新安江模型在江西省万安水库流域洪水预报的应用研究

黄国新 谢小华 黄 煌

(1.江西省水文局，江西 南昌 330000；2.江西省吉安市水文局，江西 吉安 343000；3.江西省南昌市水文局，江西 南昌 330000)

江西省位于长江中游南岸，境内地势南高北低，边缘群山环绕，中部丘陵起伏，北部平原坦荡，四周渐次向鄱阳湖区倾斜，形成南窄北宽以鄱阳湖为底部的盆地状地形。山区、丘陵、平原面积分别占全省总面积的36%、42%和22%。江西省多年平均降水量为1638mm，居全国第4位，河网密布，水系发达，境内有赣江、抚河、信江、饶河、修河五大水系，水库10800座。独特的地形和气候条件，导致江西省洪涝灾害频繁，因此，洪水预报工作颇为重要。

洪水预报是指流域上发生的暴雨或河流上游的来水，经过预报系统对水情信息采集、处理与计算，预估出流域出口断面或下游河道测站可能发生的洪水过程。目前国内外开发的水文模型众多，根据模型构建基础可以分为基于物理的模型、概念性模型及黑箱模型。如果模型的结构关系是严格依据物理定律确定的，则该模型为基于物理的模型。如果模型以物理成因为基础，采用概化和假设的方法对水文现象进行数学模拟，模型的结构和参数具有一定物理意义，该类模型为概念性模型。第一个概念性水文模型诞生于1960年，是美国的斯坦福模型，此后水文模型便得到了蓬勃的发展[1]。我国具有代表性的概念性水文模型有赵人俊1973年提出的以蓄满产流为产流机理的新安江模型，在我国南方湿润地区取得了很好的效果；在干旱半干旱地区得到了广泛应用的陕北模型[2]；在东北地区普遍应用的大伙房模型等[3]。若模型的结构关系没有任何物理意义，只要求系统响应而不要求系统状态，完全依靠数学方法模拟的模型为黑箱模型。如早期的经验相关方法和后来发展迅速的智能预测算法像神经网络模型、混沌理论等都属于黑箱模型[4]。

在众多的流域水文预报模型中，新安江模型作为我国自主研究成功的流域水文预报模型的代表，得到了国际上的广泛认可，洪水预报精度在我国以蓄满产流为主的湿润、半湿润有资料地区得到广泛验证。

江西属亚热带季风气候区，多年的研究和实践表明这类气候地区的降雨产流机制主要是蓄满产流，江河常年水量丰润，完全具备新安江流域模型和马斯京根河道模型的应用条件。本文基于2016年江西省实施的中小河流水文监测系统建设工程预警预报系统，应用新安江模型构建了适用于江西省中小河流洪水预报方案，并进行了影响模型预报精度的研究，以万安水库为例对研究成果进行说明。

1 研究方法与数据

1.1 新安江模型

新安江模型是概念性水文模型，本文采用将径流划分为地表径流、壤中流以及地下径流的三水源新安江模型。采用蓄满产流假定进行产流计算，将流域内各点不同土壤含水容量概化成蓄水容量曲线。蒸散发采用三层蒸发模式计算，将土壤层划分为上层、下层和深层。三水源新安江模型将净雨划分成地面径流、壤中流以及地下径流，其中地面径流采用单位线进行汇流计算，壤中流和地下径流经过线性水库的调蓄分别作为壤中流出流和地下水出流[5]。其计算流程见图1。

1.2 研究区概况

万安水库位于长江流域赣江水系赣江上，坐落于江西万安县芙蓉镇芙蓉村，水库以上流域集水面积36900km2。万安水库站具有1991年以来的历史整编资料，1998年以来的实时报汛流量资料。其中万安上游峡山、翰林桥、居龙滩、坝上4个河道控制站都具有1992年以来的历史入库流量资料，资料比较全面。万安水库站网分布图及流域范围见图2。

