新安江模型在蕉坑(二)水文站洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究

劉 玉 馬 宇

(1.廣東省水文局汕頭水文分局，廣東 汕頭 515041；2.黃河水利委員會(huì)黃河水資源中心，河南 鄭州 450003)

螺河發(fā)源于蓮花山脈的陸河縣南萬(wàn)鎮(zhèn)境內(nèi)三神凸東坡，全長(zhǎng)102km，流域面積1356km2。上游山區(qū)植被情況較好，大部分為林木荒草覆蓋；中、下游草木稀少，水土流失嚴(yán)重；下游地勢(shì)低洼，受潮水頂托，澇漬災(zāi)害較嚴(yán)重。因此，進(jìn)行蕉坑站洪水預(yù)報(bào)研究對(duì)陸河縣、陸豐市防洪減災(zāi)工作具有積極意義。

目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的水文模型眾多，根據(jù)模型構(gòu)建基礎(chǔ)可以分為基于物理的模型、概念性模型及黑箱模型。我國(guó)自主研發(fā)的概念性新安江模型得到了國(guó)際上的廣泛認(rèn)可，并且在我國(guó)濕潤(rùn)及半濕潤(rùn)地區(qū)得到了廣泛的推廣應(yīng)用[1]。螺河流域地處粵東沿海暴雨高區(qū)，平均年徑流量為19.02億m3，平均年降雨量為2140mm。多年的研究和實(shí)踐表明，此類氣候地區(qū)的降雨產(chǎn)流機(jī)制主要是蓄滿產(chǎn)流，江河常年水量豐沛，具備新安江流域模型和馬斯京根河道模型的應(yīng)用條件。本文基于廣東省建立的中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)，應(yīng)用新安江模型編制了螺河蕉坑站洪水預(yù)報(bào)方案，并對(duì)方案精度的影響進(jìn)行了分析研究。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 新安江模型

新安江模型由河海大學(xué)趙人俊教授設(shè)計(jì),是國(guó)內(nèi)第一個(gè)完整的流域概念性水文模型。20世紀(jì)80年代中期，借鑒山坡水文學(xué)概念及國(guó)內(nèi)外產(chǎn)匯流理論提出了三水源新安江模型。三水源新安江模型將凈雨劃分成地面徑流、壤中流以及地下徑流，其中地面徑流采用單位線進(jìn)行匯流計(jì)算，壤中流和地下徑流經(jīng)過(guò)線性水庫(kù)的調(diào)蓄分別作為壤中流出流和地下水出流[2]。

1.2 研究區(qū)概況

蕉坑水文站于1955年3月9日由廣東省水利電力廳在廣東省陸豐縣(現(xiàn)陸豐市)河?xùn)|鎮(zhèn)蕉坑村設(shè)立，位于螺河中下游。1980年，因站網(wǎng)改造，蕉坑站基本水尺斷面遷往上游410m處，并改名為蕉坑(二)水文站。蕉坑(二)水文站的集水面積為1104km2，螺河干流的彎曲指數(shù)為2.0，河床比降為2.69‰。該站為收集螺河水文資料，結(jié)合螺河流域開(kāi)發(fā)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)及水情需要、水資源服務(wù)、水利工程服務(wù)而設(shè)，屬于二類精度站，主要任務(wù)為水位、流量、降雨量、蒸發(fā)、墑情、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等。蕉坑(二)水文站流域概況見(jiàn)圖1。

圖1 蕉坑(二)站以上流域概況

1.3 數(shù)據(jù)選擇及處理

蕉坑(二)站以上閉合流域共有多個(gè)雨量站和水文站，經(jīng)對(duì)已有資料進(jìn)行分析，河口、羅經(jīng)壩、萬(wàn)全、丁洋、南告、各安、麥湖、青年、屯埔、下葫10 站的雨量數(shù)據(jù)較為可靠，平均控制面積110km2，且在流域內(nèi)的空間分布較為均勻[3]。采用泰森多邊形法得到各雨量站權(quán)重，進(jìn)而求取流域平均雨量。雨量站權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 蕉坑(二)站流域雨量站網(wǎng)權(quán)重

