新安江水文模型在水文预报中的应用

张心凤，赖万安

（珠江水利科学研究院，广州 510611）

水文模型是描述、模拟流域水文现象的数学模型，从定量上分析计算形成流域出口断面流量过程线的全部过程，包括降水、蒸发、截留、下渗，地面径流、壤中流、地下径流的形成，坡面调蓄和河网调蓄。

水文模型以其理论性强、概念清晰、结构精细、自动化程度高等特点在水文理论研究、水文预报中得到广泛应用［1-2］。以往工作中由于水文模型参数众多，优选困难的问题在计算机技术高速发展已经不再成为问题；降雨量代表性问题也将随着水文站网现代化建设的普及而得到解决。因此，水文模型在水利现代化建设中将发挥越来越重要的作用［3］。

1 万泉河流域概况

万泉河是海南岛第三大河流，位于海南岛东南偏东部，发源于琼中县五指山风门岭，分南北两源，南源称乘坡河（也称乐会水），北源称定安河（也称大边河），南北两河汇合于琼海市合口咀。万泉河向东或东北向流经琼中、屯昌、定安、文昌、万宁等市县，至琼海市后急转南下，经博鳌港出海。干流全长156.6km，平均坡降11.2%，总落差523.0m，流域面积3693km2。流域内水系发育，支流较多，水系分布如图1。

图1 万泉河水系分布图

万泉河干流自合口咀以下至河口56km，支流主要有文曲河、加浪河、塔洋河，在出海口右岸有集水面积为278km2的九曲江经沙美内海汇入同一海湾出海。

万泉河流域是海南岛年降雨量最大的地区，是海南省的暴雨中心之一，多年平均降雨量2385mm，暴雨的形成以台风为主，是台风入侵的通道，素有台风走廊之称，其中下游及河口区常遭受洪涝和风暴潮灾害，平均每年有4次台风，并伴随着暴雨和大暴雨。根据加积站实测资料，多年平均流量157m3/s，多年平均径流量49.5亿m3，实测最大洪峰流量1.01亿m3/s（1970年10月17日），历史上最大洪峰流量1.17亿m3/s（1948 年）。

2 水文站点及资料概况

2.1 水文站点

万泉河流域现有加积、乘坡、加报3个水文站，雨量站点29个。此外九曲江地区雨量站有5个，龙滚河雨量站1个。流域内设有蒸发站1个，即加报站。除了这些固定站点外，万泉河流域还设立过一些临时站点，由于临时站点资料不完整，本模型没有采用。根据资料来源及站点分布情况，选用加积、加报为预报控制水文站；蒸发代表站为加报站；雨量控制站20个。

2.2 水文基本资料

（1）加积水文站：1948～2000 年的水位、流量、含沙量、输沙率资料。

（2）加报水文站：1956～2000 年的水位、流量、含沙量、输沙率、蒸发资料。

（3）雨量站资料：1948～2000 年资料。

（4）地形资料：1∶50000 电子地形图。

3 模型预报方案

3.1 模型总结构

万泉河流域由多个自然流域单元组成，具有水系发达和侧支众多等特点。流域内100km2以上一级支流有6条，其中河长超过50km的有定安河和塔洋河。

根据其自然特点，结合站点布置情况，分为8个自然流域单元，其面积分别为1149，1236，398.1，220.1，286.6，406.8，297.4，211.8km2。

单元流域分布如图2。

图2中A0单元乘坡河出口断面为牛路岭水库坝址，出口流量为水库放水流量，不做产汇流计算；此外A7单元龙滚河在新开河处分流，不影响万泉河洪水演进，也不予计算。因此，实际参与计算的有A1～A6等6个流域单元。

图2 万泉河流域单元分布

3.2 产流模型基本结构

采用新安江三水源流域水文模型作为万泉河流域水文预报的基本模型［4］。其基本结构如下：

蓄满前：

蓄满后：

式中 P为时段降雨量 （mm）；E为时段蒸散发量（mm）；W1、W2为时段始末土壤中含水量（mm）；R 为时段总产流量（mm）；WM为田间持水量（mm）。

当 S+PE≤SM，RS=0；

当 S+PE>SM，RS=（S+PE-SM）×FR。

式中 S为自由水库蓄水量（mm）；SM为自由水蓄水库的容量；FR为产流面积，由蓄水容量曲线确定。

3.3 模型基本参数

新安江三水源流域水文模型基本参数：K为流域蒸散发能力与蒸发皿蒸发量之比；C为深层蒸散发系数；IMP为不透水面积比重；WM为流域平均蓄水容量（指张力水）；WUM为流域平均上层蓄水容量；WLM为流域平均下层蓄水容量；WDM为流域平均深层蓄水容量（WDM=WM-WUM-WLM）；B为流域蓄水容量曲线指数；EX为自由水蓄水容量曲线指数；KKG为地下水日退水系数；KSS为壤中流出流系数；KG为地下水出流系数；UH为无因次的地表径流单位线纵标。