1.3 数据处理

a.水库站资料：万安水库站有1998年以来的实时报汛资料、1991年以来历史摘录资料。

图1 三水源新安江模型流程

图2 万安水库站网分布图及流域范围

b.雨量站选用：万安水库站上游集水面积36900km2，区间面积2828km2，区间有长竹、宝山、长村、沙地、峡山、翰林桥、居龙滩、坝上、万安水库9个测站。平均控制面积小于315km2，能够控制区域内降雨分布情况[6]。

c.蒸发资料：选用蒸发代表站多年平均逐月蒸发的均值资料，详见表1。

表1 多年平均逐月蒸发量

d.历史洪水排位资料：万安水库站1957年建站，建站以来最大流量为15200m3/s(1964年6月17日)。其中历史排位前12年的洪水情况见表2。

表2 万安水库站历史洪水排位情况

e.资料选用：综合考虑历史大洪水资料和降雨资料的匹配性等信息，选用1992年、1994年、1995年、1996年、1997年、1999年、2001年、2002年、2003年、2006年作为率定期进行参数率定，2008年、2010年、2012年进行检验。摘录大、中、小洪水共38场。

2 洪水预报研究

2.1 新安江模型建模

本研究采用新安江流域模型和河道演算模型构建洪水预报方案。采用中国洪水预报系统相关技术，根据流域特性确定模型的输入、输出，在其基础上确定模型结构，进行模型率定、校核，增加模型方法、作业预报和方案管理等[7-9]。预报方案设置5个计算区域：万安水库站集水面积36900km2、区间面积2828km2，4个河道汇流站，分别为峡山(集水面积15975km2)、翰林桥(集水面积2689km2)、居龙滩(集水面积7751km2)、坝上(集水面积7657km2)。区间产汇流模型分别采用蓄满产流模型(SMS_3)和滞后演算模型(LAG_3)；河道输入采用马斯京根河道演算模型(MSK)；各雨量站控制权重采用泰森多边形法进行划分。方案计算步长为3h，方案输出类型为流量。预报方案结构见图3。

图3 万安水库站预报结构

2.2 模型参数率定验证

将1992—2006年(共有29次洪水)作为参数率定期，2008—2012年(共有9次洪水)作为参数校验期，率定部分过程和结果见图4、图5和表3。

图4 2001年5月1日至2001年9月30日参数率定结果

图5 2012年5月1日至2012年9月30日检验结果

表3 万安水库新安江次模型模拟结果

续表

2.3 模型参数率定结果

三水源蓄满产流模型(SMS_3)参数见表4，滞后演算汇流模型(LAG_3)参数见表5，马斯京根河道演算模型(MSK)参数见表6。

表4 三水源蓄满产流模型(SMS_3)参数

表5 滞后演算汇流模型(LAG_3)参数

表6 马斯京根河道演算模型(MSK)参数

3 洪水预报方案分析

3.1 洪水预报方案评定

万安站建于1957年，位于长江流域赣江水系赣江上，坐落于江西万安县芙蓉镇芙蓉村，断面位置未发生过迁移。该站具有1991年以来的历史整编资料、1998年以来的实时报汛流量资料，万安上游峡山、翰林桥、居龙滩、坝上4个河道控制站都具有1992年以来的历史出库流量资料。

项目采用自1992年以来万安水库站及同期峡山、翰林桥、居龙滩、坝上4个流入站共计38场实测洪水过程值同步参与模型参数率定。由率定结果可知，洪水率定期确定性系数为0.975，方案达到了甲级方案。场次洪水洪峰的模拟精度较好，峰现时间与实际过程都基本相符。对1992年以来38场洪水进行率定，37场洪峰误差小于20%，洪峰合格率达到97.37%；35场峰现时间小于峰现许可误差(许可误差3h)，峰现时间合格率92.11%，率定后的参数均在合理范围之内。此预报方案为甲级预报方案，对较大洪水模拟较好，对中小洪水适当人工交互调整预报即可，可以投入实时作业预报。

同样的方法将新安江模型应用到宜春、吉安和赣州其他48个有水文资料的断面进行洪水预报工作中，其方案评定结果为：甲级方案14个、乙级方案27个、丙级方案4个、其他3个，详见表7。

