新安江模型在馬尪溪流域徑流模擬的應(yīng)用

楊 凱，阮曉波，游 圓

(1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 20032)

新安江模型在馬尪溪流域徑流模擬的應(yīng)用

楊 凱1，阮曉波2，游 圓1

(1.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 20032)

新安江模型廣泛應(yīng)用在我國(guó)南方濕潤(rùn)地區(qū)，模擬結(jié)果也較為準(zhǔn)確.蒸散發(fā)計(jì)算參數(shù)、產(chǎn)流模型計(jì)算參數(shù)、水源劃分參數(shù)、匯流模型計(jì)算參數(shù)是新安江模型的四大類型參數(shù).根據(jù)馬尪溪流域的水文特性，以江家水文站為例，應(yīng)用新安江模型模擬日徑流過(guò)程，徑流率定和檢驗(yàn)成果全部達(dá)到乙級(jí)以上，徑流深相對(duì)誤差全部合格.結(jié)果表明：新安江模型在浙西山區(qū)馬尪溪流域江家水文站徑流模擬成果較好，可用于日徑流模擬及預(yù)報(bào)，可將其應(yīng)用于臨近未設(shè)立水文觀測(cè)站的小流域.

新安江模型；徑流模擬；馬尪溪

1 概 述

在濕潤(rùn)地區(qū)，由于降雨量充沛，地下水位較高，包氣帶較薄，且土壤含水量高，一般暴雨就能夠使流域蓄滿；由于氣候濕暖，植物繁茂，植物根系作用及跟做造成表層土壤十分疏松，所以下滲能力很強(qiáng)，一般暴雨強(qiáng)度不易超過(guò)，該產(chǎn)流方式為蓄滿產(chǎn)流[1].

從20世紀(jì)60年代初開(kāi)始，我國(guó)水文學(xué)家趙人俊[2]致力于對(duì)濕潤(rùn)地區(qū)降雨徑流關(guān)系的研究，并于1973年提出新安江模型，該模型特點(diǎn)是認(rèn)為蓄滿產(chǎn)流為濕潤(rùn)地區(qū)主要的產(chǎn)流方式，其核心為流域蓄水容量關(guān)系曲線.隨后，李藝婷[3]，金鑫[4]等對(duì)新安江模型的應(yīng)用作了一定的探索.新安江模型及其理論被列入建國(guó)40周年國(guó)家百項(xiàng)重大科技成果，是中國(guó)水文科學(xué)領(lǐng)域最具原創(chuàng)性的學(xué)術(shù)成果[5].

新安江模型目前在我國(guó)南方濕潤(rùn)地區(qū)應(yīng)用較為廣泛，水文模擬結(jié)果也較為準(zhǔn)確.本文以浙江省衢州市馬尪溪江家水文站為例，通過(guò)新安江模型對(duì)江家水文站的日徑流量模擬研究，為臨近無(wú)水文站流域采用新安江模型分析日徑流提供依據(jù).

2 流域概況

馬尪溪是衢州市開(kāi)化縣內(nèi)的常山港一級(jí)支流，馬尪溪發(fā)源于海拔1 454 m之白石尖，西麓起點(diǎn)黃谷林楊，高程為970 m，流經(jīng)姜塢口，有源于宋村嶺之菖蒲溪注入.馬尪溪南流至田后，納外徐水，折東轉(zhuǎn)西，至溪口，納舜山溪，至上汪村，納小舉水，至淵底，繞店口弄至小坑口，合太史、小史二澗，至大路邊，有瑤坑水注入，蜿蜒至封家楊村后，南流至華埠鎮(zhèn)下界首，注入常山港.溪流流域面積為275.0 km2，河長(zhǎng)57.4 km，河道平均坡降15.3‰[6].始建于1959年，1990年停測(cè)的江家水文站是位于馬尪溪上游.江家水文站以上流域面積為64 km2.流域內(nèi)氣候?qū)贉嘏瘽駶?rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候.氣候特點(diǎn)是：季風(fēng)顯著，氣候溫和，四季分明，降水充沛，無(wú)霜期長(zhǎng).流域降水主要受鋒面氣旋的影響、臺(tái)風(fēng)與熱帶風(fēng)暴的影響所致，降水量年內(nèi)分配不均，梅雨季節(jié)雨日多，降水量較大.

