南汀河流域不同時間尺度洪水預報模型分析

劉楚文

（云南省水文水資源局保山分局，云南保山 678000）

1 概述

短期水文預報是指預見期在3 天以內的水文預報[1]。成功的短期水文預報對防汛抗旱以及水庫等水利工程的綜合利用有著十分重要的意義，然而，由于高原山區(qū)中小河流預警預報條件復雜，降雨徑流等自然現(xiàn)象的不確定性大，加之人類活動的影響，使得其預報精度較低，難以有效指導生產實踐。因此，提高短期水文預報的精度，使其更好地應用于生產實際，具有重要的經濟意義。

2 基本情況

2.1 流域概況

南汀河屬怒江一級支流，發(fā)源于臨滄縣博尚水庫東側涼山，源地高程2320m，干流河長272.9km，落差1860m，平均比降2.9‰，集水面積8208km2。干流沿途流經臨滄縣、云縣、永德縣、鎮(zhèn)康縣、耿馬縣及滄源縣。上游由眾溪流匯合而成，過博尚水庫后由南向北流入臨滄縣境內，經云縣，轉向西南流，出云縣后為永德縣與耿馬縣的界河，后為鎮(zhèn)康縣與耿馬縣界河，在耿馬縣孟定農場東北方進入耿馬境內，過孟定壩在耿馬縣清水河農場以南出境，出境處高程460m。在耿馬縣孟定鎮(zhèn)姑老河村設有姑老河水文站，集水面積4185km2。

2.2 水文氣象

流域地處滇西中亞熱帶低緯山地季風氣候區(qū)，具有冬春干燥、夏秋濕潤、干濕季分明的氣候特點。每年11 月至次年4 月，在高空強盛大陸性干燥偏北氣流的控制下，天氣晴朗少雨，光照充足，蒸發(fā)量大，該期降雨量占年降雨量的20%左右；5 月至10 月由于受西南暖濕氣流的影響，氣溫較高、雨量充沛、降水日數(shù)增多，該期降雨量占年降雨量的80%左右，其中6～8 月占全年降雨量的60%左右。

2.3 降水特性

流域汛期（5-10）月降水量占年降水量的80%，主汛期（6-9）月降水量占年降水量的65.7%。流域內降水分布不均衡，高山大于平地，迎風坡大于背風坡，年降水分配明顯不均，降水量大多集中在5～10 月，按流域地理位置和降水量分布，流域年降水量分布總的是由下游往中上游遞增。

2.4 洪水特性

南汀河的洪水，主要是由所控制的徑流區(qū)內短歷時大強度的暴雨形成。根據(jù)實地調查分析，暴雨多發(fā)生在6～10 月份。洪水主要受印度洋暖濕氣流及西南季風影響，加之流域內海拔高差懸殊，山高谷深，地形復雜，常形成局部暴雨，暴雨是洪水的主要成因。流域水系較發(fā)育，河網密度大，流域形狀接近扇形，洪水過程較集中，徑流響應快，暴雨洪水多發(fā)生在6～10 月份,為典型的山區(qū)性河流，暴雨洪水基本同頻。次洪水過程一般不超過24h，起漲歷時一般在0.5～3h 間，且單峰為主，峰高量小，屬典型的山區(qū)性小流域陡漲陡落的洪水特性。

3 所建方案描述

3.1 模型原理

1963 年，提出濕潤地區(qū)以蓄滿產流機制為主，1973 年，設計出國內第一個完整的流域水文模型——新安江流域水文模型（RS、RG 二水源），1978 年，國外出版《山坡水文學》（回歸流、飽和坡面流），20 世紀80 年代中期，改進設計出三水源新安江模型（RS、RI、RG）。

3.1.1 蒸散發(fā)計算

三層蒸發(fā)模式：

輸入：流域面降雨量P

實測多年平均蒸發(fā)ES（蒸發(fā)能力EM=K×ES）

參數(shù)：流域蒸散發(fā)能力折算系數(shù)K

上下深三層張力水蓄水容量WUM、WLM、WDM（之和為流域平均張力水蓄水容量WM）

深層蒸散發(fā)系數(shù)C

輸出：三層蒸散發(fā)量EU、EL、ED（和為流域蒸散發(fā)量E）EM=K×ES

當P+WU≧EM 時，EU=EM、EL=0、ED=0

當P+WU＜EM 時，EU=P+WU

若WL＞C×WLM 則EL=（EM-EU）×WL/WLM、ED=0

若WL＜C ×WLM 且 WL ≧C ×（EM-EU） 則EL=C ×（EM-EU）、ED=0

若WL＜C×WLM 且WL＜C×（EM-EU） 則

EL=WL、ED=C×（EM-EU）-WL

3.1.2 產流計算

根據(jù)蓄滿產流的概念，采用張力水蓄水容量面積分布曲線來考慮土壤缺水量分布的不均勻問題。所謂張力水蓄水容量面積分布曲線是：部分產流面積隨張力水蓄水容量而變化的累計頻率曲線。