表7 预报方案综合评定汇总 单位：个

3.2 洪水预报方案精度分析

预报方案达到甲、乙级方案占比为85%，模型结果精度较高，分析原因主要有：一是充分利用现有水文站网的河道水文监测信息，提高洪水预报精度。河道演算模型精度一般远高于流域产汇流模型精度。同时，通过构建河系预报方案和利用数值降雨预报，采用上游河道站点预报信息连续制定下游河道站点预报信息的运行机制，维持并延长洪水预见期。二是充分利用雨量监测信息，准确反映雨量分布情况，确保面雨量计算精度。由雨量站计算的流域面雨量准确与否直接影响洪水预报精度，而雨量站网越密、监测信息越多，计算的流域面雨量就越准确，洪水预报精度就越高。因此，在构建方案和实时预报过程中，选用流域内现有投入运行的所有测站作为面雨量计算的依据站点，在方案建模和实时预报时，由洪水预报系统平台自动判别测站是否有资料、自动剔除无资料站点、自动重新分配权重、自动计算面雨量，实现测站降雨信息的充分利用，提高洪水预报精度。三是充分考虑具有调节能力的水库(水电站)对洪水预报的影响，将其作为输入条件纳入洪水预报方案，以充分反映人为活动的影响。

本研究中也出现了效果不理想的方案，其主要原因为：受水利工程影响历史资料波动剧烈，资料质量较差；水文资料报汛频次低，多为日资料或者多日资料；断面平时流量很小，单次降雨过程后洪峰起涨迅速，退水迅速，陡涨陡落，影响模型参数率定。

3.3 模型参数影响及适用性分析

由于新安江模型参数具有物理意义，所以参数在具体应用过程中可以定量化处理，但是实用上只能依据实际测量数据资料，采用系统率定和人工参数辅助调整的率定方法进行参数的调整。由于参数多、信息少，参数的最优解受到率定次数和上下游地形地貌、是否有流入站等因素影响，导致在参数调节上繁琐。

新安江模型参数分类如下：ⓐ蒸散发计算：K，UM，LM，C；ⓑ产流量计算：WM，B，IM；ⓒ分水源计算：SM，EX，KG，KI；ⓓ汇流计算：CI，CG，CS，L，KE，XE。

在人工调节参数过程中，首先计算预报洪量和实际洪量是否存在较大差距，K值越大，预报的净雨值就会越小，该参数通过降雨径流水量平衡影响流域的产流量。在预报净雨量一致的基础上微调汇流部分的参数，该层参数调节对结果的影响是最敏感的：CI值是相对独立的，作用是弥补KG+KI=0.7不足，该参数值主要影响的是洪水尾部即壤中流退水的快慢，该值越小，退水越快；CS值是相对独立的，该参数值决定了洪水中高洪峰流量部分值的拟合程度，该参数越小，峰值越大，洪水涨落越迅速；L值控制的是峰现时间，参数值越大，峰现时间越延后，该参数值是独立的。

在以上调节无法得到较好的预报成果时，需要考虑地表、壤中、地下3种水源产流量的关系，此时第三类参数是敏感和重要的，相互之间的关系也复杂。SM反映表层土蓄水能力，表层土越厚，值越大；降雨时段越短，值越大，该参数值决定了地表径流的量值，对地表和地下径流的比重起到决定作用。KG、KI是地下和壤中径流的出流系数，KG+KI代表自由水出流的快慢，KG、KI代表地下和壤中流之比，对具体流域一般都为固定值。

由于参数敏感性不同，通过分析及实际48个站点应用过程中发现，主要影响的敏感参数及参数区间值：江西省K值主要介于0.7～1.0，K值越大，产流量越少；WM值可定为120；SM值日模取10～20，次模取20～50；KG+KI=0.7；CI值介于0.6～0.9，且在CS和CG值之间；CS介于0.6～0.9。

4 结 语

结合本次江西洪水预报方案编制工作，本文详述采用新安江模型进行洪水预报方案编制的应用过程，系统分析了48个断面预报方案，对获得精度较高的原因以及不理想方案原因进行了探究和总结，为以后预报工作开展提供了翔实的实践经验。

预报方案是基于多年历史资料基础上完成的，其模型参数反映了流域特性和洪水一般规律。但由于历史资料洪水大小不一、下垫面不断变化，其模型参数已均一化，不能充分反映每场洪水特性和当前下垫面情况。因此，在实时作业预报中，基于已编制的预报方案，充分利用预报员的经验，针对当前洪水特性，实时交互调整模型参数，才能更好地提高洪水预报精度。