洪水預(yù)報(bào)模型在大中型水庫中的應(yīng)用研究

陳曉燕

摘要 本文對水箱模型、新安江模型原理進(jìn)行闡述，同時對這2個模型在清河水庫實(shí)際應(yīng)用過程中的誤差情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，采用試錯法對模型參數(shù)進(jìn)行了重新率定，對率定參數(shù)后的模型重新進(jìn)行歷史洪水模擬預(yù)報(bào)，以提高清河水庫洪水預(yù)報(bào)的精度。

關(guān)鍵詞 水箱模型；新安江產(chǎn)流模型；參數(shù)率定

中圖分類號 P338+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）19-0162-02

1 水箱模型

1.1 模型結(jié)構(gòu)

清河水庫位于遼河中游左側(cè)支流，清河下游，東經(jīng)約124 °、北緯約42.5 °，屬于濕潤半濕潤地區(qū)。庫容9.68億m3，屬于大（Ⅱ）型水庫。

水箱模型是一種較為廣泛應(yīng)用的降雨徑流模型，模型的基本原理是用蓄水水箱將降雨轉(zhuǎn)換為徑流的復(fù)雜過程，可簡單歸結(jié)成若干個蓄水水箱的調(diào)蓄作用，以水箱中的蓄水深度等參數(shù)計(jì)算流域的產(chǎn)流、匯流以及下滲過程，產(chǎn)流、匯流2個過程合而為一。

1.2 計(jì)算原理

選用清河水庫1964—2016年的80次洪水進(jìn)行分析，降雨、徑流關(guān)系采用二層串聯(lián)水箱進(jìn)行模擬，洪水的河道演進(jìn)采用四列并聯(lián)水箱進(jìn)行模擬[1]。結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

出流量及下滲公式如下：

第1層水箱：QT.1=0，ST.1≤h1.1

一孔QT.1=Q1=a1.1（ST.1-h1.1），h1.2≥ST.1>h1.1 （1）

二孔QT.1=Q1+Q2=a1.1（ST.1-h1.1）+a1.2（ST.1- h1.2）；ST.1>h1.2 （2）

下滲量FT.1=a1.0 ST.1 （3）

第2層水箱：QT.2=a2.1（ST.2-h2.1） （4）

下滲量FT.2=a2.0 ST.2 （5）

QT=QT.1+QT.2 （6）

其中：ST—時段初水箱蓄水量；h1.1，h1.2—第1層水箱側(cè)孔距水箱底的高度；a1.1，a1.2—第1層水箱側(cè)孔出流系數(shù)；a1.0—第1層底孔下滲系數(shù)；h2.1—第2層水箱側(cè)孔距水箱底的高度；a2.1—第2層水箱側(cè)孔出流系數(shù)；a2.0—第2層底孔下滲系數(shù)；FT—下滲量。

1.3 模型應(yīng)用

水箱模型原始參數(shù)匯流預(yù)報(bào)各項(xiàng)預(yù)報(bào)精度：峰值預(yù)報(bào)合格率68%；峰量合格率67%；峰現(xiàn)時間合格率72%。因歷史序列的延長以及水庫流域和環(huán)境的變化，需要對參數(shù)進(jìn)行新的率定，采用試錯法進(jìn)行參數(shù)重新率定。根據(jù)清河水庫流域特性以及有關(guān)歷史洪水的雨量、蒸發(fā)資料，初定參數(shù)，輸入選定的80次洪水的前期剩余水深、降雨、蒸發(fā)、實(shí)測流量資料，推求各洪水日的洪峰流量、峰現(xiàn)時間等指標(biāo)，并分別與各洪水日的實(shí)際洪峰流量、峰現(xiàn)時間等指標(biāo)相比較，求出相對誤差、絕對誤差及總的合格率[2]。

水箱模型參數(shù)率定后產(chǎn)流預(yù)報(bào)和匯流預(yù)報(bào)各項(xiàng)預(yù)報(bào)精度：峰值預(yù)報(bào)合格率73%；峰量合格率77%；峰現(xiàn)時間合格率75%。

統(tǒng)計(jì)分析得出，水箱模型運(yùn)算簡單方便利用Excel編制簡潔的程序計(jì)算表格，結(jié)構(gòu)靈活可以修改串聯(lián)水箱的數(shù)量 ，有較高的工作效率和質(zhì)量。對于2層串聯(lián)水箱模型，進(jìn)行參數(shù)率定后，用于非典型洪水（降雨空間分布、強(qiáng)度分布不均勻等情況）時，預(yù)報(bào)效果一般，于是嘗試根據(jù)降雨的時空分布修改并聯(lián)水箱的數(shù)量，使洪水預(yù)報(bào)的結(jié)果根據(jù)實(shí)際情況提前或滯后，更接近真實(shí)情況。一般情況下，對于洪峰比較陡的洪水，可以減少并聯(lián)水箱的數(shù)量，以加速模型的匯流速度；對于洪峰比較緩的洪水，可以增加并聯(lián)水箱的數(shù)量，坦化預(yù)報(bào)洪峰，進(jìn)而使模型預(yù)報(bào)更科學(xué)、更合理[3]。

