不同水文模型在柴河水庫汛期洪水預報中的對比分析與應(yīng)用

薛海波

(遼寧省柴河水庫管理局有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112000)

水文模型是為模擬水循環(huán)過程而構(gòu)建，是水文科學研究的重要手段與方法之一，流域水文模擬經(jīng)歷了由系統(tǒng)模型到概念性模型再到物理模型、由集總式模擬到分布式模擬的發(fā)展歷程，每種模型都有各自的理論與應(yīng)用特點。對于一個特定流域，如何選擇最適合的水文模型是水文過程模擬的關(guān)鍵。為此，本文選定遼寧省柴河水庫以上流域為研究對象，應(yīng)用目前在遼寧地區(qū)具有代表性的大伙房(DHF)模型和遼寧指數(shù)模型水進行洪水預報，并對2種模型進行了分析比較。

1 研究區(qū)域概況

柴河起源于遼寧省清原縣北樂山岔，是遼河干流左側(cè)的一個較大型支流，柴河水庫控制面積1355km2，水庫以上河流長度123.5km。柴河流域降雨年際、年內(nèi)、場次分配不均。流域多年平均降雨量為737mm。系列最大值1185.2mm(2010年)，最小值為493.6mm(1997年)，其比值為2.4。全年降雨主要集中在6—9月份，占到全年降雨總量的75.0%.

2 洪水預報模型

2.1 大伙房模型(DHF模型)

大伙房洪水預報模型(簡稱為DHF模型)于1973年由遼寧省大伙房水庫管理局提出。在東北地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，并取得良好的效果。DHF模型分為產(chǎn)、匯流2部分，產(chǎn)流部分是根據(jù)超滲產(chǎn)流原理，采用雙層入滲曲線進行扣損計算；匯流部分是變強度、變速度的經(jīng)驗單位線匯流計算模型。

2.2 遼寧指數(shù)模型

遼寧指數(shù)模型是由遼寧省水文總局提出的一種基于蓄滿產(chǎn)流模式的水文預報模型，參數(shù)簡單、效果較好，在遼寧地區(qū)大范圍使用。遼寧指數(shù)模型共由蓄滿產(chǎn)流和經(jīng)驗單位線匯流2個部分組成。其中有4個蓄滿產(chǎn)流模型參數(shù)，利用柴河水庫降雨徑流相關(guān)曲線計算產(chǎn)流；使用綜合單位線進行匯流模擬結(jié)果的計算。

3 模型應(yīng)用

3.1 DHF模型參數(shù)率定

DHF模型在超滲產(chǎn)流預報基礎(chǔ)之上，建立起經(jīng)驗單位線匯流模型計算公式如下：

(1)

由于我國北方流域具有典型的特點，參數(shù)率定過程需在DHF模型中引入蒸發(fā)計算，選擇合適的取值區(qū)域，以保證參數(shù)真實可靠。利用人工優(yōu)選與遺傳算法相互結(jié)合的方法來進行反復迭代，最終選取出最優(yōu)參數(shù)值，具體見表1。相應(yīng)的蒸發(fā)參數(shù)見表2。

表1 大伙房模型產(chǎn)流參數(shù)率定結(jié)果

表2 大伙房模型蒸發(fā)參數(shù)

3.2 遼寧指數(shù)模型參數(shù)率定

遼寧指數(shù)模型以蓄滿產(chǎn)流為機理，產(chǎn)流的計算公式如下：

(2)

(1)降雨量、流量資料采用1975—2013年系列，其中1981年以后入庫流量資料采用水量平衡法反推求得。

(2)流域平均雨量采用各雨量站算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。

(3)徑流深計算為入庫洪水過程割去基流和前期退水過程，用累積法計算。

(4)流域內(nèi)蒸發(fā)量采用清原、鐵嶺站資料。

(5)流域土壤蓄水量，流域蓄水量采用雙層扣損法計算。從5月1日起算，初始值為60mm。

(6)降雨徑流相關(guān)圖。鑒于原參數(shù)的準確性與穩(wěn)定性，仍采用柴河水庫原參數(shù)值。

利用矩法和極大似然法，并參考柴河水庫的經(jīng)驗來進行最終的參數(shù)優(yōu)選，經(jīng)過反復迭代得到率定結(jié)果見表3—4。結(jié)合柴河水庫在實際運用中的經(jīng)驗總結(jié)，所選參數(shù)取值均在在合理范圍內(nèi)，認為參數(shù)值合理可靠。

表3 遼寧指數(shù)模型產(chǎn)流參數(shù)率定結(jié)果

表4 遼寧指數(shù)模型蒸發(fā)參數(shù)

