新安江-海河模型在清漳河流域的應(yīng)用

趙煒

（河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局，河北邯鄲056001）

新安江-海河模型在清漳河流域的應(yīng)用

趙煒

（河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局，河北邯鄲056001）

針對(duì)北方河道洪水初期比較干枯的情況，以及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)產(chǎn)匯流影響等特點(diǎn)，文中采用修訂的新安江-海河模型應(yīng)用于清漳河流域，對(duì)匡門(mén)口站多年洪水資料進(jìn)行產(chǎn)匯流模擬。結(jié)果表明，在考慮了海河流域的特性，新增地下水和河道初損等參數(shù)的新安江-海河模型達(dá)到了預(yù)報(bào)精度，參數(shù)取值合理、模型結(jié)構(gòu)較完善，徑流量合格率高于洪峰的預(yù)報(bào)結(jié)果符合清漳河流域的特性，可以將徑流量預(yù)報(bào)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

新安江-海河模型]；清漳河流域；下墊面；徑流量

新安江模型是在新安江水庫(kù)上提出來(lái)的水文模型，是一套完整的降雨徑流流域模型，是分布式的概念性模型，主要適用于我國(guó)長(zhǎng)江、淮河及其以南濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)。清漳河屬于海河流域，地處北方半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)，受北方氣候因素影響，新安江模型未能普遍應(yīng)用于北方地區(qū)。針對(duì)北方河道洪水初期比較干枯的情況，以及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)產(chǎn)匯流影響等特點(diǎn)，文中采用修訂的新安江-海河模型應(yīng)用于清漳河流域，并進(jìn)行敏感參數(shù)率定、產(chǎn)匯流模擬演算和洪水預(yù)報(bào)等，檢驗(yàn)該模型在清漳河流域的預(yù)報(bào)精度。

1 新安江-海河模型

新安江-海河模型是在新安江模型三水源劃分模塊的基礎(chǔ)上，考慮水利工程攔蓄與地下水位下降的影響，增加了底線攔蓄模塊和表層攔蓄模塊[5]。根據(jù)海河流域產(chǎn)匯流特性，以及各類(lèi)工程對(duì)流域下墊面的嚴(yán)重影響，在新安江模型框架內(nèi)增加了可以反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)下墊面影響的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建更適合于海河流域的新安江-海河模型[6]。

新安江-海河模型參數(shù)大致可分為5種類(lèi)型：蒸發(fā)參數(shù)，K，C，WUM，WLM；產(chǎn)流參數(shù)，WM，B，IMP；分水源參數(shù)，SM，EX，KG，KI，KGG；表層與地下攔蓄水庫(kù)參數(shù)，F(xiàn)v/Ft，Rvm，F(xiàn)O，Rd；匯流參數(shù)，CG，CI，CS，L，IMF。其中，新增的參數(shù)包括：補(bǔ)給深層地下水模塊；地表徑流填洼系數(shù)，反映流域水土保持工程的影響；流域蓄水容量系數(shù)；河道初損或滲漏系數(shù)，反映河道滲漏和前期含水量較小的情況；河網(wǎng)蓄水的消退系數(shù)CS：會(huì)影響模擬的圖形狀態(tài)；小型蓄水工程控制面積比例IMF：通過(guò)流域查勘得到，調(diào)節(jié)IMF值可以輕微影響到產(chǎn)匯流過(guò)程；歸一化植被指數(shù)（NDVI），反映植被變化引起的蒸散發(fā)變化，同時(shí)增加了該參數(shù)與新安江模型中蒸發(fā)模型的關(guān)系。

2 流域自然地理概況

清漳河是漳河的一大支流，屬常年性河流，發(fā)源于山西省太行山區(qū)；流域地形為西北部高，東南部低，河水自西北流向東南，全長(zhǎng)142 km，流域總面積5 339 km2；清漳河流域?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，區(qū)間冬春干旱多風(fēng)，夏季溫和多雨，秋季天高氣爽，植被良好，土壤濕潤(rùn)，流域蓄水易于飽和，洪水暴漲暴落且歷時(shí)較短。