3 新安江模型

新安江模型是分散性水文模型，它將全流域劃分為許多單元流域，對(duì)每個(gè)單元流域進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，得到單元流域的出口流量過(guò)程；再進(jìn)行出口以下的河道洪水演算，求得流域出口的流量過(guò)程.把每個(gè)單元流域的出口流量過(guò)程進(jìn)行疊加，就求得流域出口的總出流過(guò)程[2].新安江模型單元流域計(jì)算流程(見(jiàn)圖1).

圖1 新安江(三水源)模型流程結(jié)構(gòu)圖

新安江模型參數(shù)主要包含以下4大類13個(gè)參數(shù)：(1)蒸散發(fā)計(jì)算參數(shù)，包括水面蒸發(fā)折算系數(shù)K、深層蒸散發(fā)系數(shù)C、上層土壤張力水容量WUM和下層土壤張力水容量WLM.(2)產(chǎn)流模型計(jì)算參數(shù)，包括流域張力水容量WM和張力水蓄水容量曲線指數(shù)B.(3)水源劃分參數(shù)，包括流域平均自由水容量SM、自由水容量指數(shù)EX、壤中流出流系數(shù)KSS和地下徑流出流系數(shù)KG.(4)匯流模型計(jì)算參數(shù)，包括河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)CS、壤中流消退系數(shù)CI和地下水消退系數(shù)CG[7].

4 新安江模型在江家水文站上的應(yīng)用

江家水文站位于浙西地區(qū)，馬尪溪上游，屬于濕潤(rùn)地區(qū).根據(jù)江家水文站歷史資料，其產(chǎn)流機(jī)制復(fù)核蓄滿產(chǎn)流規(guī)律，所以該水文站的徑流模型采用新安江(三水源)模型.

4.1 資料分析

江家水文站以上流域面積64 km2，流域內(nèi)有4個(gè)雨量站、1個(gè)水文站，無(wú)蒸發(fā)站.在我國(guó)南方濕潤(rùn)地區(qū)建立徑流模型，一般選取連續(xù)5 a左右為宜，并要求包含豐、平、枯水3種代表年份.江家水文站從1959年設(shè)站，徑流資料系列為1963—1990年，共28 a徑流系列.江家站1967—1976年10 a連續(xù)徑流資料系列中包含4 a豐水年、3 a豐水年、3 a枯水年，符合模型要求.江家站徑流模型利用江家水文站以上流域1967—1976年的逐日降雨量、徑流資料，蒸發(fā)資料移用衢州水文站蒸發(fā)觀測(cè)資料.

模型選用10 a日徑流資料，其中8 a(1967—1974年)資料率定模型參數(shù)，評(píng)價(jià)水文模型的確定性系數(shù)，剩下2 a(1975—1976年)未參加建立模型的資料用于對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證.

4.2 模型參數(shù)確定

本次研究采用新安江模型對(duì)馬尪溪流域江家站1967—1974年共8 a徑流資料進(jìn)行率定，江家水文站新安江模型參數(shù)(見(jiàn)表1).

4.3 模型檢驗(yàn)

4.3.1 精度評(píng)定

徑流預(yù)報(bào)過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程之間的吻合程度可用確定性系數(shù)作為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定，確定性系數(shù)采用《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T22482—2008)[8]中的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)式(1).

表1 江家水文站新安江模型參數(shù)

(1)

式中：DC—確定性系數(shù)；y0(i)—實(shí)測(cè)值；

n—資料序列長(zhǎng)度.

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T22482—2008)：徑流深預(yù)報(bào)以實(shí)測(cè)值的20%作為許可誤差，當(dāng)該值>20 mm時(shí)，取20 mm；當(dāng)<3 mm，取3 mm.

預(yù)報(bào)項(xiàng)目的精度按合格率或確定性系數(shù)的大小分為3個(gè)等級(jí)，預(yù)報(bào)項(xiàng)目精度等級(jí)按表2規(guī)定.

表2 預(yù)報(bào)項(xiàng)目精度等級(jí)表

4.3.2 率定成果分析

馬尪溪流域江家站1967—1974年共8 a徑流率定成果(見(jiàn)表3).

表3 江家水文站新安江模型模擬成果表

從表2可知，1967—1974年共8 a徑流率定中，確定性系數(shù)>0.9，等級(jí)屬于甲級(jí)的有1 a；0.7≤確定性系數(shù)≤0.9，等級(jí)屬于乙級(jí)的有7 a；徑流深相對(duì)誤差全部<20%.