蓄滿產流模式：

在滿足田間持水量以前不產流，所有降雨都被土壤吸收（補充張力水，最終耗于蒸發(fā)）；在滿足田間持水量以后產流，所有降雨（扣除同期蒸發(fā)，變成自由水）都產流。

輸入：降雨量與蒸發(fā)量之差PE

參數(shù)：流域平均張力水蓄水容量WM

流域張力水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)B

流域不透水面積所占比例IM

輸出：流域產流量R

流域土壤含水量W（即張力水含量）

3.1.3 水源劃分

由于產流面積是不斷變化的，而且在產流面積上自由水蓄水容量分布也是不均勻的。因此，采用類似流域張力水蓄水容量面積分布曲線的流域自由水蓄水容量面積分配曲線來考慮上述不均勻性。所謂流域自由水蓄水容量面積分配曲線是指：部分產流面積隨自由水蓄水容量而變化的累計頻率曲線。

水源劃分方法：

自由水蓄水庫結構劃分。自由水蓄水庫有兩個出口，一個底孔形成地下徑流RG，一個邊孔形成壤中流RI，其出流規(guī)律均按線性水庫出流（出流量=蓄水量×某一常數(shù)）。

輸入：產流量R

參數(shù)：自由水蓄水容量SM

地下水出流系數(shù)KG

壤中流出流系數(shù)KI

輸出：地面徑流RS

壤中流RI

地下徑流RG

3.1.4 匯流計算

RS：忽略坡面匯流時間，直接進入河網形成TRS；

RI：進入壤中流水庫，按線性水庫的退水規(guī)律流出（消退系數(shù)CI），為壤中流對河網壤中流總入流TRI；

RG：進入地下徑流水庫，并按線性水庫的退水規(guī)律流出（消退系數(shù)CG），為地下徑流對河網總入流TRG。

3.1.5 參數(shù)

3.1.5.1 K：流域蒸散發(fā)能力折算系數(shù)，是指流域蒸散發(fā)能力與實測水面蒸發(fā)值之比。控制著總的水量平衡，對蒸散發(fā)計算進而對產流量計算的影響最為重要和敏感。包括蒸發(fā)皿到真實水面蒸發(fā)、水面蒸發(fā)到土壤蒸發(fā)能力、蒸發(fā)觀測地點到流域平均蒸發(fā)能力的折算。若采用E601 型蒸發(fā)皿測的蒸發(fā)ES，則可作為EM 的初始值，K 則需要根據(jù)高程適當修訂，一般隨高程增加而減小。由于蒸發(fā)觀測站多在流域出口斷面，一般取0.8～1.2。其率定一般需要至少4 年以上資料，且應先固定其余參數(shù)，單獨率定此參數(shù)，目標函數(shù)設置為多年水量平衡計算。

3.1.5.2 流域平均張力水蓄水容量，為氣候參數(shù)，反映流域干旱程度。WM=WUM+WLM+WDM。

WM 率定范圍：濕潤地區(qū)80～150mm、半濕潤半干旱地區(qū)150～200mm，也可不率定直接給定（濕潤120，半濕潤170）。WUM 一般5～20mm，植被很好20mm，植被很差5mm。對蒸發(fā)量計算進而對產流量計算有些影響，系統(tǒng)中WUMx 為WUM 占WM 的比例，視具體情況選定率定范圍，一般取0.10～0.15。WLM、WDM 影響很小，WLM 一般60～90mm。WLMx 率定范圍0.60～0.90（WLMx 為WLM 占（WM-WUM）的比例）。

3.1.5.3 C：深層蒸散發(fā)系數(shù)，取決深根植物覆蓋面積占流域面積的比例。植被根系越發(fā)達深層蒸發(fā)越大，一般取0.1～0.2。

3.1.5.4 B：張力水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)，為地形地質參數(shù)，反映流域張力水蓄水分布的不均勻程度，一般取0.1～0.5。流域內地形地貌地質情況差異越大，值越大；流域越大，值越大。很小流域（幾km2）值為0.1 左右，中等流域（100～1000km2）的為0.2～0.3 左右，較大面積（數(shù)千km2）的值為0.4 左右。

