淺析新安江模型在碼市水文站的應(yīng)用

羅小玲

摘要：三水源新安江水文模型在濕潤地區(qū)具有較好的通用性。本文采用三水源新安江水文模型，對(duì)碼市水文站進(jìn)行洪水模擬，全面分析了日徑流和次洪模擬效果，據(jù)此編制了適合本水文站的洪水預(yù)報(bào)方案，并對(duì)未來洪水預(yù)報(bào)方案的完善提出了切實(shí)可行的建議。

關(guān)鍵詞：新安江模型；洪水預(yù)報(bào)；碼市水文站

DOI：10.12433/zgkjtz.20241243

一、流域概況

（一）自然氣候狀況

碼市水文站以上馮河流域位于湖南省湘江東源上游，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，濕潤多雨，四季分明，雨量充足。平均日照1646h，年平均氣溫18.9℃，多年平均降水量1790mm，但降雨量年際變化較大，年內(nèi)分配不均，年際最大降雨量達(dá)2261.8mm（2022年），年最小降雨量為1163.9mm（1989年）；年內(nèi)4～6月為降水集中時(shí)間，可占全年降水量的40%～50%。

（二）水系及水利工程情況

馮河流域位于湘江上游，發(fā)源于藍(lán)山縣紫良鄉(xiāng)野狗嶺南麓，從碼市鎮(zhèn)暗山入江華縣境內(nèi)，先后納入中河、鄔龍河，于碼市鎮(zhèn)與支流安寧河、大錫河匯集，流域總面積2559km2。其中，碼市水文站以上流域面積為917km2，占總流域面積的35.8%，多年平均流量32.0 m3/s。流域內(nèi)建有6座水庫，其中，中型1座，為高塘坪水庫；小（一）型2座，分別為漕灘電站和羊巖電站；小（二）型3座，分別為魚跳電站、田坪電站和落陽沖電站。水庫分布情況詳見圖1。

（三）洪水特性

碼市水文站位于湖南省江華縣碼市鎮(zhèn)，以上馮河流域是江華縣暴雨中心之一，強(qiáng)降雨常引發(fā)洪災(zāi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建國后70多年間，碼市鎮(zhèn)街道被淹達(dá)20余次。年最大洪水多發(fā)生在4～7月，在此期間，洪水主要由氣旋鋒面暴雨產(chǎn)生，8月及以后的洪水多為臺(tái)風(fēng)暴雨產(chǎn)生。洪水屬山區(qū)性河流洪水特性，漲落較快、變幅大、歷時(shí)短，呈單峰或復(fù)峰型，易形成山洪災(zāi)害。

（四）預(yù)報(bào)斷面情況

碼市水文站因受涔天河水庫擴(kuò)建工程影響，由原江華水文站上遷至碼市鎮(zhèn)而建，為國家二類精度站，涔天河水庫入庫站。該站集水面積917km2，測驗(yàn)項(xiàng)目有降水、水位、流量和水質(zhì)。2015年1月1日，開始觀測雨量、水位和水質(zhì)檢測，2016年1月1日，增加流量測驗(yàn)項(xiàng)目。測驗(yàn)河段基本順直，長約500m，河床由卵石夾沙及大石塊組成。左岸為防洪堤，右岸為山坡。河床無水草，較穩(wěn)定。基下約50m處為碼市大橋，2016年7月，在基下約300m處修建新碼市大橋?；录s500m處為急灣，為高、中水控制，主流主要在57.0～63.0m之間，流速橫向分布由主流位置向兩岸遞減。水位分級(jí)：322.73m以上為高水；322.72～320.27m為中水；320.26～319.52m為低水；319.52m以下為枯水。水位采用黃海基面以上米數(shù)表示，調(diào)查歷史最高洪水位為326.93m，流量為2200m3/s（2013年5月16），實(shí)測最高洪水位為326.99m，流量為2300m3/s（2022年6月22日）。

圖1? 碼市水文站以上馮河流域水系

（五）站網(wǎng)情況

碼市水文站控制流域建有1個(gè)水文站（碼市水文站）和8個(gè)雨量站。8個(gè)雨量站分別為碼市站（面積權(quán)重0.097）、大橋站（面積權(quán)重0.215）、金田站（面積權(quán)重0.131）、飯灘站（面積權(quán)重0.122）、大龍站（面積權(quán)重0.166）、黃石站（面積權(quán)重0.092）、龍安站（面積權(quán)重0.105）、安馬站（面積權(quán)重0.072），其分布情況見圖1。蒸發(fā)站采用鄰近流域萌渚水流域內(nèi)的大路鋪蒸發(fā)站。

