网格新安江模型在于桥水库洪水预报中的应用

赵考生

（天津市水文水资源勘测管理中心，天津 300061）

网格新安江模型在于桥水库洪水预报中的应用

赵考生

（天津市水文水资源勘测管理中心，天津 300061）

根据于桥水库流域的地理概况和水文气象特性，利用网格新安江模型GRID-XAJ对流域历史资料进行降雨径流模拟及参数率定，研制洪水预报方案。从模拟结果上看，网格新安江模型能有效反映流域下垫面变化及降水空间分布的离散对降水径流的影响。

于桥水库；洪水预报；网格新安江模型；参数率定

根据于桥水库流域的地理概况和水文气象特性，考虑人类活动对下垫面的影响，应用ArcView对于桥流域的数字高程模型DEM进行识别和相应的处理，选择网格新安江模型GRID-XAJ对流域历史资料进行降雨径流模拟及参数率定，模拟各子流域降雨、洪水过程，预报全流域暴雨之后的入库水量、水位、流量及峰现时间等，建立洪水预报方案，提高洪水预报精度。

1 水文资料选取和子流域划分

水文资料主要包括降水量、径流量、水库水位及流域地下水位等，资料年限为1960～2012年。本研究采用于桥水库的库面蒸发资料作为于桥水库流域的蒸发值处理，以流域的DEM数据为基础，根据生成的集水面积和水系流向，客观充分利用地形资料，并结合人工经验、流域内雨量站、水文站分布情况等划分自然子流域。

于桥水库流域的控制面积2060km2，分为前毛庄、水平口、淋河桥、水库区间4个一级子流域，其中每个一级子流域再用自然子流域方法来划分二级子流域，划分原则是尽可能利用水文站作为子流域的控制断面，根据流域内雨量站和水文站的布设情况及自然流域的边界，用Arcgis软件把流域（包括于桥水库库区水域）划分为17个二级子流域。

2 模型参数

2.1 年降水径流相关关系

采用1960～2012年各子流域内平均降水量、实测径流量（或反推入库流量）、天然径流量和用水量、流域面积等数据系列，做降雨径流相关图。其中天然径流量为实测径流量与用水量的总和，用水量为地表水的消耗量，该数据通过实际调查和统计分析得到。分别对黎河前毛庄以上、沙河水平口以上、淋河龙门口以上、库区间4个一级子流域，自1960～2012年降雨径流资料进行相关法分析，得到降雨径流关系。经统计分析，1960～1980年、1981～1999年、2000～2012年这3个时段的降雨径流关系线存在明显偏差。不同时期、相同降雨产生的径流量明显变化，说明不同时段内下垫面条件发生了变化，本流域内对径流有明显影响的人类活动，主要是水土流失、城市发展和地下水过度超采引起的地面下沉。地下漏斗的形成，使包气带增大，径流量减小。

本研究中，前毛庄子流域分为4个时期进行模型参数率定，分别为1960～1980、1981～1984、1985～1999、2000年以后；其他3个子流域分为3个时期进行模型参数的率定，分别为1960～1980，1980～1999，2000年以后。由资料的完整度和预见期的要求，各子流域均选用1h作为次洪水的预报时段。

2.2 张力水容量Wm与地下水埋深的关系

选取于桥水库流域内泉水头、大柳树、南新城、新店子4处地下水位观测站，分别统计其历年的年平均埋深、年最大埋深、年最小埋深的3种特征值。对系列分析发现：4处地下水位站的年平均埋深、年最大埋深、年最小埋深3个统计特征值全部呈增大趋势。从各站地下水埋深的多年变化情况看，地下水位的下降，增加了包气带厚度，提高了田间持水能力，从而导致汇出径流量的减少。

Wm表示流域张力水蓄水容量，计算公式：

式中 La为包气带厚度（mm）；均可以根据流域土壤类型通过查土壤参数统计表获取，因此只要知道每个栅格单元的La，即可获得Wm在流域的空间分布。

在自然界中，影响包气带厚度的因素较多，很难进行直接推求。La可通过与地形指数及土壤类型对应的土壤水分常数进行估算，可假定地形指数大的地方包气带较薄而地形指数小的地方包气带较厚。这与实际情况也基本相符，一般而言，流域内地形指数大的地方大多位于河道附近，而这些区域的地下水埋深较浅，包气带相对较薄；相反，地形指数小的地方基本位于流域的上游山坡，远离河道，包气带相对较厚。因此，可以假设流域上地形指数最大的栅格单元对应的张力水蓄水容量最小，而地形指数最小的栅格单元对应的张力水蓄水容量最大。

同时Wm表示土层最大可能缺水量，与包气带厚度有关。地下水埋深大，包气带厚度大，蓄满包气带所需水量增大，即Wm加大。反之亦然。将地形指数与地下水埋深相结合，改进式（1）的Wm计算方法，可得：

式中 Sup表示流域最大缺水量；TO表示地形指数；TOmax表示最大地形指数值，TOPO表示地形指数阈值；VE表示地下水埋深，VEmin指地下水最小埋深值；VERT表示地下水埋深阈值，由上式可知，Wm值随着地下水埋深的增加而增加。

