新安江模型在嫩江流域洪水预报中应用

2011-06-30胡宇丰陆玉忠徐海卿

东北水利水电 2011年8期

关键词：嫩江新安江暴雨

胡宇丰，安波，陆玉忠，徐海卿

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 流域概况

嫩江是松花江北源，发源于大兴安岭伊勒呼里山，由北向南流经黑龙江省、吉林省、内蒙古自治区的7市（盟），在吉林省松原市三岔河附近与第二松花江汇合进入松花江干流。河流全长1370 km，流域面积29.7万km2。

根据嫩江流域的地形、地貌和河谷特征，可将嫩江干流分为上、中、下三段：自河源至嫩江县为上游段，河道长661 km；嫩江县至尼尔基水库为中游段，河道长122 km；尼尔基水库至嫩江口为下游段，河道长587 km。

尼尔基水库至大赉流域面积155333 km2。主要支流均位于右岸，流域面积大于10000 km2的一级支流有6条，其中右岸有4条，依次为诺敏河、雅鲁河、绰尔河、洮儿河；左岸有2条，依次为讷谟尔河、乌裕尔河。

嫩江流域的洪水主要由暴雨产生，由于流域面积大，气象条件复杂，流域内大洪水过程多由几次暴雨过程迭加而形成。嫩江流域的暴雨一般发生在6—9月，且主要集中在7—8月。一次暴雨历时7～10 d左右，主雨一般集中在3～5 d之内。受地形影响，嫩江流域的暴雨根据暴雨中心区位置大致分为3种类型：

第一种类型的暴雨中心区在甘河、诺敏河、讷谟尔河及干流上游一带的上游型暴雨。造成这种暴雨的天气系统一般北方低压系统，暴雨走向为由西向东，由此形成嫩江上游干支流大洪水，如1955年暴雨。

第二种类型的暴雨中心区位于黄篙沟、音河一带，有时主雨区范围可扩大到雅鲁河、绰尔河流域的全流域型暴雨。造成这种暴雨的天气系统一般是副热带高压北移过程中带来的暖湿气流与地面上的蒙古低压或贝加尔湖低压控制下的冷空气交绥，产生大面积降雨。此种暴雨往往结合强度更大的集中性降雨，从而造成长历时的全流域范围内降雨，由于主雨区笼罩嫩江右侧各主要支流，使嫩江流域右侧各支流及干流相继发生大洪水，如1969，1988，1998 年暴雨洪水。

第三种类型的暴雨中心区在洮儿河、霍林河一带的下游型暴雨。造成这种暴雨的天气系统为蒙古、东北、华北气旋。此种暴雨笼罩范围不大，强度较小，只是造成嫩江下游各支流发生大洪水。

2 模型选择

嫩江流域年平均降雨量为440 mm，上游多于下游，流域内汛期6—9月降雨量约占全年降雨量的80%。新中国成立以后嫩江发生最大洪水年份1998年汛期6—9月流域平均降雨量为613 mm，比常年同期381 mm偏多61%。特别是嫩江干流以及右侧支流山区，汛期多受北来天气系统影响而产生降雨。其特点是连阴雨天多。在这些连阴雨天中，又受南来天气系统影响，将可能在连雨天中出现模型。

嫩江流域三面环山，流域的西侧为大兴安岭东坡，海拔高程1000～1400 m；东侧为大兴安岭西坡，海拔高程600～1000 m，北侧为大兴安岭伊勒呼里山，海拔高程1030 m；东南侧为广阔的松嫩平原，海拔高程110～160 m。整个流域地形由西北向东南倾斜，呈现为独立的喇嘛口地形，这种地形条件对嫩江流域降雨有较大影响，当水汽充沛的南来天气系统进入嫩江流域时，喇叭口地形使得低层气流逐步收缩、抬升，产生对流，有利于产生降雨。嫩江干流在嫩江县以上及右侧支流属于山区，山高林密，植被良好，森林多，当地居民较少。干流在嫩江县以下地形逐渐由山区过渡到丘陵地带，再进入平原区。

