新安江三水源模型在長槍鋪水文站洪水預報的應用

沈桂環(huán)，馬 政，楊 飛

(安康水文水資源勘測中心，陜西 安康 725000)

新安江模型是國內技術成熟、影響力較大的水文模型。它是分散型水文模型，把流域分成多塊，對每塊分別計算產匯流，最后求出流量過程，實用于濕潤半濕潤地區(qū)。本文以中國洪水預報系統(tǒng)平臺采用新安江三水源模型成功編制了月河長槍鋪站洪水預報方案，極大地提升了預報精度與時效性。

1 流域基本情況

月河發(fā)源于漢陰縣鳳凰山鐵瓦殿，為漢江一級支流，自西向東流經漢陰、漢濱兩縣區(qū)，在漢濱區(qū)建民鎮(zhèn)紅蓮村匯入漢江，河流全長114 km，流域面積2830 km2，河槽平均比降3.29‰。月河流域水系呈扇形不對稱分布，主要支流觀音河、洞河、恒河、付家河等均分布在北(左)岸,這4條主要支流均發(fā)源于秦嶺山脈，坡陡流短，比降大，暴雨徑流形成時間短，右岸為鳳凰山，山洪溝遍布，溝短且比降極大，一有較大強度降雨極易產生山洪，直入月河。月河流域為北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，多年平均降水量842 mm，山區(qū)降雨多于川道。汛期5月～10月降水量占全年總量的80%左右，產流以蓄滿產流為主，6月～9月4個月徑流量占全年的50%～60%。月河下游設有長槍鋪水文站，該站設立于1959年12月，控制流域面積2814 km2，多年平均徑流量8.36億m3，徑流深為297 mm，建站以來最大洪峰流量3210 m3/s，出現在1983年7月31日，實測最大流速4.69 m/s；降雨洪水主要集中在7月～9月，多年平均徑流量8.40億m3,輸沙量140萬t。

2 模型結構與原理

2.1 模型基本結構

中國洪水預報系統(tǒng)是由水利部水文信息中心(水利部水文水資源監(jiān)測預報中心)主持，有關科研院所、大專院校、生產單位共同參與開發(fā)的一套先進實用的洪水預報系統(tǒng)，系統(tǒng)提供多個洪水預報模型。平臺除了具備模型參數調試列表外，還增加了子流域分段數參數、場次洪水狀態(tài)變量參數率定、預報降水輸入等功能。其中新安江模型是洪水預報系統(tǒng)平臺預報模型之一，其主要由蒸散發(fā)、產流、分水源和匯流四個模塊組成，基本結構見圖1。

圖1 新安江模型三水源基本結構流程圖

2.2 相關原理

新安江三水源采用蓄滿產流概念，即一次降雨過程中，包氣帶達到田間持水量時才產流。產流后，超滲部分為地面徑流，下滲部分為壤中流和地下徑流。模型由蓄滿產流模塊、流域蒸散發(fā)模塊和水源劃分模塊、匯流模塊四部分構成。

1)產流模塊。蓄滿產流由以下公式組成：

R=PE-(Wm-W0)

式中：b為拋物線型流域蓄水容量曲線方程的指數。

蓄滿產流模型中的變量是PE、W0和R，需要確定的參數只有Wm和b。

蓄滿產流模型計算產流量時，需要涉及流域蒸散發(fā)量的計算。流域蒸散發(fā)模型是為了配合蓄滿產流模型使用的，流域蒸散發(fā)計算的目的是確定流域土壤蓄水量。

2)流域蒸散模塊。蒸散發(fā)的含義與測站蒸發(fā)器所觀測的定點小面積蒸發(fā)量是不同的，它與蒸散發(fā)能力和土壤蓄水量有關。流域蒸散發(fā)能力可以用測站蒸發(fā)器觀測數據換算。在方案中采用恒口站多年平均月蒸發(fā)量計算；

方案中流域蒸散發(fā)模型采用三層模型計算，即將土壤包氣帶劃分為上層、下層和深層，Wm=UM+LM+DM。三層蒸散發(fā)模型的參數為上層蓄水容量UM、下層蓄水容量LM、深層蒸散發(fā)系數C、蒸散發(fā)折算系數K。流域蒸散發(fā)模型計算公式如下：

當P+WU>K×EM時，EU=K×EM

P+WU≤K×EM時，EU=WU+P

當EL

則取EL=C×(K×EM-EU)

