新安江模型在汤旺河流域洪水预报中的应用

肖兴涛，张鹏远，张淑霞

(1. 黑龙江省水文局，哈尔滨150001;2. 哈尔滨水文局，哈尔滨150010;3. 佳木斯水文局，黑龙江 佳木斯154002)

1 新安江模型简介

20 世纪60年代初，华东水利学院( 现为河海大学) 水文系赵人俊等开始研究蓄满产流模型，配合一定的汇流计算，可以用于水文预报和水文设计。1973年，他们在对新安江水库做入库流量预报的工作中，把他们的经验归纳成一个完整的降雨径流流域模型——新安江模型，可用于湿润地区与半湿润地区。

最初的新安江模型为两水源模型——地表径流、地下径流，由于存在稳定下渗不是常数，单位线有多条等问题，到80年代初，又提出了新安江三水源模型——地面径流、壤中流、地下径流，在1984—1986年，又提出了四水源新安江模型——地面径流、壤中流、快速地下径流和慢速地下径流。由于模型产流采用蓄满产流的概念，适用于湿润和半湿润地区，黑龙江省属于半湿润地区，理论上此模型适用本地区。

2 模型的结构和原理

2.1 模型的结构

新安江模型是一个分散性模型，把流域分成多块，对每块分别计算产汇流，总和后求得出口断面流量过程。模型由蒸发、产流分水源和汇流4个模块组成。

2.2 模型原理和计算公式

新安江三水源模型由产流、蒸散发、分水源和汇流4个模块组成。

2.2.1 产流模块

模型的产流部分采用蓄满产流概念，直到包气带蓄水量达到田间持水量时才能产流。产流后，超渗部分成为地面径流，下渗部分成为壤中流和地下径流。

由于土壤湿度在面上分布不均匀，产流面积是变化的。为此在新安江模型中引进了张力水蓄水容量曲线，并以B 次方抛物线来表示。据此可求得降雨径流关系。

2.2.2 蒸散发模块

用3个土层的模型，其参数为上层张力水容量UM，下层张力水容量LM，深层蒸散发系数C，蒸散发折算系数K，所用公式为:

当上层张力水蓄量足够时，上层蒸散发EU 为:

当上层已干，而下层蓄量足够时，下层蒸散发EL 为:

当下层蓄量亦不足，要涉及到深层时，蒸散发为ED 为:

2.2.3 分水源模块

分3 种水源，即地面径流RS、地下径流RG 和壤中流RI。参数为表层土自由水容量SM，表层自由水蓄水容量曲线的方次EX，表层自由水蓄水容量对地下水的出流系数KG 及对壤中流的出流系数KI，所用公式为:

2.2.4 汇流模块

汇流分为3个阶段进行: 坡地汇流阶段、河网汇流阶段和河道汇流。坡地汇流是指水体在坡面上的汇集过程，坡地汇流采用线性水库方法。地表径流在坡地阶段一般时间很短，坦化可以忽略。

地面径流的坡地汇流时间不计，直接进入河网:

3 模型的参数和率定

3.1 模型参数

若河网汇流采用滞后演算法，单元流域的新安江模型有15个参数，具体见表1。

表1 新安江模型参数表

3.2 模型的率定

模型率定有人工试错法、客观优选法及数学最优化方法。目前各种概念性流域水文模型，主要依靠经验的人工试错法来确定参数，结果不太客观。这里说一下参数调试的客观优化法。

流域水文现象按其性质可分几个层次。对于湿润地区，一般可分为蒸散发、产流、分水源、汇流等4个层次。第1 层蒸散发主要由气候因素决定，最为稳定，能决定长时段内的产流总量，但对产流过程的作用很小。第2、3 层决定产流量在水源上与时间上的分配，与降雨过程及流域条件的关系很密切，变化比蒸散发敏感得多。第4 层把流域面上的各种水源的产流过程汇集成为流域出口的出流过程，流量变化十分敏感。每一层次中有一定的公式与参数，以实现模拟计算。这种计算方法的前提是下一层次的参数值对上一层的计算结果影响很小。

如全流域分块计算，则需要进行河道演算，也增加XE、KE 及河道汇流段数N，这几个参数可根据河段特性用水力学法求出，一般不需要优选。参数WM、UM、LM、B、C、IM 都不敏感，按一般经验定值即可，不需要优选。EX 的变化范围不大，一般在1 ～2，可令EX=1.5，KG+KI=0.7。因此，在优选参数时待定的参数有K、SM、KG/KI、CG、CI、CS 共6个。其余参数在必要时可单独作调整。在这6个参数中，层次1 中有1个，层次3 中有2个，层次4 中有3个。

