NAM模型在鰲江流域洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

陳智洋，白炳鋒，朱永泉，厲海斌

(溫州市水文站，浙江 溫州 32500)

準(zhǔn)確的洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)作為一項(xiàng)重要的非工程措施逐漸被各級(jí)防汛部門所重視。本文嘗試使用在國(guó)際上應(yīng)用廣泛的NAM模型進(jìn)行鰲江流域的水文模擬，為鰲江流域的洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)域概況

鰲江流域地處我國(guó)東南沿海，為浙江省八大水系之一，流域面積1530.7km2，干流全長(zhǎng)90km，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量1821mm，多年平均徑流深1156mm。流域上游山區(qū)面積大，洪水匯流快，洪峰大，加上河床高，過水?dāng)嗝嫘?，地?shì)低洼，又受下游潮水及支流南港洪水頂托，使得兩岸城鎮(zhèn)、農(nóng)田、村莊頻繁受淹成災(zāi)，每年少則2次，多則十幾次。近幾年，城鄉(xiāng)開發(fā)人為侵占水域，城鎮(zhèn)規(guī)模擴(kuò)大，使農(nóng)田等天然滯洪區(qū)域縮減，更加劇了洪澇災(zāi)害的發(fā)生。

2 研究方法

2.1 資料的選擇

本文選取的區(qū)域?yàn)轹椊嫌蔚能ゎ^水文站集水區(qū)域，面積為343km2，境內(nèi)有順溪、吳、山門、埭頭、南雁、朝陽等6個(gè)雨量站點(diǎn) (見圖1)，蒸發(fā)數(shù)據(jù)采用臨近峃口站，各個(gè)站點(diǎn)資料序列完整可靠。本次收集了該區(qū)域2003—2007年的雨量、蒸發(fā)、流量數(shù)據(jù)作為基本資料，建立流域降雨徑流NAM模型，并進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證。以2003—2005年的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，2006—2007年數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。

圖1 埭頭水文站以上站點(diǎn)圖

2.2 流域水文模型的應(yīng)用

NAM水文模型是一個(gè)集總式的確定性概念模型，用于模擬流域內(nèi)的降雨產(chǎn)匯流過程。它將土壤含水率分成積雪儲(chǔ)水層、地表儲(chǔ)水層、淺層或根區(qū)儲(chǔ)水層和地下水儲(chǔ)水層4個(gè)部分，分別進(jìn)行連續(xù)計(jì)算，以模擬流域中各種相應(yīng)的水文過程。

NAM模型作為MIKE11河流模擬系統(tǒng)的降雨徑流模塊(RR)，既可獨(dú)自運(yùn)行，也可以和其它模塊耦合計(jì)算一個(gè)或多個(gè)進(jìn)入河網(wǎng)子流域的旁側(cè)入流。給定的氣象資料也是單元內(nèi)的平均值，其中單元內(nèi)面平均雨量以各雨量站雨量經(jīng)面積權(quán)重系數(shù)加權(quán)計(jì)算。NAM模型還具有模型參數(shù)自動(dòng)率定的功能，可對(duì)其9個(gè)最重要的模型參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)率定。自動(dòng)率定的優(yōu)化目標(biāo)有4個(gè)，水量平衡、徑流過程線擬合、峰值和低水流量。對(duì)一次包括9個(gè)參數(shù)的自動(dòng)率定而言，1000～2000次的模擬計(jì)算就可得到一個(gè)有效的結(jié)果。

本次建模采用對(duì)1a內(nèi)枯水期和豐水期進(jìn)行連續(xù)計(jì)算，利用率定期內(nèi)實(shí)測(cè)流量直接率定模型參數(shù)，然后比較流域出口水文控制站的實(shí)測(cè)和模擬值進(jìn)行精度評(píng)定。率定順序?yàn)?先進(jìn)行全年水量平衡分析，并考察枯水期流量結(jié)果，對(duì)地下水徑流進(jìn)行率定，然后對(duì)年內(nèi)出現(xiàn)的主要洪水進(jìn)行針對(duì)性的率定。

