水模擬效果非常理想，證明模型對(duì)萬泉河流域具有較強(qiáng)的適用性，在流域水資源管理中具有較好的應(yīng)用前景。

（2）山塘、小水庫(kù)、水田有一定調(diào)蓄作用，對(duì)洪水起漲段和退水段影響較為明顯。

（3）萬泉河流域洪水主要是由臺(tái)風(fēng)暴雨形成，暴雨前一般有零星降雨使土壤充分濕潤(rùn)，符合蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流機(jī)制。但是也存在鋒面陣雨形成洪水的情況，這時(shí)產(chǎn)流機(jī)理更符合超滲產(chǎn)流機(jī)理，本模型對(duì)于這種雨型的洪水預(yù)報(bào)精度較差，1990年洪水、1994年洪水及1996年洪水當(dāng)屬這種情況，如能增加超滲結(jié)構(gòu)，則模型更為完善。

（4）定安河上雨量站密度較大，能較好地反映流域降雨分布情況，而加報(bào)以下至加積區(qū)間雨量站稀少，不能充分反映流域?qū)嶋H降雨情況，對(duì)模擬精度有一定影響。

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