基于新安江模型的横锦水库入库洪水预报研究

山成菊，纪碧华，张群羚

(1.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院,浙江 杭州 310018；2.衢州市水利局,浙江 衢州 324000)

0 引 言

洪水预报作为防洪减灾重要的非工程措施之一，建立在洪水成因及其特性规律研究的基础上，即已知前期的水文气象要素预测未来一段时间内的流量、水位过程。其主要预报的对象包括洪水总量、洪峰流量、峰现时间及洪水涨落过程。为了精准地进行洪水预报，需要先进行洪水预报的方案编制。洪水预报的方案编制流程主要包括：根据流域基本概况进行产流论证并确定预报降雨径流模型；结合流域气候以及下垫面的实际情况进行参数率定；根据规范要求进行误差分析及结果检验评定等。三水源新安江模型在我国洪水预报中得到了广泛应用，具有很强的适用性和代表性。本文的主要内容即为横锦水库入库洪水预报方案编制研究，旨在形成一套在横锦流域切实可行的预报方案。

1 研究区概况

1.1 自然地理

浙江省横锦流域位于我国东南沿海，地处东经118°00′—123°00′、北纬27°12′—31°31′之间，属于钱塘江水系。横锦流域控制断面以上有两条支流汇入，控制站以上集水面积为378 km2，河长81 km。流域多山，并且水系发育良好。流域属典型的亚热带季风气候，受东亚季风影响，盛行风向以及降水均有明显的季节变化，四季分明，气温适中(年平均气温15℃～18℃，极端最高气温33℃～43℃。)，光照较多，雨量丰沛，空气湿润，雨热季节变化同步。

流域多年平均降水1 454.3 mm，实测最大洪水发生在1962年9月6日，洪峰流量为3 350 m3/s，水位达30.66 m。流域内降水量时空分布不均匀，年内变化较大。梅雨季节降雨强度虽然不大，但历时长、范围广，易造成洪涝灾害。夏季气候特点为气温高、降水多、光照强、空气湿润，主要气象灾害包括台风、暴雨、干旱、高温、雷暴、大风、龙卷风等，在流域所在地可能产生暴雨或大暴雨，但历时短，产生的洪水陡涨陡落。秋季主要气象灾害有台风、暴雨、低温、阴雨寡照、大雾等。冬季气候特点是晴冷少雨、空气干燥，平均气温为3℃～9℃，主要气象灾害包括寒潮、冻害、大风、大雪、大雾等。

1.2 站网布设

横锦水库流域面积为378 km2，控制面积内均匀分布了7个雨量站。7个雨量站分别为史姆、西坞、铜钱、窈川、龙坛、八达、横锦。横锦站亦作为流域的入库控制站。横锦水库流域水系图(见图1)。

图1 横锦流域水系图

2 新安江模型

2.1 模型结构

模型可分为四个层次，以三层土壤蒸散发模型为基础的蒸散发计算、采用蓄满产流机制的产流计算、根据自由水库蓄水(将径流划分为地表径流、壤中流、地下径流)的水源划分、通过坡面汇流(线性水库)和河道汇流(马斯京根法或滞后演算法)进行的汇流计算。[5]三水源新安江模型流程图(见图2)，上述结构设计是为了解决流域降水以及流域自身下垫面不均匀性的问题。

图2 三水源新安江模型流程图

2.2模型参数

模型参数主要分为4个层次，第一层次为蒸散发计算，通过KC、UM、LM、C来建立三层模型；第二层次为产流计算，通过WM、B来进行蓄满产流计算；第三层次为水源划分(三水源)，通过SM、EX、KG、KI来进行自由水蓄水库的出流计算；第四层次为汇流计算，汇流计算中又分为坡面汇流(CS、CI、CG)和河道汇流(EX、XE)。部分参数影响如下：

KC是水量平衡最关键的参数，其主要反映流域平均高程与蒸发站高程之间的差别的影响，以及蒸发皿蒸散发与陆面蒸散发间差别的影响，[7]KC的改变会影响初始土壤含水量和雨期蒸发，导致计算的产流量改变，一般来说K越大，蒸发量越大，产流量越小，反之则产流量增大；对于WUM和C，一般情况下，WUM越大，雨季蒸发量越大，相反则越小；C越大，干旱季节蒸散发量增加，反之越小；SM反映表层土自由水容量，受降雨资料时段均化影响较大，对地面径流和地下径流比重有决定性影响，SM越大，蓄水能力越大，降水溢出越少，RS越小，RG越大，RI变化不大，因此地下径流所占比重较大、地面径流较小，洪峰流量相对较小；相反，RS越大，RI越大，RG越少，地面径流占比大，洪峰流量相对大；b反映流域下垫面均匀性，b越大，表示流域越不均匀，其对雨初未蓄满但雨末蓄满的洪水的产流时程分配有影响，同时雨初雨末均未蓄满的洪水的时程分配和总量具有双影响；次洪模型参数率定中，CS、CI、CG值越大，表示各自的径流成分消退越慢；增大SM和KG，会增大地下径流的比重，就会减小次洪径流量；减小CS，增大KE，会增大计算洪峰。

