新安江模型在確定洪峰時間的應(yīng)用

劉 琦，宋 冰

（1．雞西市水文局，黑龍江 雞西158100；2．黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱150001）

1 研究目的與意義

隨著社會的發(fā)展進步，人民生活水平逐漸提高，穆棱河地區(qū)人民對物質(zhì)文化生活的要求也愈來愈強烈，對穆棱河水資源的需求也就愈來愈大，致使穆棱河生態(tài)環(huán)境惡化、災(zāi)害加重、水資源短缺、供需矛盾越來越突出。事實上，1960年以后沿河兩岸柳樹大部分被砍伐，引起河岸坍塌，水土流失，河道淤積。因此，準確掌握穆棱河研究區(qū)水情情況、洪峰發(fā)生時間，為合理布局，防汛抗旱，以及水資源優(yōu)化利用提供了寶貴的依據(jù)，最大程度的滿足社會和人民日益提高的物質(zhì)文化需求，具有重要的現(xiàn)實意義。

趙人俊教授在二水源［1－2］的基礎(chǔ)上提出三水源劃分新安江產(chǎn)匯流模型。三水源新安江模型是考慮了二水源模型中常遇到降雨時空分布不均勻和穩(wěn)定下滲參數(shù)隨洪水變化而變化的問題提出的，再結(jié)合二水源的其它結(jié)構(gòu)。

2 模型說明

2．1 模型結(jié)構(gòu)

新安江水文模型［3］是河海大學(xué)研究組在編制新安江洪水預(yù)報方案時，設(shè)計的完整的流域水文模型，最初提出的是二水源新安江模型。20世紀80年代中期，借鑒國外產(chǎn)匯流理論，提出了三水源新安江模型。三水源模型蒸散發(fā)計算采用三層模型；產(chǎn)流計算采用蓄滿產(chǎn)流模型；三水源即：地表徑流、壤中流和地下徑流3種；流域匯流計算采用線型水庫；河道匯流采用馬斯京根分段連續(xù)演算或之后演算法［4］。每塊單元流域的計算流程如圖1所示。

2．2 產(chǎn)流計算

流域蓄水容量－面積分配曲線及其與降雨徑流相互轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖2。

對總徑流R積分：

若PE＋A＜WMM，則局部產(chǎn)流時

若PE＋A≥WMM，即全流域產(chǎn)流時

式中：f為產(chǎn)流面積，km2；A為流域平均初始土壤水量最大值，mm；F為全流域面積，km2；W′為流域單點的蓄水量，mm；WMM 為流域單點最大蓄水量，mm；PE為凈降雨量，mm；B為蓄水容量—面積分配曲線的指數(shù)；W0為流域初始土壤蓄水量，mm；WM 為流域平均最大蓄水量，mm。

圖1 三水源新安江模型流程圖

圖2 流域蓄水容量－面積分配曲線與降雨徑流間關(guān)系圖

2．3 水源劃分

自由水蓄水庫結(jié)構(gòu)考慮了包氣帶的垂向調(diào)蓄作用。按蓄滿產(chǎn)流模型計算出的總徑流量R，先進入自由水蓄水庫調(diào)蓄，再劃分水源，從圖3可見。產(chǎn)流面積上設(shè)置兩個出口，旁側(cè)出口形成壤中流RI；向下出口形成地下徑流RG。

2．4 模型參數(shù)

2．4．1 參數(shù)類別

可以按對計算精度影響程度、在徑流形成過程起作用程度、參數(shù)的不同物理意義進行分類，分為：敏感與不敏感參數(shù)、物理與經(jīng)驗參數(shù)、時變和時不變參數(shù)、三水源和目的參數(shù)。如表1所示：

圖3 自由水蓄水庫結(jié)構(gòu)圖

表1 新安江模型各層次參數(shù)表

2．4．2 參數(shù)率定

模型參數(shù)率定過程如圖4所示。

圖4 模型參數(shù)率定框圖

模型參數(shù)率定按式（4）、式（5）選擇。

式中：j為整數(shù)，一般取1或2；w為參數(shù)向量；Rn為n維的史書空間域；Yci為模型計算值；Yoi為實測值。

參數(shù)率定就是選擇一個參數(shù)向量wp，使得F（wp）達到最小，即

3 實例分析

用三水源新安江模型編制密山橋水文站入庫流量預(yù)報方案，確定洪峰發(fā)生時間。

3．1 研究區(qū)概況

密山橋水文站位于黑龍江省雞西市梨樹鎮(zhèn)。地理位置為東經(jīng)130°41′36″，北緯45°05′27″。是穆棱河中游控制站，距河源211．8km，距河口距離447．6km，集水面積6443km2。多年平均氣溫3．2℃，最高氣溫37．6℃，最低氣溫－44．1℃。多年平均降水量552．9mm，降水量年內(nèi)分布不均，6—9月降水量占全年降水量70%左右，多年平均年徑流量22．67億m3。無霜期140d，結(jié)冰期150～160d，最大冰厚1．37m。

