新安江模型在紫荊關(guān)流域的應(yīng)用

車云竹

(河北省保定水文勘測(cè)研究中心,河北 保定 071051)

新安江模型是河海大學(xué)趙人俊老師團(tuán)隊(duì)提出的概念性的分布式降雨徑流模型,普遍適用于我國(guó)南方濕潤(rùn)及半濕潤(rùn)地區(qū)[1]。大清河屬于海河流域,地處北方半干旱半濕潤(rùn)地區(qū),文章選取大清河流域拒馬河上游控制站紫荊關(guān)站為例,運(yùn)用趙人俊老師團(tuán)隊(duì)提出的新安江模型[2]分年代、分量級(jí)對(duì)紫荊關(guān)流域大中洪水分別率定計(jì)算,分析其敏感參數(shù)取值的不同,摸清其規(guī)律,最后實(shí)際應(yīng)用預(yù)報(bào),提高預(yù)報(bào)精度,為進(jìn)一步提高北方半干旱半濕潤(rùn)山區(qū)洪水預(yù)報(bào)做貢獻(xiàn)。

1 流域概況

紫荊關(guān)屬于海河流域,地處北方半干旱半濕潤(rùn)山區(qū),為大清河北支拒馬河上游的控制站。拒馬河是大清河北支主要河流之一,北與永定河,西與唐河,南與中易水、北易水,東北與琉璃河相鄰。該河發(fā)源于河北省淶源縣境,流經(jīng)易縣、淶水、房山等縣。石門(mén)以上為淶源盆地,石門(mén)至紫荊關(guān)之間為開(kāi)闊谷地,紫荊關(guān)以下流經(jīng)山峽,至張坊始出山區(qū)。主要河道縱坡比為3.1%,而支溝坡度均>4%,故在各支溝匯入干流河口處均有沖積區(qū)。河床覆蓋物為砂礫、塊石。

紫荊關(guān)水文站上游有北屯河、西神山河、獅子峪溝、烏龍溝、黃臺(tái)院溝和王安鎮(zhèn)溝等支流匯入。有大型灌渠五一渠(跨流域引水至安格莊水庫(kù))和小盤(pán)石水電站1座,南上屯水庫(kù)(小型)1座。紫荊關(guān)以上流域集水面積為1760km2。主河長(zhǎng)81.5km,河道縱坡5.5‰,流域平均寬度25.4km。

本流域氣候季節(jié)性差別較大,冬季多西北風(fēng),干旱少雨,夏季炎熱多雨。7、8月雨量約為400mm左右,占全年雨量的62%(年雨量約為650mm)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)資料可知,紫荊關(guān)站于1963年8月8日出現(xiàn)最大洪峰流量4490m3/s,歷史排位第一。 近30a來(lái),紫荊關(guān)流域流量最大值為2012年7月21日2130m3/s。

2 研究方法與選用資料

2.1 研究方法

新安江模型由河海大學(xué)趙人俊教授團(tuán)隊(duì)1973年提出,在中國(guó)南方濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)得以應(yīng)用,后來(lái)實(shí)踐中對(duì)模型結(jié)構(gòu)和部分參數(shù)繼續(xù)改善,于1981年新安江三水源模型問(wèn)世,得到國(guó)際上的普遍認(rèn)可,目前廣泛應(yīng)用于中國(guó)南方濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū),參數(shù)值較穩(wěn)定,預(yù)報(bào)精度也比較高[2]。

新安江模型是一種概念性的分布式降雨徑流模型。新安江三水源模型由蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流量計(jì)算、分水源計(jì)算和匯流計(jì)算4部分組成[3]。其中流域蒸散發(fā)量采用3層蒸發(fā)模式計(jì)算,將土壤劃分為上、中、下三層;產(chǎn)流量計(jì)算采用蓄滿產(chǎn)流機(jī)制,在滿足田間持水量以后產(chǎn)流;分水源計(jì)算是通過(guò)線性水庫(kù)將總徑流量分為地表徑流、壤中流和地下徑流三部分;匯流計(jì)算是通過(guò)馬斯京根法或是滯后演算法計(jì)算[4]。

紫荊關(guān)屬于海河流域,地處北方半干旱半濕潤(rùn)山區(qū),降雨和徑流相對(duì)充沛。文章結(jié)合紫荊關(guān)流域的具體特點(diǎn),選用新安江三水源模型對(duì)紫荊關(guān)流域大、中洪水進(jìn)行率定計(jì)算,分析其敏感參數(shù),探究其規(guī)律,并應(yīng)用于實(shí)際預(yù)報(bào)。

