半分布式新安江模型在石家莊西部山區(qū)小流域洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

□劉 郁

石家莊市位于河北省中南部，跨太行山地和華北平原兩大地貌單元，轄區(qū)總面積20235km2。石家莊市境內(nèi)河流分屬海河流域大清河水系和子牙河水系，主要行洪河道7條，分別為北部的沙河、磁河，中南部的滹沱河、冶河、洨河、槐河、泲河。西部山區(qū)上游支流較多，小流域（流域面積小于200km2的流域）因流域面積小、坡降較陡及河道的調(diào)蓄能力小的原因，洪水具有持續(xù)時(shí)間短、漲幅大、洪峰高、預(yù)報(bào)難度大等特點(diǎn)。

近年來(lái)，我國(guó)大江大河的防洪減災(zāi)工作已逐步完善，但山區(qū)小流域洪水預(yù)警預(yù)報(bào)工作尚處于初步階段。2012年國(guó)務(wù)院出臺(tái)相關(guān)規(guī)劃總結(jié)中小河流的基本情況和致災(zāi)原因，要求開(kāi)展全國(guó)中小河流和小流域站點(diǎn)的預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)相關(guān)工作。目前，相關(guān)部門逐步展開(kāi)了一系列山洪災(zāi)害防治工作，但針對(duì)山洪災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)尚處于初步階段，山洪災(zāi)害的防治建設(shè)工作依然是未來(lái)工作的重中之重。

1 .典型區(qū)域選擇

此次選擇滹沱河支流柳林河流域?yàn)榈湫蛥^(qū)域進(jìn)行研究。柳林河發(fā)源于石家莊市平山縣西北部駱駝岸，經(jīng)秋卜洞、上觀音堂、下劉家坪、柏嶺等村，自北向南經(jīng)建都口村入滹沱河匯崗南水庫(kù)，河流長(zhǎng)43km，河源駱駝鞍村高程約1110m，河道縱坡20.8‰，流域平均寬度4.1km，流域面積為191km2，多年平均降水量591mm。柳林河上游無(wú)較大水利工程，下觀音堂上游1km處有小型攔河壩發(fā)電使用。流域下游建有國(guó)家基本站劉家坪水文站，該站以上集水面積140km2。劉家坪站以上流域概況如圖1所示。

圖1 劉家坪以上流域概況圖

2 .半分布式模型的建立

2.1 模型原理

目前劉家坪水文站共有兩套預(yù)報(bào)方案，分別為降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)方案和新安江模型方案，方案對(duì)“20210721”和“20211006”兩次洪水預(yù)報(bào)成果精度較差。這兩套方案都是采用集總式流域水文模型，雖然各有不同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，但最基本的原則是將流域作為一個(gè)整體單元進(jìn)行模擬，盡可能地用有物理意義的參數(shù)描述流域特征的空間不均勻性，未充分考慮模型輸入的空間分散性和不均勻性。所以，集總式流域水文模型一般不具備從機(jī)理上考慮降雨和下墊面條件空間分布不均勻的功能，因此會(huì)對(duì)流域徑流的形成造成影響，使其在模擬流域降雨徑流過(guò)程中存在局限性。

傳統(tǒng)新安江模型采用蓄水容量—面積分配曲線來(lái)解決土壤缺水量不均勻問(wèn)題，但這種考慮下墊面因子空間分布不均的方法是一種統(tǒng)計(jì)方法，不能反應(yīng)下墊面因子真實(shí)空間分布情況。因此，為了更好地反應(yīng)流域內(nèi)下墊面因子空間分布真實(shí)情況，可以將流域按照地形、地貌和水文站網(wǎng)劃分為若干的子流域單元，各單元有不同的產(chǎn)、匯流參數(shù)，采用歷史水文資料進(jìn)行模型參數(shù)率定，各單元子流域計(jì)算成果對(duì)整個(gè)流域進(jìn)行疊加，形成半分布式新安江模型。

2.2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是由水利部研發(fā)建設(shè)的水情預(yù)報(bào)軟件，是一套具有通用性強(qiáng)、功能全面、操作簡(jiǎn)便的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)主要依托于洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，方案構(gòu)建、方案參數(shù)優(yōu)選、方案精度評(píng)定及方案實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)均集總在該系統(tǒng)，大大節(jié)省了洪水預(yù)報(bào)時(shí)間。

洪水預(yù)報(bào)流程大體分為制作預(yù)報(bào)方案和進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)兩大步驟；洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)功能由計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境、預(yù)報(bào)模型、預(yù)報(bào)方案、模型參數(shù)率定、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)和實(shí)用模塊6部分組成。具體系統(tǒng)操作不再贅述。