2 新安江三水源模型

2.1 模型簡介

新安江模型作為我國濕潤半濕潤地區(qū)重要的代表性水文模型，在洪水預(yù)報(bào)方面發(fā)揮了重要作用，廣泛應(yīng)用于各個地區(qū)，是個概念性模型。

2.2 計(jì)算原理

計(jì)算公式如下：

式中：A—點(diǎn)蓄水量；R—產(chǎn)流量；P—降雨量；WU—土壤上層蓄水量；WL—土壤下層蓄水量；B—蓄水容量曲線指數(shù)；IBM—不透水面積指數(shù)；PE—流域初期蓄水校正量；E—蒸發(fā)量；WM—流域缺水量；WO—流域缺水變化量；WMM—流域最大缺水量。

清河水庫壩址以上流域平均降雨量P采用各雨量站降雨加權(quán)平均的方法計(jì)算。匯流預(yù)報(bào)過程中采用單位線法，雨強(qiáng)單位線是自動判斷選擇，選擇經(jīng)驗(yàn)單位線可以根據(jù)降雨等情況進(jìn)行選擇，可以進(jìn)行人工修正預(yù)報(bào)過程線[4-5]。

2.3 模型應(yīng)用

新安江模型原始參數(shù)產(chǎn)流預(yù)報(bào)和匯流預(yù)報(bào)各項(xiàng)預(yù)報(bào)精度：產(chǎn)流預(yù)報(bào)合格率70%；峰值預(yù)報(bào)合格率60%；峰量合格率60%；峰現(xiàn)時間合格率。

因歷史序列的延長以及水庫流域和環(huán)境的變化，需要對參數(shù)進(jìn)行新的率定。進(jìn)行率定的方法流程同水箱模型，此處不再贅述。

新安江模型參數(shù)率定后產(chǎn)流預(yù)報(bào)和匯流預(yù)報(bào)各項(xiàng)預(yù)報(bào)精度：產(chǎn)流預(yù)報(bào)合格率84%；峰值預(yù)報(bào)合格率71%；峰量合格率72%；峰現(xiàn)時間合格率75%。

選取典型的80場歷史洪水，通過新安江產(chǎn)流模型進(jìn)行產(chǎn)流預(yù)報(bào)，其中13場不合格，合格率84%。7場偏差比較大，其中39場的預(yù)報(bào)凈雨小于實(shí)際凈雨，41場的預(yù)報(bào)凈雨大于實(shí)際凈雨[6]。

通過新安江產(chǎn)流模型進(jìn)行匯流預(yù)報(bào)，洪峰流量23場不合格，合格率71%。10場偏差比較大，其中38場的預(yù)報(bào)洪峰流量小于實(shí)際洪峰流量，42場的預(yù)報(bào)洪峰流量大于實(shí)際洪峰流；最大3日洪水總量22場不合格，合格率72%，10場偏差比較大，其中38場的預(yù)報(bào)最大3日洪水總量小于實(shí)際最大3日洪水總量，42場的預(yù)報(bào)最大3日洪水總量大于實(shí)際最大3日洪水總量；峰現(xiàn)時間20場不合格，合格率75%，9場偏差比較大。

3 結(jié)語

通過對水箱模型、新安江模型的產(chǎn)流、匯流預(yù)報(bào)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析，更進(jìn)一步了解模型的適用性，找出預(yù)報(bào)誤差的規(guī)律；通過對模型參數(shù)的重新率定，提高了該模型洪水預(yù)報(bào)的整體預(yù)報(bào)精度，更體現(xiàn)了洪水預(yù)報(bào)的科學(xué)性、合理性，為本流域洪水預(yù)報(bào)精度的提升奠定基礎(chǔ)。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 崔慶忠，高世斌，車延路.新安江三水源模型在蒲河流域上的應(yīng)用[J].東北水利水電，2002（3）：32-35.

[2] 張飛峰.新安江三水源模型在柘林水庫洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2017（5）：61-63.

[3] 張荔，王娜，曹禮梅，等.水箱模型在小流域水文水質(zhì)模擬中的應(yīng)用研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（1）：123-126.

[4] 李有林.水箱模型的基本原理及其應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù)，2000（4）：229-232.

[5] 錢承萍，黃川友.新安江三水源模型與水箱模型在清江流域上的應(yīng)用與比較[J].西北水電，2013（2）：4-7.

[6] 王金忠，張清武，王宏峰.水箱模型在清河水庫洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].東北水利水電，2001（8）：22-23.