新安江模型在确定洪峰时间的应用

刘 琦，宋 冰

（1．鸡西市水文局，黑龙江 鸡西158100；2．黑龙江省水文局，黑龙江 哈尔滨150001）

1 研究目的与意义

随着社会的发展进步，人民生活水平逐渐提高，穆棱河地区人民对物质文化生活的要求也愈来愈强烈，对穆棱河水资源的需求也就愈来愈大，致使穆棱河生态环境恶化、灾害加重、水资源短缺、供需矛盾越来越突出。事实上，1960年以后沿河两岸柳树大部分被砍伐，引起河岸坍塌，水土流失，河道淤积。因此，准确掌握穆棱河研究区水情情况、洪峰发生时间，为合理布局，防汛抗旱，以及水资源优化利用提供了宝贵的依据，最大程度的满足社会和人民日益提高的物质文化需求，具有重要的现实意义。

赵人俊教授在二水源［1－2］的基础上提出三水源划分新安江产汇流模型。三水源新安江模型是考虑了二水源模型中常遇到降雨时空分布不均匀和稳定下渗参数随洪水变化而变化的问题提出的，再结合二水源的其它结构。

2 模型说明

2．1 模型结构

新安江水文模型［3］是河海大学研究组在编制新安江洪水预报方案时，设计的完整的流域水文模型，最初提出的是二水源新安江模型。20世纪80年代中期，借鉴国外产汇流理论，提出了三水源新安江模型。三水源模型蒸散发计算采用三层模型；产流计算采用蓄满产流模型；三水源即：地表径流、壤中流和地下径流3种；流域汇流计算采用线型水库；河道汇流采用马斯京根分段连续演算或之后演算法［4］。每块单元流域的计算流程如图1所示。

2．2 产流计算

流域蓄水容量－面积分配曲线及其与降雨径流相互转换关系见图2。

对总径流R积分：

若PE＋A＜WMM，则局部产流时

若PE＋A≥WMM，即全流域产流时

式中：f为产流面积，km2；A为流域平均初始土壤水量最大值，mm；F为全流域面积，km2；W′为流域单点的蓄水量，mm；WMM 为流域单点最大蓄水量，mm；PE为净降雨量，mm；B为蓄水容量—面积分配曲线的指数；W0为流域初始土壤蓄水量，mm；WM 为流域平均最大蓄水量，mm。

图1 三水源新安江模型流程图

图2 流域蓄水容量－面积分配曲线与降雨径流间关系图

2．3 水源划分

自由水蓄水库结构考虑了包气带的垂向调蓄作用。按蓄满产流模型计算出的总径流量R，先进入自由水蓄水库调蓄，再划分水源，从图3可见。产流面积上设置两个出口，旁侧出口形成壤中流RI；向下出口形成地下径流RG。

2．4 模型参数

2．4．1 参数类别

可以按对计算精度影响程度、在径流形成过程起作用程度、参数的不同物理意义进行分类，分为：敏感与不敏感参数、物理与经验参数、时变和时不变参数、三水源和目的参数。如表1所示：

图3 自由水蓄水库结构图

表1 新安江模型各层次参数表

2．4．2 参数率定

模型参数率定过程如图4所示。

图4 模型参数率定框图

模型参数率定按式（4）、式（5）选择。

式中：j为整数，一般取1或2；w为参数向量；Rn为n维的史书空间域；Yci为模型计算值；Yoi为实测值。

参数率定就是选择一个参数向量wp，使得F（wp）达到最小，即

3 实例分析

用三水源新安江模型编制密山桥水文站入库流量预报方案，确定洪峰发生时间。

3．1 研究区概况

密山桥水文站位于黑龙江省鸡西市梨树镇。地理位置为东经130°41′36″，北纬45°05′27″。是穆棱河中游控制站，距河源211．8km，距河口距离447．6km，集水面积6443km2。多年平均气温3．2℃，最高气温37．6℃，最低气温－44．1℃。多年平均降水量552．9mm，降水量年内分布不均，6—9月降水量占全年降水量70%左右，多年平均年径流量22．67亿m3。无霜期140d，结冰期150～160d，最大冰厚1．37m。