4 模型应用实例

新安江的参数率定包括日模型与次洪模型，相应的包括日模型与次洪两个程序，参数率定采用人机对话方式，包括有客观优化及单纯形优化算法。现以松花江水系汤旺河流域五营水文站为例，说明在参数率定中采用客观优化及单纯形优化算法的分析过程。从理论上来说，客观优化方法是数学优化与人工试错结合起来，可以得到唯一的解。单纯形优化算法是局部优化方法。全局优化方法可以得到全局最优参数，但实际上有时也得不到，而且优化时间太长。相比之下，改正的单纯形法效率较高，且全局优化方法中使用的基本方法就是在单纯形法上发展起来的，为此一般概念性水文模型的参数率定多采用单纯形法。

4.1 流域概况

汤旺河流域属于松花江水系，位于黑龙江省境内，发源于小兴安岭南坡，伊春市乌伊岭区桔源林场43 林班，汤旺河由北向南贯穿小兴安岭腹地。五营水文站为汤旺河干流上游控制站，控制流域面积4 160 km2，流域形状为椭圆状，至河口距离319 km，河长87 km，比降为8‰ ～10‰。流域内植被良好，多为针、阔叶森林覆盖，两岸有少量耕地。年降水量633 mm，径流深259.4 mm。洪水来源为降雨径流，年最大洪峰一般出现在汛期7—9月份，尤其以7—8月份最为集中，年内径流分配7—9月份为56%，4—6月为31%。五营站以上流域水系见图1。

图1 五营站上流域水系图

4.2日模型参数的率定和检验

4.2.1 率定

模型率定所需资料，对于日模型一般需要6 ～8 a，这里选用7 a，本次选用有实测资料以来前10 位洪水作为率定年份，结合模型中主要参数调试进行参数的率定，平均确定性系数0.75 左右。流域内5个雨量站为汤旺、五营、东升林场、新春、永丰林杨。在率定新安江模型时，采用日模型。模拟和实测流量过程见图2 ～图4。

4.2.2 检验

模型检验一般需要4 a左右。本次选用1991年、2006年、2009年、2010年较大洪水年进行模型的检验，确定性系数为0.72 左右。具体模拟过程见图5、图6。

图2 五营站1972年模拟和实测流量对比图

图3 五营站1978年模拟和实测流量对比图

图4 五营站1985年模拟和实测流量对比图

图5 五营站2006年模拟和实测流量对比图

图6 五营站2010年流量过程检验与实测对比图

按照《水文情报预报规范》对日模型的率定和检验进行评定，径流模拟的相对误差都＜20%，各个年份的径流模拟都合格，洪峰模拟中只有2009年误差＞20%，由于模拟过程中，不能调节模型初始状态，在实际预报中不会出现此类情况，预报精度符合情报预报规范中的发布标准。具体详见表2。

表2 洪水模型率定、检验与实测结果对比表 m3/s

5 误差分析

主要有以下4个方面的影响: ①水文资料采用日过程，雨量资料时间分布过程均化，对洪峰过程预报会产生较大影响;②模型在率定和检验过程中，不能调整模型初始状态，影响了预报精度，在实际预报中会解决这个问题; ③流域雨量控制站点密度不够，雨量的代表性差; ④部分模型参数值是通过实测流量资料率定优化求得，不能直接测得，与实际情况还存在一定差别。

6 结 语

新安江模型在东北地区应用时间不长，且范围不大，积累的经验不多，尤其是模型参数调试过程及灵敏性还有待进一步去验证，本次也是仅仅用日模型率定，可能对一些小流域预报精度有影响，需要用场次洪水模型率定，随着水文自动测报系统建设日趋完善，雨量站网站密度增加，新安江模型在洪水预报中的精度也会不断提高，能够为各级防汛指挥部门科学决策提供有力技术支撑。

［1］黑龙江省水文局. 黑龙江省洪水预报系统使用手册［S］. 哈尔滨:黑龙江省水文局，2005.

［2］水利部水文局. 水文情报预报技术手册［S］. 北京: 中国水利水电出版社，2010.

［3］林三益. 水文预报:第2 版［M］. 北京: 中国水利水电出版社，2001.

［4］水利部水利信息中心. GB/T 22482－2008 水文情报预报规范［S］. 北京:中国水利水电出版社，2000.