2.2 選用資料分析

文章采用紫荊關(guān)流域14個(gè)雨量站、1個(gè)水文站。14個(gè)雨量站點(diǎn)有:紫荊關(guān)、艾河村、淶源、插箭嶺、雀兒嶺、石門(mén)、團(tuán)圓村、斜山、胡子峪、獅子峪、東團(tuán)堡、烏龍溝、王安鎮(zhèn)和平頂山[5];水文站點(diǎn)選用:紫荊關(guān)。紫荊關(guān)水文站為出流站。蒸發(fā)資料采用安各莊站的實(shí)測(cè)蒸發(fā)資料。

由于大規(guī)模經(jīng)濟(jì)建設(shè),大清河流域在20世紀(jì)80年代前后下墊面有明顯變化,結(jié)合當(dāng)前歷史洪水整編資料情況和歷史洪水實(shí)際代表意義,選用紫荊關(guān)流域1955—2021年間11場(chǎng)中大洪水實(shí)測(cè)資料。同時(shí),考慮到下墊面條件的變化以及人類活動(dòng)的影響,將上述階段人為劃分為1980年前與1980后兩個(gè)階段,對(duì)大、中洪水分別進(jìn)行率定[6]。1980年前共采用了6場(chǎng)歷史洪水,1980年后共采用了5場(chǎng)實(shí)測(cè)洪水資料。紫荊關(guān)流域歷史洪水場(chǎng)次選取情況,見(jiàn)表1。

表1 紫荊關(guān)流域歷史洪水場(chǎng)次選取情況

3 方案構(gòu)建

文中預(yù)報(bào)方案模型選用新安江模型。方案輸入為紫荊關(guān)站(30805301)時(shí)段流量過(guò)程;區(qū)間(控制面積1760km2)包括14 個(gè)雨量站時(shí)段降雨過(guò)程,面雨量控制權(quán)重采用泰森多邊形法;區(qū)間產(chǎn)匯流模型分別采用新安江模型(SMS-3)和滯后演算模型(LAG-3)[7]。方案輸出為紫荊關(guān)站時(shí)段流量過(guò)程。

4 模型參數(shù)及方案評(píng)定

4.1 模型敏感參數(shù)成果

新安江模型共有17個(gè)參數(shù),每個(gè)參數(shù)均有各自的物理意義,有些參數(shù)比較敏感,稍有調(diào)整,對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果影響比較大;有些參數(shù)反映不明顯[8]。依據(jù)模型結(jié)構(gòu)與作用劃分為產(chǎn)流、匯流兩個(gè)階段,產(chǎn)流階段包括蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流量計(jì)算和三水源計(jì)算3部分;匯流階段主要涉及匯流計(jì)算,分為坡面匯流、河網(wǎng)匯流和河道匯流3類。對(duì)17個(gè)參數(shù)的意義與敏感情況進(jìn)行分析,新安江模型參數(shù)說(shuō)明表,見(jiàn)表2。

表2 新安江模型參數(shù)說(shuō)明表

文中運(yùn)用新安江模型分別對(duì)1980年前與1980后兩個(gè)階段的大、中洪水分別進(jìn)行率定,最后選取較為敏感的參數(shù)對(duì)比分析,探究其在預(yù)報(bào)中的影響程度多少,摸清規(guī)律,以便應(yīng)用于實(shí)際作業(yè)中。新安江模型參數(shù)說(shuō)明表,見(jiàn)表3。

表3 紫荊關(guān)歷史洪水場(chǎng)次模型參數(shù)選用情況

由表2可知,敏感參數(shù)主要是產(chǎn)流參數(shù)K、WM、SM。其中WM表示張力水容量,即流域張力水最大缺水量,反映流域的干旱程度。南方濕潤(rùn)地區(qū)WM取值一般為100～150mm、北方半濕潤(rùn)地區(qū)一般為150～200mm。文章選取的洪水場(chǎng)次均在主汛期,受前期降雨量影響,張力水蓄水容量應(yīng)基本符合其取值范圍,但率定后兩個(gè)年代參數(shù)取值均偏大,違背其本身的物理意義,尤其1980年之后,大水年份時(shí),WM取值明顯偏大,說(shuō)明1980年代后本流域明顯受人類活動(dòng)的影響。