選用蕉坑(二)水文站1999—2014年平均逐月蒸發(fā)的均值作為模型計(jì)算資料，見(jiàn)表2。

表2 蕉坑(二)水文站1999—2014年平均逐月蒸發(fā)量

《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482—2008)要求預(yù)報(bào)方案編制使用不少于10年的水文氣象資料，應(yīng)選取大、中、小洪水各代表性年份，且濕潤(rùn)地區(qū)洪水場(chǎng)次不少于50次。因此選取1971—2005年資料作為率定期，考慮優(yōu)先選擇雨洪關(guān)系較好場(chǎng)次洪水，從中選取大、中、小共50場(chǎng)次洪水過(guò)程樣本供方案編制，選取2006—2007年2場(chǎng)洪水進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 洪水預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

2.1 新安江模型建模

本文采用三水源新安江模型構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)方案，蒸散發(fā)采用三層蒸發(fā)模式計(jì)算，將土壤層劃分為上層、下層和深層，產(chǎn)流采用蓄滿產(chǎn)流模型，匯流采用滯后演算法。依托廣東省水文局組織建立的中小河流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)，根據(jù)流域特性確定模型的輸入、輸出，在此基礎(chǔ)上確定模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行模型率定、校核，增加模型方法、作業(yè)預(yù)報(bào)和方案管理等[4]。

蕉坑(二)水文站以上為閉合流域，產(chǎn)流采用蓄滿產(chǎn)流模型，匯流采用三水源滯后演算法。方案計(jì)算步長(zhǎng)為3h，預(yù)見(jiàn)期為24h，流域圈畫面積為1104km2。多年綜合水位流量關(guān)系見(jiàn)圖2，蕉坑(二)水文站模型預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖2 蕉坑(二)站多年綜合水位流量線

圖3 蕉坑(二)站模型預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)

2.2 模型參數(shù)率定及結(jié)果

采用自動(dòng)優(yōu)選與人工調(diào)參相結(jié)合的方式率定參數(shù)，部分率定過(guò)程見(jiàn)圖4、圖5和表3，圖中藍(lán)色實(shí)線為實(shí)測(cè)流量，紅色實(shí)線為人工率定流量，率定參數(shù)見(jiàn)表4。

圖4 1973090220編號(hào)洪水率定過(guò)程

圖5 41990091105編號(hào)洪水率定過(guò)程

表3 蕉坑(二)站新安江模型方案評(píng)定

表4 蕉坑(二)站新安江模型參數(shù)

3 洪水預(yù)報(bào)方案分析

根據(jù)新安江模型參數(shù)模擬計(jì)算各次洪水樣本流量過(guò)程，統(tǒng)計(jì)洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間、過(guò)程水量的相對(duì)誤差。由表4可知，蕉坑(二)水文站50場(chǎng)次洪水樣本中，洪峰平均相對(duì)誤差為22.11%，次洪產(chǎn)流量平均誤差為20.25%,平均過(guò)程確定性系數(shù)為0.76，根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482—2008)，為乙等方案。

在近期的實(shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)中，嘗試用此方案進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)，選擇2018年1場(chǎng)洪水樣本對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。用該方案模擬20180830洪水，計(jì)算結(jié)果為8月31日12時(shí)出現(xiàn)洪峰流量3196m3/s，實(shí)測(cè)8月31日12時(shí)出現(xiàn)洪峰流量2810m3/s，預(yù)報(bào)峰現(xiàn)時(shí)間與實(shí)測(cè)時(shí)間一致，基本可以滿足作業(yè)預(yù)報(bào)使用。實(shí)時(shí)作業(yè)預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 蕉坑(二)站20180830場(chǎng)次洪水預(yù)報(bào)結(jié)果