考虑以上这些地形和降雨的特点，选用已经在我国得到广泛应用的新安江降雨径流模型来建模，预报时段长为6 h。建模的具体步骤如下：

1）以现有水文站控制范围，将流域分成几块，其中包括水文站之间的区间流域；分块的目的在于考虑块与块之间因地形、地质、下垫面等条件不同导致的模型参数的不同。

2）对于每一块再细分几个单元,以考虑由于降雨分布不均匀影响以及上下不同单元块洪水传播影响。

3）对于每一单元，应用三水源新安江流域模型作降雨、蒸发、土壤含水量、水源分配和消退、单元河网单位线等一系列分析计算。

4）每个单元出口的流量通过河道汇流计算到块的出口站，各单元到达出口站的流量过程线叠加得到出口站的流量过程。

5）采用几年历史水文资料，对于每一块应用该模型参数率定子系统推求其有关参数，在调试达到一组最佳参数的条件下，可获得历年汛期连续洪水或各场次洪水的实测与计算拟合成果。

3 资料收集及处理

本次研究的范围为嫩江干流从尼尔基水库至大赉区间。首先分析嫩江流域大水年份，解放以来的大水年份为 1955，1969，1988，1989，1991，1993，1998年，其中1998年为解放后最大洪水年份，1969年为解放后第二大洪水年份，因此在选择资料的年份上选取了1980—2008年加上1969年共30年的资料。其中雨量资料63个站，洪水资料18个站，蒸发资料11个站。雨量资料选用的是雨量摘录资料，洪水资料选用的是洪水摘录资料。将收集到的所有资料汇总，再做资料的处理。对于雨量摘录资料，把雨量资料作移植，插补等处理；对于洪水摘录资料，如果洪水摘录资料不全的年份和站点，用日平均流量来插补；日蒸发资料要处理成时段蒸发。

4 新安江模型介绍

新安江模型是一个概念性降雨径流模型，在我国湿润与半湿润地区广为应用，取得了良好的效果。新安江模型是一个分散型的概念性模型。三水源新安江模型产流计算中应用蓄满产流的概念；蒸散发计算采用3层模型；将水源划分为地表径流，壤中流和地下径流3种；汇流计算分为坡面汇流和河网汇流两部分，坡地汇流采用线性水库或单位线；河道汇流采用马斯京根分段连续演算法。新安江模型特点是模型参数少，且具有明确的物理意义，容易优选；产流计算简单，汇流计算相对复杂；模型中未设超渗产流机制，适用于湿润与半湿润地区。

4.1 模型结构

为了考虑降雨分布不均匀的影响，新安江模型设计为分散性的。按泰森多边形法或天然流域划分法将全流域划分为N块单元流域，在每块单元流域内至少有一个雨量站。单元流域应大小适当，使得每块单元流域上的降雨分布相对比较均匀。为了考虑下垫面条件的不同及变化，应尽可能使单元流域与自然流域相一致，以便利用小流域的实测水文资料和对问题的分析与处理。如流域内有水文站或大中型水库，则水文站或大中型水库以上的集水面积应作为一块单元流域。

对划分好的每块单元流域分别进行产流、汇流计算，得到单元流域出口的流量过程；对单元流域出口的流量过程进行出口以下的河道汇流计算，得到该单元流域在全流域出口断面的流量过程；将每块单元流域在全流域出口断面的流量过程线相叠加，就求得了全流域出口断面总的流量过程。

三水源新安江模型每块单元流域的计算流程如图1所示。图中方框外为参数值，方框内为状态变量。输入为实测降雨量过程P（t）和实测蒸发皿过程 EM（t）；输出为流域出口断面流量过程 Q（t）和流域实际蒸散发过程E（t）。