2.3 預(yù)報(bào)方案評(píng)定

洪峰預(yù)報(bào)許可誤差：降雨徑流預(yù)報(bào)以實(shí)測(cè)洪峰流量的20%作為許可誤差；洪峰出現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)許可誤差：許可誤差小于3h或一個(gè)計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)，則以3h或一個(gè)計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)作為許可誤差。徑流深預(yù)報(bào)許可誤差：徑流深預(yù)報(bào)以實(shí)測(cè)值的20%作為許可誤差。

多次預(yù)報(bào)總體的合格率表達(dá)式為：

式中：

QR—合格率（取1位小數(shù)），%；

n—合格預(yù)報(bào)次數(shù)；

m—預(yù)報(bào)總次數(shù)。

2.4 預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

2.4.1 子流域劃分

柳林河流域成羽狀分布，流域上游至下游地形和下墊面條件存在明顯差異，因此，將流域劃分為3個(gè)子流域，分別為流域上游區(qū)間，集水面積為49km2；流域中游區(qū)間，集水面積為64km2；流域下游區(qū)間，集水面積為27km2；如圖2所示。

圖2 劉家坪以上流域子流域劃分圖

2.4.2 雨量站選用

經(jīng)雨量資料分析，劉家坪水文站以上區(qū)間內(nèi)有駱駝鞍、秋卜洞、觀音堂、大坪和劉家坪共5站雨量資料，可以進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建。流域上游區(qū)間包含駱駝鞍、秋卜洞2個(gè)雨量站，流域中游區(qū)間包含觀音堂、大坪2個(gè)雨量站，流域下游區(qū)間包含劉家坪1個(gè)雨量站；雨量站布設(shè)均勻，單站控制面積小于35km2，可滿足編輯洪水預(yù)報(bào)方案要求。

2.4.3 水文站選用

劉家坪水文站為流域的出口斷面，其具有多年流量整編資料，可以進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建。劉家坪水文站1971年建站，建站以來(lái)最大流量為685m3/s（1996年8月），根據(jù)雨量資料系列，結(jié)合流域下墊面變化情況，選用1996年和2000年之后流量大于10m3/s的年份進(jìn)行分析，共有1996、2006、2007、2016、2021共5年流量資料參與計(jì)算。

3 .模擬結(jié)果及精度評(píng)定

采用5年間6場(chǎng)暴雨洪水資料對(duì)流域進(jìn)行模型參數(shù)率定，利用單純型法進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)選，優(yōu)選次數(shù)1000次，率定結(jié)果見(jiàn)圖3，場(chǎng)次洪水統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。按照預(yù)報(bào)規(guī)范評(píng)定，率定期洪峰合格率為83%，洪量合格率為83%，峰現(xiàn)時(shí)間合格率為100%，精度較高。

表1 劉家坪站預(yù)報(bào)方案率定場(chǎng)次洪水統(tǒng)計(jì)表

圖3 劉家坪站場(chǎng)次洪水率定結(jié)果圖

4 .結(jié)論

為了更好地反應(yīng)流域內(nèi)下墊面因子空間分布的真實(shí)情況，項(xiàng)目將柳林河流域按照地形、地貌和水文站網(wǎng)劃分為3個(gè)子流域單元，各單元有不同的產(chǎn)、匯流參數(shù)，根據(jù)歷史水文資料進(jìn)行模型參數(shù)率定，洪水過(guò)程擬合較好，場(chǎng)次洪水洪峰、洪量和峰現(xiàn)時(shí)間的模擬精度較高，和傳統(tǒng)集總式新安江模型相比，各項(xiàng)精度指標(biāo)均較高。

由于中小河流近些年沒(méi)有較大洪水過(guò)程等原因影響，僅有6場(chǎng)場(chǎng)次洪水滿足編制方案要求，未能達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，建議在以后工作中應(yīng)注重積累資料及時(shí)進(jìn)行方案修訂。

半分布式新安江模型在柳林河流域適用性較好，可以作為典型區(qū)為解決無(wú)資料地區(qū)小流域預(yù)報(bào)提供區(qū)域化參數(shù)移植，無(wú)資料流域與柳林河流域的地理位置相近、地理特征相似，即可直接移用劉家坪站率定后參數(shù)值，部分參數(shù)可根據(jù)無(wú)資料流域?qū)嶋H特征進(jìn)行適當(dāng)修改?！?/p>