3.1.5.5 IM：為不透水面積占全流域面積之比。干旱期降一場小雨，所產生的小洪水認為完全是不透水面積上產生的，其徑流系數(shù)即IM。天然流域0.01～0.02，城市區(qū)、水面沼澤區(qū)較大，一般取0.01～0.05。

3.1.5.6 SM：流域平均自由水蓄水容量，反映表層土（即腐植土層）的蓄水能力，植被越好土層越厚，值越大。但受降雨資料時段均化影響明顯，時段越短SM 越大，因為時段越短越不容易產生地表徑流。其不但決定了地表徑流的多少，影響洪峰形態(tài)，且對地表徑流與地下徑流的比重起決定作用。日模一般取10～20，次模一般取20～50。

3.1.5.7 EX：自由水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)，反映流域自由水蓄水分布的不均勻程度，大體反映了飽和坡面流產流面積的發(fā)展過程。其值一般取1.0～1.5，由于不敏感且變幅不大，可取定值1.5。

3.1.5.8 KG、KI：自由水蓄水庫對地下徑流和壤中流的出流系數(shù)，是并聯(lián)的。KG 反映基巖和深層土壤的滲透性，KI 反映表層土的滲透性。KG+KI 代表自由水出流的快慢，KG/KI 代表地下徑流與壤中流之比（RG/RI），對具體流域一般都為固定值。

一般雨止到洪水消退歷時為3 天，則[1-（KG+KI）]3≈0 可得KG +KI=0.7。當歷時超過3 天時，表示深層壤中流在起作用，則不需要調整KG+KI 值，而用壤中流消退系數(shù)CI 來處理。

3.1.5.9 CI：深層壤中流水庫消退系數(shù)，控制壤中流退水形態(tài)，決定洪水尾部退水的快慢。如無深層壤中流時，CI 趨于零。當深層壤中流很豐富時，CI 趨于0.9，相當匯流時間約為10 天。

其作用是彌補KG+KI =0.7 的不足，對整個洪水過程的影響，遠不如SM、KG/KI 明顯。一般取0.1～0.9。

CG：地下水庫消退系數(shù)，反映地下水退水的快慢?？筛鶕?jù)枯季地下徑流的退水規(guī)律推求，CG =Qt+△t/Qt。一般取0.950～0.999，相當于退水歷時20～500 天。

3.2 方案建立

預報方案設置以姑老河水文站以上區(qū)間作為計算區(qū)域，產匯流模型分別采用蓄滿產流模型和滯后演算模型，采用三水源蓄滿產流模型（SMS_3）和三水源滯后演算匯流模型（LAG_3）[2]，演算至姑老河站，得到姑老河站流量過程。方案計算時段長分別為1h、2h、3h、4h、6h，方案輸出類型為流量[3]。模型參數(shù)率定選用2014 年實時資料，雨量采用姑老河等55 個雨量站進行計算；蒸發(fā)為本站多年實測蒸發(fā)資料，率定出K 值，水量平衡。模型不同時段長率定的平均確定性系數(shù)分別為0.941、0.944、0.940、0.936、0.933，洪水過程擬合較好，參數(shù)取值在合理范圍之內[4]。

4 典型大水描述

資料選取南汀河姑老河站2014 年汛期5 月1 日～10 月30日資料進行參數(shù)率定，最高水位和最大流量均發(fā)生在7 月22日，水位為518.40m，流量902m3/s，為1959 年6 月建站以來第三大洪水。第一大洪水發(fā)生在2007 年7 月20 日。第二大洪水發(fā)生在2001 年6 月2 日。

5 不同時間步長參數(shù)對比

固定參數(shù)WM=115.183、K=1.500、B=0.375、C=0.103、IM=0.047、EX=1.500、KG+KI＜0.90、CI=0.891、CG=0.985 后，共5 種步長的參數(shù)對比如表1 所示，CS 理論值與CS 模擬值對比如表2 所示。

表1 南汀河姑老河水文站不同步長參數(shù)對比表

表2 CS 理論值與CS 模擬值對比表

6 討論

為研究短期水文預報時間尺度對預報精度的影響，采用新安江三水源模型不同時間尺度對洪水預報模型參數(shù)影響，選取南汀河姑老河水文站2014 年汛期5 月1 日～10 月30 日資料，時段長分別為1h、2h、3h、4h、6h 進行參數(shù)率定，經過研究分析發(fā)現(xiàn)，隨著時間尺度增大，水文預報精度先提高后降低，呈現(xiàn)前面精度高后面精度低的趨勢。這種趨勢可能與徑流序列的相關性、周期性及資料序列對干擾因素的綜合作用有關。結果表明：模型不同時段長率定的平均確定性系數(shù)分別為0.941、0.944、0.940、0.936、0.933，CS 值隨時段長增加而減小，SM 值隨時段長增加而遞減，洪水過程擬合較好，參數(shù)取值在合理范圍之內，所選洪水預報模型較適合南汀河流域。