3．2 方案構(gòu)建

預(yù)報方案設(shè)置2個方案輸入：梨樹鎮(zhèn)（10503010）、區(qū)間（10504410A）（密山橋水文站集水面積13 325km2，梨樹鎮(zhèn)水文站集水面積6443km2，區(qū)間控制面積6787km2）。梨樹鎮(zhèn)水文站輸入采用馬斯京根法模型（MSK），區(qū)間輸入采用蓄滿產(chǎn)流模型（SMS＿3）和滯后演算模型（LAG＿3）；雨量站控制權(quán)重采用泰森多邊形法。方案計算時段為3h，方案輸出類型為是水位流量。其結(jié)構(gòu)圖如圖5。

圖5 密山橋水文站預(yù)報結(jié)構(gòu)圖

（1）方案定義

模型：馬斯京根法，蓄滿產(chǎn)流模型和滯后演算模型；

方案輸入：梨樹鎮(zhèn)（10503010）和區(qū)間（10504410A）；

方案輸出：密山橋時段水位流量過程。

（2）方案屬性

預(yù)報站碼：10504410（密山橋）；

時段長度：3h；

預(yù)見期：30個時段；

預(yù)熱期：30d；

輸出類型：河道水位流量；

輸入個數(shù)：2個；

輸入類型：1個河道輸入和1個流域輸入。

（3）圈化流域邊界

圈化流域邊界見圖6。

圖6 密山橋站流域邊界

3．3 資料選取

雨量站選用：經(jīng)雨量資料分析，密山橋水文站以上區(qū)間共有雞西、密山橋、團山子水庫、八楞山水庫、哈達水庫、金生村、林村屯和半截河水庫，共8個站雨量資料。其中三棱通鄉(xiāng)、和平村、鉛礦村、大同水庫、東保村和民主村6個雨量站資料不全，其余2個站具有1h雨量摘錄資料，具備編制洪水預(yù)報方案的要求。

水文站選用：密山橋水文站資料經(jīng)過整編，能滿足編制洪水預(yù)報方案要求。密山橋水文站1979年建站，建站以來最大流量為4440m3／s，根據(jù)雨量資料系列，流量資料選用2013年分析。

蒸發(fā)資料選用：選用密山橋水文站蒸發(fā)資料。

3．4 率定結(jié)果

（1）率定的目標函數(shù)值為0．846。

（2）模型參數(shù)選取

①馬斯京根法模型（MSK）參數(shù)

10504410 10503010 MSK

PARAMETER

＆PARA＿TABLE

X＝－0．990

KK＝3

MP＝14

／

②三水源蓄滿產(chǎn)流模型（SMS＿3）參數(shù)

10504410 105044104A SMS＿3

PARAMETER

＆PARA＿TABLE

WM＝120．000

WUMx＝0．200

WLMx＝0．600

K＝0．892

B＝0．300

C＝0．100

IM＝0．010

SM＝67．950

EX＝1．500

KG＝0．300

KI＝0．537

ES＝9．3 16．5 46．3 100．5 115 106．9 103 94．9 76．7 55．3 23．7 10．5

／

③三水源滯后演算模型（LAG＿3）參數(shù)

10504410 105044104A LAG＿3

PARAMETER

＆PARA＿TABLE

F＝6882

CI＝0．805

CG＝0．994

CS＝0．757

LAG＝16．000

X＝0．391

KK＝3

MP＝0

／

（3）場次洪水統(tǒng)計

根據(jù)密山橋站2006年、2008年、2009年的數(shù)據(jù)資料，經(jīng)新安江模型率定后，得到洪峰發(fā)生情況。率定結(jié)果與實際情況詳見表2。

表2 密山橋站預(yù)報方案率定場次洪水統(tǒng)計表

（4）方案評定

所有參數(shù)取值符合條件要求，分別選取2006年、2008年、2009年三年的實測數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本結(jié)果，測試結(jié)果0．846，再取2013年數(shù)據(jù)測試，得到目標函數(shù)值0．711，符合水文情報預(yù)報規(guī)范［5］的規(guī)定，并評定等級為乙級。

圖7為2013年資料驗證結(jié)果，可以看出洪水過程擬合效果較好，水量基本平衡，各參數(shù)符合該地區(qū)的洪水特性，5場場次洪水誤差大于20%不在允許范圍內(nèi)，其他場次洪水合格，根據(jù)確定性系數(shù)0．846評定該洪水預(yù)報方案為乙級。

圖7 2013年率定結(jié)果圖

4 結(jié) 論

本文主要介紹了新安江模型的基本理論知識，以新安江模型為基礎(chǔ)研究方法，針對穆棱河研究區(qū)的特殊地形、水系特征和氣候條件，調(diào)整模型參數(shù)后得到洪水預(yù)報方案評定等級為乙級。

［1］趙人俊．流域水文模型－新安江模型與陜北模型［M］．北京：水利電力出版社，1984．

［2］趙人俊．流域水文模型的比較分析研究［J］．水文，1989（6）：1－3．

［3］芮孝芳，蔣成煜，張金存．流域水文模型的發(fā)展［J］．水文，2006（3）：22－26．

［4］華舒愉，顧圣平，賀軍，等．三水源新安江模型參數(shù)優(yōu)化及其應(yīng)用［J］．水電能源科學(xué)，2013（2）：23－26＋242．

［5］水利部水利信息中心．SL250－2000水文情報預(yù)報規(guī)范［S］．北京：中國水利水電出版社，2000．