4 結(jié)果對比

依據(jù)GB/T 22482—2008《水文情報預報規(guī)范》的要求，判斷水庫洪水預報精度。

4.1 DHF模型和遼寧指數(shù)模型模擬精度分析

根據(jù)DHF模型和遼寧指數(shù)模型參數(shù)列表，采用選定的25場歷史洪水數(shù)據(jù)模擬柴河水庫的產(chǎn)流情況，模擬結(jié)果匯總見表5。

表5 DHF模型和遼寧指數(shù)模型產(chǎn)流結(jié)果

根據(jù)表格中的計算結(jié)果，DHF模型洪水產(chǎn)流計算合格率僅為64%，未達到甲級預報水平，模擬結(jié)果不理想。預報凈雨值比實測凈雨值平均偏大約6.13mm，其中存在的誤差并非是偶然誤差，而是系統(tǒng)誤差。

根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)，遼寧指數(shù)模型產(chǎn)流預報結(jié)果合格率為92%;預報凈雨值與實測凈雨值較為接近，平均偏大約1.82mm，模擬預報效果較好。

4.2 產(chǎn)流結(jié)果對比分析

基于DHF模型和遼寧指數(shù)模型模擬柴河水庫洪水實例，產(chǎn)流計算結(jié)果分析如下。

(1)DHF產(chǎn)流模型的預報凈雨大于實測凈雨，產(chǎn)流合格率較低僅為64%，說明存在系統(tǒng)誤差；不合格的9場洪水降雨前期土壤含水量均不高，其中6場洪水模擬凈雨值集中在20～50mm之間，實測洪峰流量和洪水總量均未超過5年一遇標準(19940807場次洪水的洪峰流量略小于5年一遇標準)，說明大伙房模型不適用于柴河流域的小洪水產(chǎn)流預報。

(2)遼寧指數(shù)模型的預報凈雨與實測凈雨較為接近，預報合格率為92%，模擬預報效果較好。大洪水19950725產(chǎn)流誤差為1.5mm，19940816洪水產(chǎn)流誤差0.9mm，誤差均較小。預報不合格的場次洪水均為當年第一場較大降雨，可能前期土壤缺水量大，實際產(chǎn)流量較小，導致預報值偏大較多。

4.3 遼寧指數(shù)模型匯流結(jié)果

基于以上產(chǎn)流計算結(jié)果，選擇使用遼寧指數(shù)模型進行下一步的匯流模擬計算。匯流計算使用到的計算方法為謝爾曼時段單位線，按照雨強、雨量、時空分布等不同的分類指標進行匯流的模擬預報。計算結(jié)果見表6。

表6 遼寧指數(shù)模型匯流結(jié)果

上述匯流結(jié)果表明。

(1)對于頻率大于5年一遇標準的洪水，8場次中有7場預報結(jié)果合格，合格率為87.5%；19950725場次洪水降雨較大，達到了100年一遇洪水標準，洪水產(chǎn)匯流預報誤差較小，洪峰流量預報值3332m3/s接近實際值3310m3/s，峰現(xiàn)時間無誤差，使用遼寧指數(shù)模型模擬柴河流域大洪水取得良好效果。

(2)對于頻率小于5年一遇標準的洪水，17場次中有13場預報結(jié)果合格，合格率為76.5%，雖然滿足預報要求但沒有達到理想的效果。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因主要是柴河水庫作為多年調(diào)節(jié)的大型水庫，調(diào)蓄洪水能力比較強，小洪水對流域整體以及水庫安全產(chǎn)生的影響較小。

5 結(jié)論

(1)基于超滲產(chǎn)流的DHF模型不適用于柴河流域水庫洪水預報。原因為模型存在系統(tǒng)誤差，可能是由于原始資料誤差引起，也可能是在進行計算的過程中選取的模型與流域擬合度不高而產(chǎn)生。

(2)基于蓄滿產(chǎn)流的遼寧指數(shù)模型適合模擬柴河流域水庫洪水預報。產(chǎn)流預報合格率達到92%，且降雨量級越大，預報精度越高；匯流預報合格率達87.55%，產(chǎn)匯流預報均為甲級預報水平，較大洪水的洪量預報誤差均較小，滿足預報調(diào)度方式的要求。

(3)遼寧指數(shù)模型在小洪水的應(yīng)用中存在不足。小于5年一遇標準的小洪水預報中，雖然滿足預報要求但沒有達到理想的效果，需要在以后的研究中進一步優(yōu)化模型參數(shù)。

(4)本文屬于對柴河水庫汛期洪水預報的探索性研究，后續(xù)可以在本文基礎(chǔ)上，就汛限水位動態(tài)控制在水庫實時調(diào)度中的應(yīng)用問題進行更加深入的研究。