3 资料情况

历史水文资料是模型参数率定的基础资料，来源于水文年鉴摘录，科学可靠，包含不同量级洪水，满足代表性(洪水尺度、强度、历时、季节、类型、暴雨中心位置等)、资料系列前后的一致性等审查要求。鉴于以上要求，对基础资料进行筛选，本研究最终选用了1986—1993年共计8 a的日模资料以及1986—1997年共计21场洪水资料，其中，最后两年定为检验期。资料具体包括：横锦流域内7个雨量站的日雨量和时段雨量资料；横锦水库反推出来的逐日以及时段的入库流量过程；流域内各站点的实测蒸发资料；相关特征曲线资料；横锦水库所在流域下垫面相关特性资料等。

4 模型应用

4.1 预报方案构建

本次预报以三水源新安江模型为基础，[8]首先，根据流域下垫面等自然情况划分成单元流域，再对每个单元流域分别进行流量演算，叠加之后得到单元流域出口流量过程，单元流域内的汇流过程主要采用线性水库法，单元到流域出口过程通过马斯京根法演算。在每个单元流域上，透水面积上的土壤分为上、下、深层来计算张力水蓄水量以及蒸发量，而产流量是根据自由水蓄水库法将径流分为地表径流(直接出流)、壤中流以及地下径流来计算，壤中流和地下径流继续经过线性水库调节然后出流，三类径流汇流后通过河网流至出口断面。[1]

4.2 预报分区

考虑到流域降雨分布的不均匀性，根据水文站网布设情况对流域进行划分，每个单元流域内最少有一个雨量站或者水文站。本研究采用泰森多边形法对横锦水库所在流域进行划分，首先数字化流域边界、雨量站等信息，其次在ArcGIS中加载横锦流域雨量站的信息，并进行流域分区的各项操作，然后根据生成的泰森多边形数据进行剪裁，并添加面积属性数据进行面积的计算，最后进行面积权重计算，获取每个计算分区的权重。此步骤前期资料主要来源于横锦水库所在流域的自然情况，如降雨信息、站点信息等以及横锦流域水系图。

5 参数率定

5.1 日模率定及检验

本次研究主要是通过人工调试法对日模和次洪的模型参数进行率定，选用1986—1991年降雨量资料进行模型率定，日模型参数优选结果(见表1)。

表1 日模型参数优选结果

根据日模率定的参数结果，模型最终的计算结果(见表2)。

选取1992年以及1993年降雨资料对率定结果进行检验，得到检验结果(见表3)。

根据表2，日模型率定期6年中除了1988年径流深相对误差较大，达到-11.55%，其他年均小于10%，多年平均确定性系数为0.53；根据表3，检验期中1992年、1993年两年径流深相对误差都控制在10%以内，且相对误差一正一负。

表2 日模优选参数计算结果表

表3 日模型参数检验表

5.2 次洪率定及检验

本次选取1986—1997年的21场洪水资料，其中前19场的洪水场次为率定期，后两年定为检验期。次洪最终参数率定结果(见表4)。根据次洪模型率定好的参数结果，模型最终的计算结果(见表5)。选取次洪31950702及31970818作为检验期的两场洪水，模型最终的计算结果(见表6)。

表4 次洪模型的参数优选结果

表5 次洪模型优选参数计算结果

表6 次洪模型优选参数检验结果表

由表6可得，检验期的两场洪水均合格且拟合较好，次洪31950702径流深相对误差为-4.16%，洪峰相对误差为14.63%，确定性系数为0.80；次洪31970818径流深相对误差为0.59%，洪峰相对误差为0.37%，确定性系数为0.98，可见参数选取较准确。

6 结 论

由表5可知，在次洪模型率定结果中，19场模拟洪水中18场合格，合格率达到94.7%；模拟结果中不合格洪水是洪峰不合格，相对误差为-20.23%，偏大；确定性系数平均值为0.85。由表6可得，在次洪模型检验结果中，2场洪水都合格，合格率达到100%；2场洪水的径流深相对误差都小于10%，精度较高；有一场洪峰相对误差为14.63%，偏大，另一场为0.37%，在10%以内；确定性系数平均值为0.89，拟合较好。

综上，经综合评定，21场洪水中，有20场合格，合格率为95.2%，多年平均确定性系数为0.85，根据《水文情报预报规范(GB/T 22482—2008)》，预报等级为乙等，可用于正式预报。