3.4 河道汇流模型结构

采用长办汇流曲线为河道汇流模型［5］，公式如下：

式中 tK为入流历时；τ为河段汇流时间；Pon为入流终止前第n个河段的汇流系数；PKn为入流终止后第n个河段的汇流系数。

此汇流曲线用于河段洪水演算的优越性在于考虑了演算河段中区间汇入的各支流入流点距下游断面的远近而应受到的不同大小的调节作用。

4 模型率定与验证

4.1 模型率定与改进

万泉河流域水文预报模型设计为连续演算预报模型［6］，根据资料情况，选用 1990～2000 年 11 年系列资料进行模拟预报，为满足各种预见期（1～6h）的预报要求，选定计算时段DT=1h。经率定，求得模型参数如表1。

表1 模型参数

经计算，模型对于过程的拟合效果不甚理想，主要是洪水起涨段和退水段拟合不佳，分析后认为是山塘、小水库、水田的蓄水作用所至，因此增加一个模拟地面水库蓄水作用的结构［7-8］，增加以下4个参数，则：

RESM为地面水库蓄水容量；RES0为地面水库蓄水量初值；KRES为地面水库出流系数；FRES为地面水库控制面积。这4个参数经率定为：RESM=55；RES0=0；KRES=0.2；FRES=0.56。

增加模拟地面水库蓄水作用的结构后，过程拟合精度大为提高，洪峰预报精度也有所提高。经率定，采用2条流域汇流单位线，定安河汇流单位线如图3，其他单元流域汇流单位线如图4。

图3 定安河汇流单位线

图4 其他单元流域汇流单位线

4.2 模型验证

加报水文站资料较全，而加积站除2000年外，其余年份缺牛路岭水库的放流资料，所以模型主要以加报站流量进行验证。

2000年洪水过程验证成果如图5，图6所示。模型验证表明：在1990～2000年加积站和加报站的水量平衡研究中，模拟结果比较符合实测值，证明模型对万泉河流域具有较强的适用性。

图5 加积站洪水过程模拟（2000年10月12日～21日）

图6 加报站洪水过程模拟（2000年10月12日～21日）

5 结语

（1）蓄满产流结构能很好的适应万泉河流域的水文特性，模拟精度较高，特别是对于流域普降大雨形成的洪水模拟效果非常理想，证明模型对万泉河流域具有较强的适用性，在流域水资源管理中具有较好的应用前景。

（2）山塘、小水库、水田有一定调蓄作用，对洪水起涨段和退水段影响较为明显。

（3）万泉河流域洪水主要是由台风暴雨形成，暴雨前一般有零星降雨使土壤充分湿润，符合蓄满产流的产流机制。但是也存在锋面阵雨形成洪水的情况，这时产流机理更符合超渗产流机理，本模型对于这种雨型的洪水预报精度较差，1990年洪水、1994年洪水及1996年洪水当属这种情况，如能增加超渗结构，则模型更为完善。

（4）定安河上雨量站密度较大，能较好地反映流域降雨分布情况，而加报以下至加积区间雨量站稀少，不能充分反映流域实际降雨情况，对模拟精度有一定影响。

［1］詹道江，叶守泽.工程水文学（第三版）［M］.北京：中国水利水电出版社，2000.

［2］LinSanyi.HydrologicForecast［J］.SichuanUniversityPress，2001.

［3］傅春，张强.流域水文模型综述［J］.江西科学，2008（4）.

［4］苏坚.长潭河流域水文模型的建立和应用［J］.中国农村水利水电，2007（5）.

［5］长江流域规划办公室.水文预报方法［M］.北京：中国水利电力出版社，1979.

［6］崔春光.定量降水预报与水文模型耦合的中小流域汛期洪水预报试验［J］.气象，2010（12）.

［7］Chuan-zhe LI，etc.Effect of calibration data series length on performanceandoptimalparameters of hydrological model［J］.Water Science and Engineering ，2010（4）.

［8］宋霁云，张利平，李武阶，等.水文模型参数优选方法比较与参数敏感性分析［J］.水电能源科学，2011（4）.