分别选取泉水头、大柳树站代表前毛庄子流域，新店子站代表水平口、水库区间子流域，南新城代表淋河桥子流域。利用代表站地下水埋深与张力水容量进行定量分析，按照降雨径流相关年代的划分，随着年代的推移，地下水埋深增加，相应的张力水容量也在增大。

3 模型参数率定及历史洪水模拟

采用网格新安江模型对各子流域进行历史洪水模拟计算，根据于桥水库流域年降雨径流关系分析和张力水容量Wm与地下水埋深相关分析，各子流域不同时期取不同参数值。网格新安江模型各子流域不同时期相同参数如表1。

表1 网格新安江模型各子流域不同时期相同参数

3.1 前毛庄子流域

前毛庄子流域采用4个时期内的7场典型洪水资料系列进行洪水模拟。模拟的洪水径流量相对误差合格率为71%，洪峰合格率为100%，确定性系数为0.83，模拟结果良好。网格新安江分布式模型采用三水源划分径流，虽然洪量模拟有的场次偏大，但洪峰模拟值较好。

自20世纪80年代以来，随着地下水埋深不断下降，张力水容量、自由水容量不断增大，产生这种现象的主要原因：①社会经济发展，人口增加，生活水平提高等，使用水量大大增加；②“引滦入津”工程的建立，使下垫面发生了变化，同时流域内近年来多处修建水库塘坝，也拦蓄了一部分水量，致使模拟的径流量大于实测值。

3.2 水平口子流域

水平口子流域采用3个时期内的12场典型洪水资料系列进行洪水模拟。模拟的洪水径流量相对误差合格率为87.5%，洪峰合格率为100%，确定性系数为0.84。流域内水库、塘坝的建成使用，使原来的产汇流发生了变化，其中般若院水库和上关水库以上来水由这2座中型水库控制，水库塘坝在汛期末蓄水造成预报径流值偏大，同时受人类活动，社会经济发展的影响，流域内用水量也大大增加，因此在模型参数率定时，为了达到较好的模拟效果，随着年达增加，逐步加大参数Wm和SM的值。

3.3 淋河桥子流域

淋河桥子流域位于于桥水库流域的中下游，2006年3月龙门口水库建成，2012年5月原龙门口水文站下移设置为淋河桥站，控制面积由原来的126km2增加到210km2。龙门口以上区间的降雨径流首先汇入龙门口水库，经调蓄后下泄流量经淋河桥站汇入于桥水库。本次参数率定以2012年以后实际情况为准，选取2场洪水。模拟的洪水径流量相对误差合格率为100%，洪峰合格率为100%，确定性系数为0.75，模拟结果良好。

3.4 水库区间子流域

水库区间子流域采用3个时期内的11场典型洪水资料系列进行洪水模拟。模拟次洪水径流量相对误差合格率为73%，洪峰合格率为73%，确定性系数为0.52，洪峰、洪量模拟结果良好。由于于桥水库没有入库水文控制站，实测入库流量过程是利用库水位变化反推而来的时段概化过程，而预报入库洪峰是瞬时流量过程，故在确定性系数上与其他3个有瞬时实测流量过程的子流域略微偏低。

由模型特征值统计结果可以看出，网格新安江模型在洪量、洪峰与确定性系数的精度与合格率达到了较好效果，且网格新安江模型具有三水源的产汇流结构，对于缺乏资料的地区也有较好的模拟精度，适合于桥水库实时洪水预报作业。

4 洪水预报方案建立

将前毛庄、水平口以及淋河桥站（原龙门口站）的实测流量资料作为于桥水库区间的入流，对于桥水库库区间进行网格新安江模型模拟，产流汇流采用网格新安江分布式模型计算，选取11场典型洪水，计算出的汇流量经过水库库面产流，最终得到预报流量；将其与于桥水库计算得到的反推入库流量进行对比，率定分析参数，预报方案结构如图1，模拟特征值结果如表2。

表2 流域网格新安江模型模拟成果统计

图1 预报方案结构

由表2可以看出，本方案的径流深合格率、洪峰合格率相等，为73%，且模型的确定性系数为0.51。实际预报工作中，可以选择各子流域2000年以后率定出的模型参数进行预报作业。

5 结语

通过对各子流域采用网格新安江模型（GRIDXAJ），进行历史降雨径流过程模拟和模型参数率定。从模拟结果上看，模型效果较好，并在此基础上提出了于桥水库全流域入库洪水过程的预报方案。

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Application of GRID-XAJ model in Yuqiao Reservoir flood forecasting

ZHAO Kao-sheng
（Tianjin Hydrology and Water Resource and Survey Management Center，Tianjin 300061，China）

Based on the geography and hydrological and meteorological characteristics of Yuqiao reservoir watershed，the rainwater runoff simulation and parameter rate were simulated by GRID-XAJ model，and the flood forecasting scheme was developed.The results showed that the model can effectively reflect the influence of the variation of the underlying surface and the spatial distribution of the precipitation on the precipitation runoff.

Yuqiao Reservoir；hydrological forecasting；GRID-XAJ model；parameter calibration

TV122

B

1672-9900（2017）05-0030-04

2017-08-23

赵考生（1963-），男（汉族），河北任县人，高级工程师，主要从事水利水电工程技术管理工作，（Tel）13502109302。

（责任编辑：王艳肖）