（六）資料系列

徑流資料系列：碼市水文站只有2016至2022年7年的逐日水位、流量，共13場洪水。其中，2016年3場洪水，年最大洪峰流量為1370m3/s；2017年2場洪水，年最大洪峰流量537m3/s；2018年1場洪水，年最大洪峰流量469 m3/s；2019年2場洪水，年最大洪峰流量1680m3/s；2020年2場洪水，年最大洪峰流量636m3/s；2021年1場洪水，年最大洪峰流量350m3/s；2022年2場洪水，年最大洪峰流量2300m3/s。雨量資料：大橋站、碼市站、安馬站有1960～2022年共63年的逐日降水量和降水量摘錄資料，金田站、飯灘站、大龍站、黃石站和龍安站有2011～2022年共12年的逐日降水量和降水量摘錄資料。

二、新安江模型簡介

新安江模型是概念性流域水文模型，主要包括流域蒸散發(fā)計(jì)算、流域產(chǎn)流計(jì)算、分水源計(jì)算和匯流計(jì)算4個(gè)步驟。流域蒸散發(fā)按三層蒸散發(fā)模型計(jì)算，主要參數(shù)有K和C；流域產(chǎn)流采用蓄滿產(chǎn)流計(jì)算，用蓄水容量曲線考慮流域上蓄水能力的不均勻性，主要參數(shù)有WM（WUM、WLM、WDM）、B和IM；分水源計(jì)算是把總徑流劃分成地表徑流、壤中流和地下徑流三部分計(jì)算，主要參數(shù)有SM、EX、KI和KG；在匯流計(jì)算中，地面匯流、壤中流和地下匯流都采用線性水庫來模擬，主要參數(shù)有CG、CI、CS和L。地面徑流、壤中流和地下徑流匯至河網(wǎng)后，合起來采用馬斯京根法分段連續(xù)演算至流域出口斷面。

三、碼市水文站新安江模型參數(shù)率定

（一）日模型參數(shù)率定

模型參數(shù)率定就是根據(jù)特定的目標(biāo)準(zhǔn)則（或目標(biāo)函數(shù)），調(diào)整一套參數(shù)值，使模型用參數(shù)值計(jì)算出的結(jié)果在給定準(zhǔn)則下最優(yōu)。模型參數(shù)率定步驟見圖2。

圖2? 模型參數(shù)率定框

模型參數(shù)率定包括估計(jì)參數(shù)初值、模型計(jì)算，根據(jù)確定的目標(biāo)準(zhǔn)則判斷優(yōu)或否、尋找新的參數(shù)值或參數(shù)尋找結(jié)束4個(gè)基本步驟。

日模參數(shù)率定的目標(biāo)函數(shù)是：多年產(chǎn)流總量誤差為最小，同時(shí)確定性系數(shù)越大越好。

因資料系列少，碼市水文站先移用江華水文站新安江模型參數(shù)（資料系列為1960～2015年，模型參數(shù)率定資料為2001～2010年資料系列），然后用2016～2021年逐日降雨及蒸發(fā)資料人工率定日模參數(shù)。江華水文站日模參數(shù)分別為K（0.99）、WM（113.1）、WUM（36.5）、WLM（90.3）、B（0.5）、C（0.135）、SM（39.7）、EX（1.5）、KI（0.44）、KG（0.26）、CS（0.90）、CI（0.60）、CG（0.95）、KE（1.00）、XE（0.00）、L（4），碼市水文站日模參數(shù)分別為K（0.99）、WM（120）、WUM（38.8）、WLM（95.9）、B（0.5）、C（0.135）、SM（25.0）、EX（1.5）、KI（0.44）、KG（0.26）、CS（0.865）、CI（0.587）、CG（0.95）、KE（1.00）、XE（0.00）、L（2）。用2022年逐日降雨及蒸發(fā)資料來檢驗(yàn)日模型模擬效果，其成果見表1。

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T22482-2008）要求，預(yù)報(bào)徑流深在3～20mm為合格，否則為不合格。由表1可見，率定和檢驗(yàn)的預(yù)報(bào)徑流深誤差均在許可范圍內(nèi)。