本次預(yù)報(bào)精度為乙等，經(jīng)過(guò)分析有以下幾點(diǎn)原因：一是由于選取歷史資料時(shí)間跨度較大，流域內(nèi)下墊面條件變化及河道斷面變化對(duì)水文過(guò)程都有較大的影響，城鎮(zhèn)化對(duì)流域下墊面的改變,使洪水特性較天然流域發(fā)生較大變化[5],因此通過(guò)一套模型參數(shù)來(lái)代表長(zhǎng)時(shí)間多方面的流域特性，存在一定的不合理性。二是本站歷史洪水資料的洪峰流量大多相對(duì)較小，在相對(duì)誤差計(jì)算時(shí)對(duì)方案整體誤差評(píng)定影響較大。三是多年來(lái)站點(diǎn)上下游水庫(kù)、水閘的建設(shè)已破壞天然河道產(chǎn)匯流環(huán)境，部分歷史場(chǎng)次洪水資料受水利工程人為調(diào)控影響，出現(xiàn)了回水頂托[6]等情況，因此進(jìn)一步降低了方案的確定性系數(shù)。在實(shí)際工作中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)流域洪水特點(diǎn)建立不同預(yù)報(bào)方案，結(jié)合預(yù)報(bào)員長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)洪水實(shí)時(shí)特點(diǎn)，交互調(diào)整不同方案及參數(shù)進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)，才能更好地提高洪水預(yù)報(bào)效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以螺河蕉坑(二)水文站為例，研究了洪水預(yù)報(bào)方案編制中新安江模型的應(yīng)用過(guò)程，并且在實(shí)際洪水作業(yè)預(yù)報(bào)中對(duì)本方案進(jìn)行了進(jìn)一步檢驗(yàn)。洪水預(yù)報(bào)方案的建立其實(shí)是從眾多歷史資料中尋找預(yù)報(bào)流域的水文特性的工作，模型參數(shù)就是流域水文特性的概化，然后通過(guò)這些模型參數(shù)預(yù)報(bào)流域水文過(guò)程。但是，實(shí)際流域水文過(guò)程復(fù)雜多變，受諸多條件影響，傳統(tǒng)的由一組模型參數(shù)組成的預(yù)報(bào)方案很難準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)水文過(guò)程。諶潔等[7]指出近年水文學(xué)研究中均假定水循環(huán)的大氣過(guò)程、產(chǎn)流過(guò)程和匯流過(guò)程基本是漸變和緩變的，即服從水文一致性假定。但隨著全球氣候條件的不斷變化、人類活動(dòng)疊加的影響，越來(lái)越多的研究成果表明，水文現(xiàn)象不確定性增加，一致性遭到破壞。建立在一致性假定基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)徑流預(yù)報(bào)方法，預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度受到重大影響。

目前，在蕉坑(二)站實(shí)際工作中采用了多種預(yù)報(bào)方案，并結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)和雨洪條件進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)?；诒敬畏治黾叭粘９ぷ鹘?jīng)驗(yàn)，可以通過(guò)對(duì)歷史洪水的暴雨中心、降雨過(guò)程、上下游洪水特征等條件進(jìn)行分類，來(lái)建立不同預(yù)報(bào)方案，組成預(yù)報(bào)方案集，在進(jìn)行實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)中根據(jù)當(dāng)前雨洪特點(diǎn)選用不同預(yù)報(bào)方案集，得到集合預(yù)報(bào)結(jié)果。并且可以將新場(chǎng)次洪水進(jìn)行分類，不斷更新方案集，進(jìn)而降低流域特性變化、洪水資料對(duì)方案預(yù)報(bào)精度的影響。集合洪水預(yù)報(bào)，可作為蕉坑(二)水文站洪水預(yù)報(bào)發(fā)展研究的方向之一。