新安江模型在琴江尖山水文站洪水預報中的應用研究

衛(wèi)瀛海 廣東省水文局梅州水文分局

洪水災害是世界上最嚴重的自然災害，我國也是世界上發(fā)生洪水災害頻率最高、受災最嚴重的國家之一，洪災給人民群眾的正常生活、生產(chǎn)活動帶來巨大損失與禍患，威脅著人民群眾的生命財產(chǎn)安全，同時也制約了地區(qū)經(jīng)濟和社會的發(fā)展。在長期的洪水災害防治過程中，人類總結發(fā)展了許多應對措施，其中洪水預報被認為是最重要且有效的防洪非工程措施。及時、準確地對來水量進行預報是防洪減災決策中的重要依據(jù)，可以使水庫進行有計劃的蓄洪、分洪并做出合理調(diào)度方案，這對洪澇災害防治、提高洪水資源的利用率、充分發(fā)揮水利工程效益具有重要意義[1]。

1.流域概況

本文的研究區(qū)琴江流域，為梅江源頭，發(fā)源于廣東省陸豐市與紫金縣交界的烏突山七星崠，在五華縣水寨鎮(zhèn)與五華河交匯，五華河口以下則稱為梅江。琴江集水面積為2871km2，河長136km，河床比降1.10‰，河段流經(jīng)紫金縣、五華縣，主要支流有：北琴江（華陽水）、周江水、平安水、大都水、橫陂水、蕉洲水等。流域地形大體呈扇形狀，干支流上游為山地，中下游大部分在海拔300m以下，丘陵、谷地相間。土壤類型大部分是赤紅壤土，土層深厚，透水性小。植被情況中上游較好，下游較稀薄。本流域地處亞熱帶氣候區(qū)，受海洋東南季風影響，高溫、多雨、濕潤。多年平均雨量約1500mm，降雨主要集中在每年汛期4月至9月,非汛期降雨量較小。前汛期3至6月洪水成因一般是由峰面雨所造成，流域歷史較大洪水多發(fā)生在前汛期；后汛期7至9月洪水成因一般是由熱帶風暴所造成，受登陸珠江口臺風影響，本地區(qū)西南大部分處在蓮花山北麓的迎風坡，降雨強度大。

尖山水文站（東經(jīng)115°37′25″，北緯23°39′52″）位于琴江上游，測站地址為五華縣梅林鎮(zhèn)尖山村，于1958年6月3日設立為基本水文站，河道長度為91km，坡降0.405‰，集水面積1578km2。主要測驗任務有水位、流量、降雨量、水質監(jiān)測等。尖山站以上為山區(qū)性河流，河流坡降陡，集流時間短，峰型尖瘦，一般在最大暴雨出現(xiàn)后8至14小時出現(xiàn)洪峰。

2.模型簡介

新安江模型是河海大學趙人俊教授團隊提出的一個水文模型，適應于濕潤與半濕潤地區(qū)，產(chǎn)流采用三水源新安江模型，地面匯流采用單位線法,壤中流和地下徑流分別采用不同的線性調(diào)蓄水庫，分別模擬其匯流過程[2]。其主要特點是應用了蓄滿產(chǎn)流與馬斯京根匯流概念，有分單元、分水源、分匯流階段的特點，并且結構簡單，各參數(shù)具有明確的物理意義，計算精度較高，在國內(nèi)外水文預報工作中得到了廣泛的應用[3]。

模型涉及的參數(shù)較多,有些參數(shù)很敏感，參數(shù)值稍有改變對結果的影響較大；有些參數(shù)則反映遲鈍。15個參數(shù)的意義與敏感性詳見表1，依據(jù)模型結構與作用可以分為蒸散發(fā)參數(shù)、產(chǎn)流量參數(shù)、水源劃分參數(shù)、匯流參數(shù)四種類型[4，5]。

表1 新安江模型參數(shù)列表

3.模型的建立

3.1 數(shù)據(jù)的選擇與處理

使用資料為1990-2011年尖山水文站的小時徑流數(shù)據(jù)及流域雨量站點小時降雨數(shù)據(jù)，該資料年限包含代表大中小洪水的年份，滿足《水文情報預報規(guī)范》的要求，代表性良好，計算時段長選擇1小時。2004年之前流域雨量站無實測逐小時的雨量數(shù)據(jù)，一般為3小時或6小時的人工觀讀數(shù)據(jù)，因此在資料處理時將3小時或6小時雨量數(shù)據(jù)采用算術平均法平均到逐個小時。