3 成果及分析

在參數(shù)率定中，以埭頭站流量擬合程度為目標(biāo)，利用率定期內(nèi)實(shí)測(cè)流量資料直接率定其NAM模型參數(shù)，比較流域出口水文控制站的實(shí)測(cè)和模擬流量值進(jìn)行精度評(píng)定。流域模型率定參數(shù)見表1。表1中，Umax為地表儲(chǔ)水層最大含水率，Lmax為根區(qū)儲(chǔ)水層最大含水率，CQOF為坡面流匯流系數(shù)，CKIF為壤中流匯流時(shí)間，CK1、2為坡面流匯流時(shí)間，TOF為坡面流產(chǎn)流臨界值，TIF為壤中流產(chǎn)流臨界值，TG為根區(qū)地下水補(bǔ)給臨界值，CKBF為基流匯流時(shí)間，GWLBF0為地下最大基流水深。

表1 埭頭流域水文模型率定后參數(shù)表

3.1 日模型結(jié)果及分析

經(jīng)模擬計(jì)算，日模型成果實(shí)測(cè)值與模擬值的相關(guān)系數(shù)R2分別為:0.901，0.896，0.956，0.913，0.905;水量平衡相對(duì)誤差分別為:-1.9%，-7.0%，-0.3%，-16.5%，-14.1%。從總體結(jié)果看，模擬流量過程與實(shí)測(cè)流量過程擬合均較理想，模擬的累積水量比實(shí)測(cè)累積水量大。模型2006年和2007年驗(yàn)證結(jié)果見圖2、3。

圖2 埭頭子流域NAM日模型率定結(jié)果圖 (2006年)

圖3 埭頭子流域NAM日模型率定結(jié)果圖 (2007年)

模型在率定期模擬精度較高，但驗(yàn)證期2006、2007年模擬的精度相對(duì)較低，模擬流量過程與實(shí)測(cè)流量過程擬合均較理想，模擬的累積水量比實(shí)測(cè)累積水量大。經(jīng)分析主要有以下2方面原因:

(1)主要與原始數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān)，原始的流量數(shù)據(jù)除了洪水摘錄表的水文流量數(shù)據(jù)外，其余的數(shù)據(jù)采用日平均流量。該數(shù)據(jù)會(huì)引起實(shí)測(cè)小洪水的累積水量計(jì)算結(jié)果失真。

(2)上游水庫(kù)的人為調(diào)蓄，埭頭水文站上游流域內(nèi)，有小 (1)型水庫(kù)1座，小 (2)型水庫(kù)3座，總庫(kù)容超過400萬m3。這些水庫(kù)在大洪水期間調(diào)蓄能力作用可以忽略不計(jì)，但是在小洪水期間可以調(diào)蓄一定比例的洪水。

3.2 次洪結(jié)果及分析

從2003—2007年，挑選14場(chǎng)洪水模擬。利用2003—2005年的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，2006—2007年數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表2。

表2 埭頭站以上集水區(qū)域14場(chǎng)洪水模擬精度評(píng)定結(jié)果表

表2的結(jié)果顯示，各場(chǎng)次洪水過程模擬的確定性系數(shù)最高為0.97，最低為“20051002龍王”臺(tái)風(fēng)為0.88，其中14場(chǎng)洪水12場(chǎng)在0.90以上，平均值為0.94，確定性系數(shù)達(dá)到甲級(jí)預(yù)報(bào)精度。以±20.0%作為徑流深相對(duì)誤差的許可誤差，±20.0%作為洪峰的許可誤差，±3h作為洪峰出現(xiàn)時(shí)間的許可誤差。14場(chǎng)洪水中，平均徑流深相對(duì)誤差為6.7%，合格率為93.0%，徑流深相對(duì)誤差達(dá)到甲級(jí)預(yù)報(bào)精度，其中11場(chǎng)在±10.0%以下，最大為-23.0%，最小僅為±1.0%，說明模型對(duì)水量的計(jì)算是比較準(zhǔn)確的。洪峰誤差的合格率為79.0%，洪峰誤差達(dá)到乙級(jí)預(yù)報(bào)精度。峰現(xiàn)時(shí)差的合格率為100%，峰現(xiàn)時(shí)差達(dá)到甲級(jí)預(yù)報(bào)精度。