3．2 方案构建

预报方案设置2个方案输入：梨树镇（10503010）、区间（10504410A）（密山桥水文站集水面积13 325km2，梨树镇水文站集水面积6443km2，区间控制面积6787km2）。梨树镇水文站输入采用马斯京根法模型（MSK），区间输入采用蓄满产流模型（SMS＿3）和滞后演算模型（LAG＿3）；雨量站控制权重采用泰森多边形法。方案计算时段为3h，方案输出类型为是水位流量。其结构图如图5。

图5 密山桥水文站预报结构图

（1）方案定义

模型：马斯京根法，蓄满产流模型和滞后演算模型；

方案输入：梨树镇（10503010）和区间（10504410A）；

方案输出：密山桥时段水位流量过程。

（2）方案属性

预报站码：10504410（密山桥）；

时段长度：3h；

预见期：30个时段；

预热期：30d；

输出类型：河道水位流量；

输入个数：2个；

输入类型：1个河道输入和1个流域输入。

（3）圈化流域边界

圈化流域边界见图6。

图6 密山桥站流域边界

3．3 资料选取

雨量站选用：经雨量资料分析，密山桥水文站以上区间共有鸡西、密山桥、团山子水库、八楞山水库、哈达水库、金生村、林村屯和半截河水库，共8个站雨量资料。其中三棱通乡、和平村、铅矿村、大同水库、东保村和民主村6个雨量站资料不全，其余2个站具有1h雨量摘录资料，具备编制洪水预报方案的要求。

水文站选用：密山桥水文站资料经过整编，能满足编制洪水预报方案要求。密山桥水文站1979年建站，建站以来最大流量为4440m3／s，根据雨量资料系列，流量资料选用2013年分析。

蒸发资料选用：选用密山桥水文站蒸发资料。

3．4 率定结果

（1）率定的目标函数值为0．846。

（2）模型参数选取

①马斯京根法模型（MSK）参数

10504410 10503010 MSK

PARAMETER

＆PARA＿TABLE

X＝－0．990

KK＝3

MP＝14

／

②三水源蓄满产流模型（SMS＿3）参数

10504410 105044104A SMS＿3

PARAMETER

＆PARA＿TABLE

WM＝120．000

WUMx＝0．200

WLMx＝0．600

K＝0．892

B＝0．300

C＝0．100

IM＝0．010

SM＝67．950

EX＝1．500

KG＝0．300

KI＝0．537

ES＝9．3 16．5 46．3 100．5 115 106．9 103 94．9 76．7 55．3 23．7 10．5

／

③三水源滞后演算模型（LAG＿3）参数

10504410 105044104A LAG＿3

PARAMETER

＆PARA＿TABLE

F＝6882

CI＝0．805

CG＝0．994

CS＝0．757

LAG＝16．000

X＝0．391

KK＝3

MP＝0

／

（3）场次洪水统计

根据密山桥站2006年、2008年、2009年的数据资料，经新安江模型率定后，得到洪峰发生情况。率定结果与实际情况详见表2。

表2 密山桥站预报方案率定场次洪水统计表

（4）方案评定

所有参数取值符合条件要求，分别选取2006年、2008年、2009年三年的实测数据作为训练样本结果，测试结果0．846，再取2013年数据测试，得到目标函数值0．711，符合水文情报预报规范［5］的规定，并评定等级为乙级。

图7为2013年资料验证结果，可以看出洪水过程拟合效果较好，水量基本平衡，各参数符合该地区的洪水特性，5场场次洪水误差大于20%不在允许范围内，其他场次洪水合格，根据确定性系数0．846评定该洪水预报方案为乙级。

图7 2013年率定结果图

4 结 论

本文主要介绍了新安江模型的基本理论知识，以新安江模型为基础研究方法，针对穆棱河研究区的特殊地形、水系特征和气候条件，调整模型参数后得到洪水预报方案评定等级为乙级。

［1］赵人俊．流域水文模型－新安江模型与陕北模型［M］．北京：水利电力出版社，1984．

［2］赵人俊．流域水文模型的比较分析研究［J］．水文，1989（6）：1－3．

［3］芮孝芳，蒋成煜，张金存．流域水文模型的发展［J］．水文，2006（3）：22－26．

［4］华舒愉，顾圣平，贺军，等．三水源新安江模型参数优化及其应用［J］．水电能源科学，2013（2）：23－26＋242．

［5］水利部水利信息中心．SL250－2000水文情报预报规范［S］．北京：中国水利水电出版社，2000．