尖山站以上流域為閉合流域，有多個雨量站點，經(jīng)對已有資料分析，有尖山、際頭、黃布、洋頭、黃新、南洞、龍村、中心壩、中正、寶洞圍、梨樹坳共11個雨量站點歷史數(shù)據(jù)序列長，且不存在斷層的情況，平均每個雨量站點控制的流域面積約為140km2，站點在流域上的位置分布總體較為均勻[6]。模型采用算術平均法計算各雨量站的權重系數(shù)，雨量權重系數(shù)分別為0.091。

由于尖山水文站無蒸發(fā)量監(jiān)測要素，故流域的蒸發(fā)數(shù)據(jù)借用臨近水文站點五華河上的河子口水文站月年平均蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計年份為1983至2017年，詳見表2。

表2 河子口站月平均蒸發(fā)量統(tǒng)計表

3.2 模型參數(shù)率定

從尖山水文站1990-2011年共21年的徑流資料中，選取25場次洪樣本進行參數(shù)率定，選取2013年1場洪水進行檢驗。模型參數(shù)的率定采用人工率定與系統(tǒng)自動優(yōu)選相結合的方式。系統(tǒng)采用了5種計算流量算法進行自動優(yōu)選，分別為遺傳算法、單純形算法、羅森布瑞克算法、遺傳算法+單純形算法、遺傳算法+單純形算法+羅森布瑞克算法，最終選取擬合度最好的一組參數(shù)[7]。最終優(yōu)選的參數(shù)率定結果見表3，各個參數(shù)均滿足根據(jù)物理意義和經(jīng)驗總結所確定的取值范圍，次洪樣本的率定成果見表4。

表4 尖山站新安江模型參數(shù)次洪總量洪峰流量率定成果表

3.3 結果檢驗與分析

從率定成果表可知，25場洪水樣本中，次洪樣本計算洪峰流量相對誤差均值為21.98%，次洪產(chǎn)流量相對誤差均值為19.30%，模型模擬次洪過程的總平均確定性系數(shù)為0.78。樣本實測峰現(xiàn)時間與計算峰現(xiàn)時間誤差在0 到3 小時以內(nèi)的洪水場次共用22場，占比88%，洪峰預測時間準確性較高，方案精度較好，根據(jù)《水文情報預報規(guī)范》（GB 22482-2008-T），為乙等方案。使用“2013081716”次洪水對該方案進行檢驗，洪峰流量誤差為21.32%，次洪產(chǎn)流量誤差為13.47%，過程確定性系數(shù)為0.91，峰現(xiàn)時間為2小時，基本可以滿足作業(yè)預報使用。

經(jīng)分析，本次針對尖山水文站率定的新安江模型預報方案等級為乙級主要有如下幾點原因：一是由于選取洪水資料年限較為久遠，時間跨度超過二十年，流域的地形特征、植被情況與河道斷面均發(fā)生了變化，對流域的產(chǎn)匯流過程都產(chǎn)生了較大的影響，用一套參數(shù)來擬合極可能存在誤差；二是流域內(nèi)水利工程建設與人類活動深刻影響著河道的徑流過程，從歷史洪水可以看出，部分場次洪水過程受水利工程的攔蓄影響，明顯被人為調(diào)控，進而降低了預報方案的確定性系數(shù)；三是降雨資料在面降雨量及時段雨量的處理（次洪樣本）中出現(xiàn)的雨量均化問題,對模型的模擬效果在一定程度上有所影響[8]。

4.結論

本文應用新安江模型編制了琴江尖山水文站的洪水預報方案，方案等級達到乙級，并對預報方案進行了進一步檢驗，結果表明新安江模型在尖山水文站的適用性較好，引入新安江模型豐富了尖山站洪水預報方法。

流域下墊面條件自然的變化以及水利工程的調(diào)度對模型參數(shù)率定存在一定影響，因此在參數(shù)率定過程中，為提高預報方案實用性，應盡量選取與近期洪水樣本擬合較好的參數(shù)，且應充分考慮水利工程的影響，實施洪水預報時實時掌握流域內(nèi)水利工程的運行情況。

模型建立過程中對降雨資料的處理方法上有待改進,可以采用更為合理的泰森多邊形法對降雨資料進行計算，同時也說明模型中降雨資料的處理是模型系統(tǒng)輸入中十分重要的一環(huán)。