4.3.3 檢驗(yàn)分析

根據(jù)1975—1976年實(shí)測(cè)徑流資料，采用式(1)計(jì)算得到1975年的確定性系數(shù)DC值為0.88，1976年的確定性系數(shù)DC值為0.85，預(yù)報(bào)精度為乙級(jí).

1975年檢驗(yàn)分析(見(jiàn)表4)，逐日實(shí)測(cè)流量過(guò)程與計(jì)算流量過(guò)程的比較分析(見(jiàn)圖2).

表4 江家站1975—1976年模擬精度分析

圖2 江家站1975年逐日流量過(guò)程擬合分析表

1976年檢驗(yàn)分析(見(jiàn)表4)，逐日實(shí)測(cè)流量過(guò)程與計(jì)算流量過(guò)程的比較分析(見(jiàn)圖3).

圖3 江家站1976年逐日流量過(guò)程擬合分析表

5 結(jié) 論

通過(guò)新安江模型在馬尪溪江家水文站上的模擬，主要得出：(1)通過(guò)模擬分析8 a徑流資料率定、2 a徑流資料檢驗(yàn)，新安江模型模擬成果不確定系數(shù)全部在乙級(jí)以上，徑流深相對(duì)誤差全部<20%.按照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T22482—2008)的要求，馬尪溪江家水文站新安江模型徑流模擬成果較好，總體上滿足精度要求，可用于日徑流模擬和預(yù)報(bào).(2)對(duì)于浙西地區(qū)臨近未設(shè)立水文觀測(cè)站的小流域，可以參考馬尪溪江家水文站新安江模型的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行流域日徑流模擬分析.(3)從模擬成果上看，江家站新安江模型還存在一定的誤差，在今后的研究中應(yīng)采用不同算法對(duì)模型參數(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化，并還需進(jìn)一步探索.

[1] 魏永霞，王麗學(xué).工程水文學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

[2] 趙人俊.流域水文模擬——新安江模型與陜北模型[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1984.

[3] 李藝婷，張萬(wàn)順，朱齊艷，等.新安江模型產(chǎn)流模式在山區(qū)型和平原型水庫(kù)入庫(kù)徑流量中的模擬與應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2007,18(1):33-36.

[4] 金 鑫，楊國(guó)范，古 健，等.新安江模型在渾河流域上的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉,2008(11):40-42.

[5] 劉金濤，宋慧卿，張行南，等.新安江模型理論研究的進(jìn)展與探討[J].水文,2014,34(1):1-6.

[6] 衢州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司.開(kāi)化縣馬尪溪流域河道治理規(guī)劃[R].衢州：衢州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，2013.

[7] 王振亞.新安江模型和NAM模型在資水流域的比較應(yīng)用[D].南京：河海大學(xué)，2007.

[8] 中華人民共和國(guó)水利部.GB/T22482—2008水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

ApplicationofXinanjiangModelinMawangRiverBasinRunoffSimulation

YANG Kai, RUAN Xiao-bo, YOU Yuan

(1.Zhejiang Jiuzhou Water Control Technology Co., Ltd.,Quzhou 324000, China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co., Ltd., Shanghai 20032, China)

Xinanjiang Model is widely used in humid areas of southern China, and the simulation results are more accurate. The four parameters of the Xinanjiang Model are the evapotranspiration calculation parameters, the runoff model calculation parameters, the water source division parameters and the confluence model calculation parameters. According to the hydrological characteristics of Mawang River Basin, taking Jiangjia Hydrological Station as example, the daily runoff process is simulated and forecasted by using Xinanjiang Model, the calibrate and validate results are all above the grade B standard. The following conclusions can be drawn: the runoff simulation of Xinanjiang Model is in good agreement in Jiangjia Hydrological Station, and can be used for daily runoff simulation and forecast. The model can be applied to adjacent small watersheds that haven't been set up hydrological observation station.

Xinanjing Model; runoff simulation; Mawang River

2017-06-23

衢州市2016年度指導(dǎo)性科技項(xiàng)目(2016017)

楊 凱(1987-)，男，江西上饒人，碩士，工程師，主要從事水利規(guī)劃設(shè)計(jì).

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.003

TV214

A

1008-536X(2017)05-0010-04