若WL

則EL=WL

ED=C×(K×EM-EU)-EL

式中：EM為測站蒸發(fā)器觀測蒸發(fā)量，mm；WU、WL分別為土壤上層、下層實有蓄水量，mm；EU、EL、ED分別為土壤上層、下層、深層蒸發(fā)量，mm。

根據以上公式計算，總的蒸發(fā)量E=EU+EL+ED。

③分水源模塊。新安江三水源模型將水源分為三種：地表徑流、壤中流和地下徑流。分水源模型的參數有表層土自由水蓄水容量SM、自由水蓄水量對地下水的出流系數KG、自由水蓄水量對壤中流的出流系數KI。計算公式如下：

當S+R≤SM時RS=0

RI=(S+R)×KI×FR

RG=(S+R)×KG×FR

當S+R>SM時RS=(S+R-SM)×FR

RI=SM×KI×FR

RG=SM×KG×FR

式中：S為自由水蓄水庫實時蓄水量，mm；RS、RI、RG分別為地表水、壤中流、地下水出流量，mm；FR為產流面積比。

由于在產流面積FR上的自由水的蓄水容量不是均勻的，也要用拋物線蓄水容量曲線來考慮它的分布，為此引入EX的指數。

④匯流模塊。單元流域匯流過程包括坡地匯流和河網匯流、河道匯流。三水源產流模型中經過水源劃分得到地表徑流、壤中流和地下徑流，其中坡地對地表徑流的調蓄作用不大，直接進入河網，而壤中流和地下徑流要分別經過壤中流水庫和地下水蓄水庫的調節(jié)。壤中流和地下徑流出流量用線型水庫計算，出流系數分別為CI和CG。地表徑流、壤中流、地下徑流組成對河網的總入流。河網匯流采用滯后演算模型進行計算。單元流域匯流參數有CI、CG、CS、LAG四個。其中CI是壤中流出流系數，CG是地下水蓄水庫出流系數，CS是河網蓄水消退系數，LAG是滯后時段數。河道匯流，用馬斯京根分段連續(xù)演算法進行計算。

產匯流參數確定方法，是采用單元內代表流域實測雨洪資料率定參數的初值，再將與流域面積有關的參數進行調整，最后將干流計算流量和各單元計算流量疊加與實測流量過程比較，進行參數的統(tǒng)調，直到與實測過程擬合最好為止。通過軟件進行方案建立，輸入初始參數和方案所用站點，選取洪水進行率定。

3 洪水預報方案的建立

3.1 方案編制方法

月河流域產流方式以蓄滿產流為主，符合新安江三水源模型適用條件，本次采用中國洪水預報系統(tǒng)平臺，經過多次調試，把月河長槍鋪以上斷面流域作為一個單元總體，以降雨為輸入條件，求得流域出口流量過程。

3.2 資料選用

按照《水文情報預報規(guī)范》(GB/T 22482-2008)，綜合考慮選用長槍鋪站1977年～2019年洪峰流量大于500 m3/s(本站洪水預報起報標準是500 m3/s)33年37場次的流量過程資料及對應雨量站資料(洪水過程中對應每個時段的降雨量和本次洪水過程前30天日降雨資料)作為編制方案資料，其中1977年～2013年25場資料用于方案建立、參數率定、方案評定，其中2014年～2019年12場資料用于預報方案的檢驗。雨量站采用流域內資料系列完整且有代表性的藥王、八廟、漢陰、蒲溪、沈壩、葉家坪、大河鎮(zhèn)、雙溪、恒口、東鎮(zhèn)、茨溝、長槍鋪等12站，蒸發(fā)站采用同流域內恒口蒸發(fā)站日蒸發(fā)量資料。

3.3 產匯流模型參數率定

根據平臺自動優(yōu)選和人工相結合的方法，經過分析計算和與實測洪水過程的擬合，進行參數率定，使實測過程與模擬過程擬合最好時的參數作為預報方案的最終率定成果，場次率定成果見圖2。

將各站資料通過txt文件格式按照站碼、年月日、開始時間、結束時間、水位流量、降雨量等數據逐行排列，檢查并導入數據庫。按預熱期(預熱期，即前期影響雨量的天數，一場降雨前，流域土壤的干濕狀況對此次降雨產生徑流的多少影響很大，一般往前取15 d～30 d。)為30天，計算時段(計算時段長，當前可以實時監(jiān)測到每一小時的流量和雨量信息，故計算時段長選用1 h。)長為1 h，預見期(預見期，制作發(fā)布洪水預報的時刻至預報洪峰流量發(fā)生所間隔的時間，一般取3 d即72 h。)為72個時段，進行率定。模型參數結果見表1。