清漳河流域在河北省境內(nèi)設(shè)有水文站2處，其中劉家莊水文站為清漳河入河北省境內(nèi)的水文控制站，流域面積3 800 km2；匡門(mén)口水文站位于清漳河中下游，流域面積5 060 km2。本文將采用匡門(mén)口站歷年水文資料進(jìn)行新安江-海河模型的應(yīng)用，匡門(mén)口站多年平均降雨量560 mm左右，多集中在汛期的6—9月。

3 產(chǎn)匯流模擬計(jì)算

3.1 資料情況

搜集了1957—2012年的1 h和逐日降水量，逐日流量，逐日蒸發(fā)等實(shí)測(cè)資料；流域內(nèi)雨量站23處，其中河北省5處，山西省18處；面雨量計(jì)算采用算術(shù)平均法。

根據(jù)清漳河流域55場(chǎng)次洪水點(diǎn)繪降雨徑流相關(guān)圖（圖略），從相關(guān)圖進(jìn)行分析可見(jiàn)，由于下墊面等因素影響，1980年前后的徑流量變化較大，因此以1980年為節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行產(chǎn)匯流模擬計(jì)算；按照最大3 d洪量將55場(chǎng)洪水分別劃分為大、中、小3種量級(jí)，從相關(guān)圖分析得出大洪水量級(jí)的降雨徑流關(guān)系未受下墊面等因素影響，徑流變化甚微，因此不再對(duì)大洪水年份進(jìn)行模擬計(jì)算?？镩T(mén)口以上流域洪量按5年至10年一遇（中水）和小于5年一遇（小水）進(jìn)行分級(jí)。分級(jí)場(chǎng)次，見(jiàn)表1。

3.2 確定模型參數(shù)初始值

新安江模型研究的難點(diǎn)是模型各個(gè)參數(shù)的率定和不確定性分析。新安江-海河模型共有28個(gè)參數(shù)，將全部參數(shù)進(jìn)行率定，不僅使各參數(shù)之間存在誤差，而且會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果不可靠。因此，根據(jù)參數(shù)的區(qū)域劃分以及手動(dòng)參數(shù)率定等方式確定敏感和非敏感參數(shù)，只進(jìn)行敏感參數(shù)優(yōu)選率定即可。

經(jīng)查閱《水文情報(bào)預(yù)報(bào)技術(shù)手冊(cè)》，可知新安江模型的敏感參數(shù)主要是K，X，SM，L，CS，CI，KG，KI，CG，IMF。對(duì)以上敏感參數(shù)在海河流域應(yīng)用進(jìn)行仔細(xì)分析，根據(jù)海河流域的產(chǎn)流特性，參數(shù)K，X，CG轉(zhuǎn)為不敏感參數(shù)，一般可設(shè)定固定值K為1，X為0.35，CG為0.998；對(duì)于其它不敏感性參數(shù)可通過(guò)日模型確定，如C，WM，EX，B，KK等參數(shù)初始值分別為0.08，180，1.2，0.4，0，通過(guò)日模型確定的取值不僅符合清漳河流域?qū)嶋H情況，還可以使模擬結(jié)果符合規(guī)范要求。

通過(guò)對(duì)確定的敏感參數(shù)SM，L，CS，CI，KG，KI，IMF進(jìn)行次模型優(yōu)選可知，SM對(duì)洪量的大小較為敏感，手工調(diào)節(jié)SM值可有效調(diào)整洪量；L對(duì)峰現(xiàn)時(shí)間敏感，可根據(jù)調(diào)整或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手工設(shè)定；CS為匯流參數(shù)，影響河槽調(diào)蓄作用較小，陡洪水漲陡落或陡漲緩落時(shí)，可調(diào)整CS改變匯流過(guò)程，調(diào)整CS值對(duì)洪峰變化較為敏感；CI，KG，KI是與壤中流和地下徑流有關(guān)的參數(shù)，影響壤中流與地下徑流過(guò)程線可根據(jù)調(diào)整或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手工設(shè)定；IMF是小型蓄水工程控制面積比例系數(shù)，輕微影響產(chǎn)匯流過(guò)程。

