新安江模型在穆棱河上的应用研究

谭思源,肖凤杰

(1.东北农业大学,黑龙江 哈尔滨 150001；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

穆棱河起源于老爷岭，是黑龙江省内十大河流之一，上游到下游依次流经黑龙江省内的穆棱市、鸡西市梨树区、密山市、虎林市，一部分汇入小兴凯湖，一部分汇入乌苏里江。作为黑龙江省东部重要的水源之一，通过科学且适用于当地气候环境的方法，有效地进行日径流的预测、预报，可以很大程度上提高水资源的利用和安排，减少对农业、工业、居民生产安全所带来的隐患。

本文以穆棱河[1]上游穆棱水文站、下游湖北闸水文站实测多年天然年径流量为理论依据。科学合理的运用三水源新安江产汇流水文模型，以确定夏汛期洪峰发生时间的合理性来判断新安江模型在穆棱河上的应用效果。

1　新安江模型方法介绍

新安江模型[2]的结构(详见图1)可以分为四个部分：蒸散发计算，确定流域平均上层蓄水容量WUM、流域平均下层蓄水容量WLM、折算系数K、蒸散发系数C等参数因子；产流计算，确定平均蓄水容量WM、面积曲线指数B、不透水面积比IM等参数因子；三水源划分，确定最大蓄水容量SM、表土自由水蓄水容量曲线指数EX、表层自由水蓄水库对地下水的日出流系数KG、表层自由水蓄水库对壤中流的日出流系数KI等参数因子；汇流计算，确定壤中流消退系数CI、地下水消退系数CG、河网蓄水消退系数CS、滞时L、马斯京根演算[3]参数X等参数因子。

2　模型应用

穆棱水文站是穆棱河的源头，降雨比较充沛，属于半湿润地区；湖北闸水文站是穆棱河的下游，水流顺势向下，径流充沛，属于半湿润地区。收集整理两个水文站多年天然的降雨、径流、蒸发资料，带入新安江模型中，研究在同样输入、同样计算时段经过试错分析得到的参数值在同一流域不同断面的结果。

实际中，研究者往往依靠实测值或依据参数的物理意义确定范围的方法，然后输入初值资料，进行模型计算，判断优否，如遇未达到要求的参数值，再循环上面所述的过程，直至判断为优，进而得出准确参数值(见图2)。

(1)

式中：j为整数，一般取1～2；ω为参数向量；Rn为n维的实数空间域；Yc i为模型计算值；Yo i为实测值。

新安江模型的参数大都具有明确的物理意义，参数值原则上可根据其物理意义直接定量。但是，由于降雨径流过程中实测和试验过程的匮乏，我们只能依据测流断面的实测数据。

新安江模型参数率定[4]问题不同于其他简单数学函数的寻优问题，无法事先明确目标函数的最优值，故不能通过控制目标函数结束寻优过程。本文选取500次迭代法，目的通过大量的计算机程序运行及大数据得到参数的最优解。

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图1　三水源新安江模型流程图

图2　模型参数率定框图

由于春季来水主要为融雪径流，对率定结果影响较大，故率定开始时间选定为每年的6月1日[5]，个别年份春季气温偏低适当推后。雨量站资料均选用齐全的1 h资料摘录。

集总模型用在流域小的情况，分块模型用在流域面积大的情况。分块模型是把大流域划分为若干小块流域，对每一部分做产汇流计算，得到每一部分的出口流量，再进行河道洪水演算，得到每一部分的出口流量，进行累加，就得到了整个流域的总出口流量。

方案输入运用MSK，区间输入运用SMS_3和LAG_3；雨量站控制权重用泰森多边形法。方案计算时段为1 h，预见期为24个时段，预热期为30 d。方案输出类型为水位流量。方案输出为水文站时段水位流量过程。(注：MSK指马斯京根河道分段连续演算模型；SMS_3指蓄满产流模型；LAG_3指滞后演算模型)得到上、下游敏感参数值详见表1。

表1　敏感参数确定值

目标函数率定结果详见表2，图3～4。

表2　目标函数率定结果

图3　2013年上游穆棱水文站率定结果图

图4　2013年下游湖北闸水文站率定结果图

从率定结果中看，表1中敏感参数除KI值上游0.438>下游0.306、CS值上游0.916>下游0.898以外，均呈现下游数值偏大的趋势。表2中下游的率定结果0.849好于上游的率定结果0.669。图3和图4对比来看，2013年6月1日—9月30日夏汛期间，下游湖北闸水文站的水位流量走势情况好于上游水文站，但上、下游洪峰流量分析均与实际情况吻合程度较低，洪峰发生时间预测比较准确。从图中可以发现，在夏汛接近尾声的时候，上、下游的拟合程度更好。

3　模型论证

本文用2013年数据率定得到敏感参数取值后，以2014年实测数据验证参数值选取合理性和实用性，作验证结论用(详见图5～图6)。

图5　2014年上游穆棱水文站率定结果图

图6　2014年下游湖北闸水文站率定结果图

图5和图6是在水文实验、率定、演算后进行的结果验证。图5洪水的拟合效果一般，1场次洪水误差小于20%。依据率定得出的参数值，选取2014年6月1日—9月30日期间场次洪水进行检验，得到目标函数，上游目标值-0.005，下游0.825。从图5、图6直观看，可以看出下游拟合效果较好。本方案以率定结果进行评定，上、下游均达到乙级以上水平。

分析图5和图6，水流从上至下，源头处水量的蒸散发较下游大，还有降雨和其他分支河流形成汇入穆棱河下游，下游水文站流量较大，流量变化趋势较明显，产汇流分析得到的结果也好于源头。

参考文献：

[1]刘琦. 穆棱河流域径流变化规律分析及预测研究[D].哈尔滨：东北农业大学,2015.

[2]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.

[3]王文杰，安莉娜. 数学优化方法在新安江模型参数率定中的应用分析[J]. 华北水利水电学院学报，2004，25(2):10-13.

[4]赵人俊.流域水文模型的比较分析研究[J].水文，1989(6)：1-5.

[5]刘苏宁,甘泓,魏国孝. 粒子群算法在新安江模型参数率定中的应用[J]. 水利学报,2010,41(5):537-544.