圖2 月河長槍鋪站參數率定圖

4 方案的評定與檢驗

4.1 方案的評定

按照方案的結構和模型參數，使用參加方案編制的25場次洪水過程進行評定。分別對各次洪水的洪峰流量、洪峰出現時間按照許可誤差法進行評定，25次洪峰及峰現時間合格場均為18次，合格率72.0%，總的率定確定性系數為0.814，評定結果見表2、表3。按照《水文情報預報規(guī)范》的規(guī)定，洪水過程總的確定性系數達到0.7以上為“乙”等，因此根據確定性系數法評定，長槍鋪洪水過程預報方案為“乙”等。

表1 月河流域新安江三水源模型參數率定成果表

表2 月河長槍鋪站新安江模型預報方案評定成果表

表3 月河長槍鋪站洪水預報方案評定表

4.2 方案的檢驗

按照《水文情報預報規(guī)范》的規(guī)定，許可誤差取洪峰流量20%、洪現時間3 h,方案使用2014年～2019年6年洪峰流量大于500 m3/s的12場洪水進行精度檢驗，單場次洪水檢驗見圖3，檢驗結果見表4、表5，12次洪峰合格場次為10次、合格率83.3%，洪現時間合格場次為9次、合格率75.0%，總體確定性系數為0.863，大于方案評定精度。

圖3 月河長槍鋪站“190910”洪水預報過程圖

表4 月河長槍鋪站新安江模型預報方案檢驗成果表

表5 月河長槍鋪站洪水預報方案精度檢驗表

4.3 方案的總體評價

由檢驗表可知，方案檢驗精度指標稍優(yōu)于評定指標。根據《水文情報預報規(guī)范》(GB/T 22482-2008)的規(guī)定方案總體評價等級為乙等，可用于發(fā)布正式預報。

5 預報方案存在主要問題及應用經驗

(1)部分場次洪水洪峰流量及洪現時間誤差較大模型建立使用的前期降水量受歷史條件限制，大部分為四段次觀測值、部分站為日雨量，率定時，系統(tǒng)均按平均方式處理，與實際情況有出入；流域內降雨中心可分為上游型、均勻型、下游型，洪現時間差異較大，本次構建方案開始采用劃分流域率定但結果不理想，因此，部分場次洪現時間誤差較大，在作業(yè)預報時可根據實際加以調整以提高精度。

(2)人類活動對預報精度產生較大影響。月河流域小型庫塘眾多，人為調節(jié)影響較大。尤其是汛初第一場洪水影響很大，預報結果比實際出現值偏大明顯，在實際應用中應根據前期降水和庫塘蓄水情況人為干預。

(3)預報模型中參數率定時，均采用歷史資料且為大概率綜合情況，這與實際情況將有所差異。在作業(yè)預報中，應充分考慮流域現狀變化調整預報結果，提升預報精度。

(4)蓄滿產流模型沒有考慮超滲產流，如果雨強過大預報的洪峰可能偏小，需在實際應用中加以修正。

6 結論及建議

月河長槍鋪水文站新安江三水源方案，采用實時時段降雨和歷史降雨情況，鏈接數據庫，自動預報結果，比傳統(tǒng)人工降雨徑流等方法效率、精度得到明顯提高。根據上述情況，在實際工作中，為提高預報精度，正確使用本方案，提出以下建議。

(1)當流域出現汛初第一場較大降雨或前期久旱后較大量級時，作業(yè)預報時，要根據各庫塘蓄水情況，減小預報洪峰量值、洪現時間延后。

(2)在作業(yè)預報時應充分考慮當前河道流量(底水)。

(3)匯流時間受前期土壤飽和程度、河道底水、暴雨強度及暴雨中心位置等因素影響,匯流時間各異。具體要根據降雨中心主雨結束時間分析，上游型主雨結束到洪峰出現為6 h～12 h、均勻型為9 h～12 h、下游型為3 h～6 h。

(4)預報時如流域降雨持續(xù)，應根據預報雨量及結束時間，人工增加雨量并調整洪現時間，以提升預報精度。