圖4～6代表了3場(chǎng)典型洪水過程，分別包括單峰、雙峰以及多峰洪水過程，洪峰值為500～2600m3/s，總體上可以代表該流域洪水典型過程。從模擬結(jié)果可以看出，計(jì)算流量過程與實(shí)測(cè)流量過程在峰值和相位上均能得到較好的吻合。該模型結(jié)構(gòu)能夠較好地反映本區(qū)域水文物理過程。

圖4 埭頭流域海棠臺(tái)風(fēng)率定結(jié)果圖

圖5 埭頭流域環(huán)高臺(tái)風(fēng)率定結(jié)果圖

圖6 埭頭流域2005年06月梅汛洪水率定結(jié)果圖

3.3 與新安江模型比較分析

新安江模型作為最成熟的降雨徑流模型之一，在我國(guó)南方濕潤(rùn)地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。NAM模型和新安江模型都屬于概念性模型，兩者均采用的了蓄滿產(chǎn)流機(jī)制，在模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)上有一定的相似之處。本文同時(shí)采用新安江模型模擬幾場(chǎng)典型洪水，并對(duì)洪峰和確定性系數(shù)2項(xiàng)進(jìn)行比較分析 (見表3)。從2003—2007年的次洪模擬的效果看，NAM模型與新安江模型的模擬效果相當(dāng)。2種模型對(duì)“20050901”洪水實(shí)測(cè)洪峰模擬成果均明顯偏小，經(jīng)對(duì)實(shí)測(cè)資料調(diào)查分析，可能與實(shí)際流量測(cè)量誤差有關(guān)。在該次洪水期間，洪峰流量已超過該水文站的測(cè)驗(yàn)?zāi)芰Γ⒎菍?shí)測(cè)計(jì)算所得，而是采用上下比降法估算得出。

表3 埭頭站以上集水區(qū)域典型洪水模擬成果比較表

4 結(jié)論與建議

(1)NAM模型參數(shù)較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。通過2003—2007年的典型洪水模擬分析，NAM模型能對(duì)鰲江流域梅汛期和臺(tái)汛期洪水進(jìn)行較好的模擬。按照水文情報(bào)預(yù)報(bào)精度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，洪峰誤差可達(dá)到乙級(jí)預(yù)報(bào)精度，可以為鰲江流域的洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供參考和借鑒。

(2)由于模型初始條件不合理導(dǎo)致部分洪水過程初期產(chǎn)流過程率定結(jié)果不理想。為提高模型精度，場(chǎng)次洪水的初始條件需采用NAM模型對(duì)前期長(zhǎng)時(shí)間序列計(jì)算得到，這就需要在實(shí)際應(yīng)用中需保證資料的連續(xù)性和完整性。并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)設(shè)置初始條件，以改善模擬結(jié)果。

(3)由于臺(tái)風(fēng)暴雨以及地形地貌的特點(diǎn)，通過泰森多邊形方法計(jì)算的平均面雨量有時(shí)不能準(zhǔn)確表達(dá)流域內(nèi)的暴雨雨量過程，在一定程度上影響模擬的精度。另外，流域的小型水利工程有一定的調(diào)蓄能力，在小洪水期間，上游的調(diào)蓄會(huì)對(duì)入流流量過程產(chǎn)生影響，往往造成模擬值超過實(shí)測(cè)值。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)充分掌握次洪的前期降雨、上游水庫(kù)蓄水情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做一些修正。如有條件，可結(jié)合水力學(xué)模型，將小型工程也集成到模型中，進(jìn)行同步模擬以提高模擬精度。

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