4 新安江-海河模型模擬結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)匡門(mén)口以上流域1957—2012年的產(chǎn)匯流模擬計(jì)算，從中篩選出1980年前后的20場(chǎng)次代表性洪水進(jìn)行結(jié)果檢驗(yàn)和分析。模擬及檢驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表1～3。

表1 清漳河流域新安江-海河模型產(chǎn)匯流模擬成果表

表2 產(chǎn)匯流模擬計(jì)算成果和檢驗(yàn)評(píng)定表（1980年以前）

根據(jù)GBT 22482-2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果為清漳河流域1980年前中，小水合格率分別為100%，82.4%，1980年后合格率均為100%；代表性洪水的檢驗(yàn)結(jié)果：1980年以前的徑流量和洪峰預(yù)報(bào)檢驗(yàn)合格率分別為80.0%，50%，確定性系數(shù)均值為0.69；1980年以后的徑流量和洪峰預(yù)報(bào)檢驗(yàn)合格率分別為100%，60%，確定性系數(shù)均值為0.71；模型有效性評(píng)定為乙級(jí)精度，達(dá)到了應(yīng)用于清漳河流域的預(yù)報(bào)水平，模型適用于海河流域的水文特性。

表3 產(chǎn)匯流模擬計(jì)算成果和檢驗(yàn)評(píng)定表（1980年以后）

依據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，將清漳河流域的洪水進(jìn)行洪量分級(jí)應(yīng)用于新安江-海河模型，模擬結(jié)果較理想，洪量誤差符合規(guī)范要求，合格率均達(dá)80%以上，新增參數(shù)取值合理，符合模型的物理意義，說(shuō)明修訂的海河模型能夠反應(yīng)清漳河流域的下墊面變化特性；受下墊面變化影響，SM值的率定結(jié)果表明1980年以后比1980年以前的最大蓄水容量有所增加；河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)CS反映了1980年前后的洪水坦化過(guò)程，表明清漳河流域1980年以后的河道發(fā)生了變化，河道的坦化作用比1980年以前有顯著變化；IMF主要反應(yīng)了洪水量級(jí)越小，該參數(shù)比例呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，說(shuō)明清漳河流域在1980年以后增加了小水庫(kù)及水電站等蓄水工程；滯時(shí)L反應(yīng)了洪水量級(jí)越小，滯時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，與IMF具有相關(guān)；從檢驗(yàn)及率定結(jié)果進(jìn)行分析，徑流量合格率高于洪峰的預(yù)報(bào)結(jié)果符合清漳河流域的特性，可以將徑流量預(yù)報(bào)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將新安江-海河模型應(yīng)用于清漳河流域，并以匡門(mén)口站多年洪水資料進(jìn)行率定和驗(yàn)證?？梢钥闯鲈诳紤]了海河流域的特性，新增地下水和河道初損等參數(shù)的新安江-海河模型達(dá)到了預(yù)報(bào)精度，參數(shù)取值更合理，模型結(jié)構(gòu)更完善，將模型應(yīng)用于清漳河流域是可行的。由于海河流域受人類(lèi)活動(dòng)影響顯著，且產(chǎn)匯流趨勢(shì)，徑流年際與南方流域有較大差異，為了達(dá)到較好的模擬精度，將歷史洪水資料進(jìn)行了年代和量級(jí)分類(lèi)。因此，模型應(yīng)用于汛期實(shí)際預(yù)報(bào)時(shí)，預(yù)報(bào)精度可能會(huì)低于模型的檢驗(yàn)和評(píng)定精度，我們應(yīng)根據(jù)流域內(nèi)的降雨情況進(jìn)行量級(jí)歸類(lèi)或?qū)崟r(shí)逐時(shí)段預(yù)報(bào)，使模型預(yù)報(bào)結(jié)果更符合客觀實(shí)際，提高預(yù)報(bào)精度。

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1002－0624（2016）09－0031－03

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2016-02-22