（二）次模型參數(shù)率定

在日模型中調(diào)試好后，次洪模型中便可直接采用，無需調(diào)試；參數(shù)SM、KG、KI、CG、CI、L和CS與時(shí)段長有關(guān)，但參數(shù)KG、KI、CG、CI在次模型中的值與日模型中的值存在一定轉(zhuǎn)化關(guān)系，也無需調(diào)試；SM、L、CS在日模型與次洪模型中是不通用的，需在次模型中重新調(diào)試確定。

次洪水模型在調(diào)試時(shí)，通常以洪水總量、洪峰值、峰現(xiàn)時(shí)間按照許可誤差統(tǒng)計(jì)合格率最高和確定性系數(shù)最大為目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T22482-2008）要求，洪量許可誤差為3～20mm；洪峰流量許可誤差為預(yù)見期內(nèi)實(shí)測變幅的20%；峰現(xiàn)時(shí)間許可誤差為預(yù)報(bào)根據(jù)時(shí)間至實(shí)測峰現(xiàn)時(shí)間之間時(shí)距的30%；確定性系數(shù)大于等于0.5而小于0.7為丙級(jí)、大于等于0.7而小于0.9為乙級(jí)、大于0.9為甲級(jí)。

因資料系列短，此次選取2016～2019年8場洪水進(jìn)行次模型參數(shù)調(diào)試計(jì)算，調(diào)試后確定性系數(shù)為0.755，次模參數(shù)分別為K（0.99）、WM（120）、WUM（38.8）、WLM（95.9）、B（0.5）、C（0.135）、SM（22.0）、EX（1.5）、KI（0.43）、KG（0.27）、CS（0.895）、CI（0.607）、CG（0.95）、KE（1.00）、XE（0.00）、L（1.9）。次模型率定成果見表2。采用2020～2022年5場洪水進(jìn)行檢驗(yàn)?zāi)M，其模擬成果見表2。

由表2可知，8場率定洪水的模擬結(jié)果有2場不合格，5場檢驗(yàn)洪水的模擬結(jié)果有1場不合格，不合格的原因均為洪峰流量超過許可誤差的20%。

四、結(jié)論與建議

（一）結(jié)論

第一，在分析碼市水文站所在馮河流域的自然地理和流域水文特征的基礎(chǔ)上，應(yīng)用適合濕潤地區(qū)的三水源新安江模型對(duì)流域洪水進(jìn)行模擬計(jì)算，并率定模型參數(shù)，模型的確定性系數(shù)0.755為乙級(jí)，構(gòu)建了碼市水文站洪水預(yù)報(bào)方案。

第二，因碼市水文站建站年限短，只采用2016～2022年13場洪水資料率定檢驗(yàn)新安江模型參數(shù)，其模型參數(shù)的適用性相對(duì)較差，特別是在雨量大的情況下，由于超滲產(chǎn)流，實(shí)測洪峰流量比預(yù)報(bào)值大，峰現(xiàn)時(shí)間提早。

第三，碼市水文站上游建有1個(gè)中型水庫和5個(gè)小型水庫，由于水庫蓄水調(diào)節(jié)，在小洪水時(shí)，實(shí)測洪峰流量比預(yù)報(bào)值小。

（二）建議

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果分析，日模型擬合較好，但次模型擬合相對(duì)較差。分析原因主要有：一是流域內(nèi)水文資料系列過短，參與率定和檢驗(yàn)資料只有2016～2022年7年的資料，共13場洪水，資料代表性較差；二是流域內(nèi)中河上未設(shè)雨量控制站，雨量站的代表性不夠；三是流域內(nèi)6個(gè)水庫和電站對(duì)流域較小洪水的調(diào)蓄影響較大。

為提高碼市水文站洪水預(yù)報(bào)精度，做好洪水預(yù)警預(yù)報(bào)工作，可從如下幾方面修改和完善：

第一，在中河上增設(shè)1～2個(gè)雨量站；第二，收集流域內(nèi)6個(gè)水庫和電站的設(shè)計(jì)、調(diào)度等資料，分析水庫和電站蓄泄調(diào)度對(duì)碼市水文站徑流的影響，并在預(yù)報(bào)方案中增加水庫和電站的調(diào)度模塊；第三，每年年底收集整理碼市水文站徑流資料和流域內(nèi)雨量資料，重新率定預(yù)報(bào)方案參數(shù)，完善預(yù)報(bào)方案。

參考文獻(xiàn)：

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