新安江模型对某水库洪水预报模拟可靠性分析

陈文蛟

（河南省平顶山水文水资源勘测局，河南 平顶山 467000）

0 引言

近几十年来，现代水文学建立的高精度水文模型为优化水库洪水预报调度，开展水资源合理应用提供了有力保证。通常认为，把数学语言或物理模型运用到现实水文系统的刻划或比拟当中，依据一定条件对水文变量进行模拟及预报，从而建立起水文模型，以达到预报现实水文系统的未来变化的目的。从水文模型的发展历程上看，约到14世纪末水文学仍处于定性描述水文现象阶段，约到19世纪末形成了水文科学体系，到20世纪50 年代兴起了应用水文学，从而开始了现代水文学的发展。基于预报洪峰的实践需要，现代水文模型应运而生，并蓬勃发展。常用的可分为三大类：系统理论模型、概念性模型和分布式模型。中国水文领域的新安江模型属于概念性模型，20世纪70 年代由赵人俊团队对新安江水库作入库流量预报时提出，特别适用于湿润和半湿润地区阵雨径流预报。

1 新安江模型的基本认识

1.1 新安江模型基本原理

新安江模型特别注重流域内降雨到径流形成的时空变化过程，整个模型系统由功能不同的五个子模型紧密构成，即三层蒸发子模型、蓄满产流子模型、三水源划分子模型、流域汇流子模型和洪水演进子模型。各个子模型间迭代运行流程依次遵从三个阶段：①启动三层蒸发子模型算出蒸发量，随后导入蓄满产流子模型算出径流总量；②运行三水源划分子模型；③运行流域汇流子模型和洪水演进子模型，计算出特征时段的洪水预报量。

模型计算时先要进行单元流域划分，综合考虑自然地理概况、河流水文特征及水文控制站等三因素作为划分基本原则，把自然水文、流域形状、降雨特征和水文控制站等主要因素作为指标把全流域划分成多块单元流域，单元内再进行分块。之后，按三阶段流程运行。

第一阶段将多个时段的降雨量输入模型。优选一个特征时段的降雨量作为参数传给三层蒸发子模型进行内部计算，算出流域内降雨的蒸发量。接着把降雨量和蒸发量作为参数导入蓄满产流子模型进行内部计算得出径流总量。第二阶段以径流总量为参数导入三水源划分子模型，经内部运算后输出地表径流（RS）、壤中流（RSS）和地下径流（RG）三水源。第三阶段启动流域汇流和洪水演进两个子模型，利用洪水演进子模型计算出该特征时段的洪水预报量。同理，依照上述三阶段迭代运行体系逐次计算出其余各时段的洪水预报量。

1.2 新安江模型洪水预报流程简图

新安江模型输入降雨（P）和蒸散发能力（EM），最终输出流域出口断面流量（Q）和蒸散发量（E）。整个模型运行主要经过蒸散发计算、产流量计算、三水源划分和汇流计算等四部分。模型洪水预报流程见图1。

图1 三水源新安江模型流程图

2 可靠性分析

2.1 误差计算

入库洪水预报模拟误差主要来自于建模基础资料、模型结构、模型参数、流域开发活动（尤其是水利工程）影响及预见期内降雨预报等五个方面误差。

一般采用对比模型模拟效果与实测资料间的差值关系，估算出各时段的绝对误差和相对误差，最后求得平均误差，以便对比规范评估模型的可靠性。

2.2 原因分析

2.2.1 资料误差

分析基本资料建立新安江模型时会有四方面误差：①测验误差；②洪水流量资料间接由观测水位（H）查找H～Q关系曲线转换导致的误差；③资料的空间代表性；④用于率定水文模型的水文资料，充分反映各种流域特性的客观代表性差异程度引起的必然误差。

2.2.2 模型的结构误差

水文模型都是实际水文流域的概化，建模过程中就需要大量的简化处理，由此必然会带来一些误差。

2.2.3 率定模型参数误差

水文模型模拟时，存在着用水文资料率定的预报误差。

2.2.4 流域开发活动（尤其是水利工程）影响误差

流域开发活动（尤其是水利工程建设）会改变流域下垫面与河道的天然状况，导致水文模型建立的前提条件严重偏离。从而带来水文模型参数率定的困难，甚至会影响到模型的结构。

2.2.5 降雨预见期内的预报误差

洪水预报在预见期内较为准确，考虑天气预报因素，引起洪水预报误差和不确定性。

3 案例分析

3.1 历史典型洪水模拟分析

利用新安江模型对某水库历史上有记录的洪水进行模拟，分析模型模拟洪水的效果，对模型预报洪水发生的可能性和误差情况综合评估，为水库洪水调度提供参考依据。

3.1.1 历史典型入库洪水实测资料选择

选择某水库历史典型入库洪水实测资料为分析依据，见表1。

表1 某水库历史典型入库洪水实测资料表（实测峰值）

3.1.2 新安江模型对典型入库实测洪水模拟分析

运用新安江模型对上述典型入库实测洪水24个时段进行模拟分析，得出预报入库流量值，见表2第（3）栏所示。

3.1.3 新安江模型模拟与实测资料对比分析

在同一坐标系内，分别点绘出新安江模型模拟与实测资料流量过程线，进行对比分析，见图2。

图2 某水库典型入库实测洪水与模型洪水预报模拟结果对比图

3.2 可靠性评估

3.2.1 误差估算

误差估算分别从绝对误差和相对误差两方面进行。绝对误差是用模型预报模拟值减去相应时段的典型入库实测洪水值所得的差值即Q模拟-Q实测=Q绝对误差，相对误差是用各时段的差值除以实测值所得百分比即Q误差/Q实测=Q相对误差。表2 中时段1：00～2：00 的Q绝对误差=0.92-1.25=-0.33 m3/s，Q相对误差=-0.33/1.25=-26%；2：00～3：00的Q绝对误差=1.12-1.25=-0.13 m3/s，Q相对误差=-0.13/1.25=-10%；依此类推，持续算到第24个时段0：00～1：00，见表2中（4）（5）两栏所示。

从表2中（4）（5）两栏可知，洪水预报模拟结果绝对误差的最大值为8.97 m3/s，算术平均误差值为2.50 m3/s，从绝对误差的平均值来看模拟结果与实测误差并不大，然而其相对误差平均值却达到27.33%，接近1/3，略显较大。对比表2 中的24 个时段的实测值与模拟值可以看出，平均误差较大主要是由于预报峰值出现时刻（16：00～17：00）有偏差（实测峰值出现在15：00～16：00）所致，当来水过程降雨量相对偏大时就会使平均误差变大。

3.2.2 模型模拟可靠性评估

查询《水文情报预报规范（SL250—2000）》有关规定可知，模拟许可误差应控制在实测资料变幅的20%以内。上述案例分析24 个时段中有15 个模拟预报相对误差绝对值≤20%,在许可误差范围内（见表2 相对误差一栏），预报合格率为62.50%，符合规范丙等级别要求的60%≤合格率＜70%指标区间，可以相信新安江模型在预报模拟效果的可能性、许可误差等方面都有足够的可靠性。

表2 模型对历史典型实测入库洪水模拟误差估算表（取绝对值的算术平均值）

4 结语

①新安江模型是概念性水文模型的典型代表，非常适用于流域内降雨径流预报。②实证分析显示，新安江模型对入库洪水预报模拟效果有足够的可靠性。③实践中选取基础资料对模型参数率定时要注重正确处理方法和要求。