模型结构可分为蒸散发计算，产流计算，分水源计算和汇流计算4个层次结构。

4.2 模型参数

新安江模型参数如下：

1）B：张力水蓄水容量曲线的方次，反映流域面上蓄水容量分布的不均匀性。一般情况下与面积有关，对于小于5 km2的流域取0.1，几百至一千平方公里时取0.2～0.3，几千平方公里时取0.4左右。

2）C：深层蒸散发系数，决定于深根植物的覆盖面积，在南方多林地区可达0.18，而对北方半湿润地区约为0.08。

3）EX：产流面积上自由水蓄水容量曲线的方次。它决定于表层自由水蓄水条件的不均匀分布，一般在1～1.5左右。

4）IMP：不透水面积占全流域面积之比。在天然流域辞职很小，约为0.01～0.02，城镇地区则可能很大。

5）K：蒸散发能力折算系数，即为流域蒸散发能力与实测水面蒸发能力之比。一般取0.5～1.2之间。

6）WM：流域平均蓄水容量，表示流域的干旱程度。找久旱后下大雨的资料，可认为雨前蓄水量为0，雨后已蓄满，则此次洪水的总损失量就是WM。WM分为三层：WUM（上土层蓄水容量）约5～20 mm；WLM（下土层蓄水容量）可取 60～90 mm；WDM（深土层蓄水容量），WDM=WM-WUM-WLM。

7）SM：自由水库蓄水容量，本参数受降雨资料时段均化的影响，当用日为时段长时，在土层很薄的山区，其值为10 mm或更小一些。在土深林茂的透水性能很强的流域，其值可达50 mm或更大一些，一般流域在10～20 mm之间。当所取时段长减小时，该参数应该加大。这个参数对地面径流的多少起决定性作用。

8）KG：自由水地下水的出流系数，反映流域地下水的丰富程度。

9）KSS：自由水壤中流的出流系数。

图1 三水源新安江模型结构图

10）KG和KSS这两个出流系数是并联的，其和（KG+KSS）代表自由水出流的快慢。对于一个流域，它们都是常数。1000 km2左右的流域，从雨止到壤中流止的时间，一般为3 d左右，相当于KG+KSS=0.7；如果退水历时为2 d，则KG+KSS=0.8。KKSS为壤中流消退系数。如无深层壤中流，KKSS趋于0；当壤中流很丰富时，KKSS趋于0.9，相当于汇流时间为10 d。

11）KKG为地下水消退系数。

12）UH为单位线，通过优选确定。

5 模型参数率定

根据嫩江流域情况，选取尼尔基水库到大赉区间干流及右侧支流的站点来做洪水预报模型的参数率定。选定10个水文站作为洪水预报控制断面编制新安江模型预报方案，其中嫩江干流3个，嫩江右侧支流7个，详见表1。

表1 嫩江干流及右侧支流洪水预报方案站点一览表

水文模型由模型结构和模型参数构成，一旦模型结构确定下来，模型参数是影响洪水预报结果非常重要的因素，因此，需对模型参数进行优化以使洪水过程拟合最好，这个过程即为参数优选。

模型的参数可分为两类：一类是可以通过量测获得的，如流域面积、河长、河道坡度、雨量站权重、分块单元流域面积等，这类参数一经确定不再修改。另一类则随流域降雨径流特性以及下垫面条件而不同，如各土层最大蓄水容量、自由水库最大容量、蒸散发系数、入渗曲线的系数和指数，以及各层水流的出流和消退系数等。对后一类参数，一般都采用系统分析方法来确定，即以降雨、蒸发作为系统的输入，在确定一组待求参数的条件下，通过模型运算，最后输出流域出口断面处的流量过程，经过对参数的不断调整，使计算和实测的流量过程拟合最佳，这种方法称目标最佳拟合法，是优选模型参数的最有效方法。

作为嫩江流域20世纪最大洪水年份1998年新安江模型率定成果见表2。