SM表示流域平均自由水蓄水容量,反映土壤包氣帶的調(diào)蓄作用,決定地表徑流多少,主要影響過(guò)程線洪峰形態(tài),且對(duì)地表徑流與地下徑流的比重起決定作用[9]。SM越大,意味著地面徑流少,相應(yīng)洪峰變低;相反則相應(yīng)洪峰越高,兩者成負(fù)相關(guān)關(guān)系。SM取值范圍是20～80。紫荊關(guān)流域位于拒馬河上游,以山地為主,植被覆蓋率<80%。經(jīng)近3a對(duì)本流域勘察資料可知,紫荊關(guān)上游河道為天然河道,淶源縣城至紫荊關(guān)段常年有水,河床穩(wěn)定。匯入拒馬河的分支團(tuán)圓溝、斜山溝、獅子峪溝、王安鎮(zhèn)溝、烏龍溝、黃臺(tái)院溝,除王安鎮(zhèn)溝有小溪流匯入、其他支流干涸。本流域內(nèi)共有攔水橡膠壩四座,分別為:淶源石門(mén)橡膠壩、紫荊關(guān)漂流橡膠壩、磐石電站橡膠壩、紫荊關(guān)五一渠橡膠壩。受其影響,增加了流域攔蓄,土壤包氣帶相應(yīng)發(fā)生變化。因此,分年代率定參數(shù)可知,1980年之后較1980年之前SM值偏小,均處于合理范圍。分量級(jí)分析,在降雨量基本相同的情況下,大水較中水率定的SM均偏小,符合物理意義和規(guī)律。

匯流參數(shù)中敏感參數(shù)是CS、LAG。其中CS為河網(wǎng)蓄水消退系數(shù),反映洪水過(guò)程坦化的程度。CS越小,洪峰越高,呈負(fù)相關(guān)。由表2可知,從年代分析,同一量級(jí)的洪水,80年代后CS取較80年代前偏小;從量級(jí)分析,兩個(gè)年代中,大水較中水CS均偏小。

4.2 方案評(píng)定

經(jīng)對(duì)紫荊關(guān)流域的11場(chǎng)歷史洪水進(jìn)行率定,紫荊關(guān)站1963年洪水模擬結(jié)果示意圖,見(jiàn)圖1;紫荊關(guān)站1964年洪水模擬結(jié)果示意圖,見(jiàn)圖2;紫荊關(guān)站1982年洪水模擬結(jié)果示意圖,見(jiàn)圖3;紫荊關(guān)站1996年洪水模擬結(jié)果示意圖,見(jiàn)圖4。紫荊關(guān)流域分年代分量級(jí)歷史洪水率定成果,見(jiàn)表4。結(jié)果表明,運(yùn)用新安江模型對(duì)于紫荊關(guān)流域歷史洪水的洪量的模擬效果較好,兩個(gè)年代的合格率算數(shù)平均值達(dá)到80%以上,要優(yōu)于兩個(gè)年代的洪峰預(yù)報(bào)效果70%。

圖1 紫荊關(guān)站1963年洪水模擬結(jié)果示意圖

圖2 紫荊關(guān)站1964年洪水模擬結(jié)果示意圖

圖3 紫荊關(guān)站1982年洪水模擬結(jié)果示意圖

圖4 紫荊關(guān)站1996年洪水模擬結(jié)果示意圖

表4 紫荊關(guān)流域分年代分量級(jí)歷史洪水率定成果

由表4可知,在1980年前的歷史洪水場(chǎng)次模擬中,大水的洪量合格率為100%,洪峰合格率70%,中水的洪量合格率和洪峰合格率均為70%;1980年后的歷史洪水場(chǎng)次模擬,大水的洪量和洪峰合格率為100%,中水的洪量合格率為100%,洪峰合格率70%。因此,根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GBT 22482—2008)的要求,分年代分量級(jí)模擬的確定性系數(shù)均在0.75左右,合格率均在70%以上,達(dá)到或超過(guò)乙級(jí)精度,預(yù)報(bào)效果比較好,適用于紫荊關(guān)流域洪水預(yù)報(bào)。

5 結(jié) 論

1)文章紫荊關(guān)站為山區(qū)站,屬于降雨徑流型,流域輸入只有一個(gè)區(qū)間,運(yùn)用新安江模型分年代分量級(jí)對(duì)紫荊關(guān)流域洪水進(jìn)行模擬,合格率均在70%以上,達(dá)到或超過(guò)乙級(jí)精度,相對(duì)來(lái)說(shuō)預(yù)報(bào)效果比較好,因此,新安江模型適用于北方半干旱半濕潤(rùn)山區(qū)。

2)通過(guò)分年代分量級(jí)模擬紫荊關(guān)流域洪水可知,大、中水方案,無(wú)論1980年之前還是之后,模擬精度均高于不分量級(jí)和年代時(shí)的精度,更適用于實(shí)際工作。

3)實(shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)中,對(duì)于紫荊關(guān)流域,產(chǎn)流參數(shù)中主要是根據(jù)降雨量調(diào)整SM,匯流參數(shù)中主要調(diào)整CS,LAG,優(yōu)先調(diào)整CS。

4)由于洪水資料有限,率定資料年份不足,未按照水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范完成洪水檢驗(yàn),今后實(shí)際工作中待有洪水資料后繼續(xù)完善率定檢驗(yàn),進(jìn)一步修訂方案參數(shù),更好地服務(wù)預(yù)報(bào)[10]。