新安江三水源模型在长枪铺水文站洪水预报的应用

沈桂环，马 政，杨 飞

(安康水文水资源勘测中心，陕西 安康 725000)

新安江模型是国内技术成熟、影响力较大的水文模型。它是分散型水文模型，把流域分成多块，对每块分别计算产汇流，最后求出流量过程，实用于湿润半湿润地区。本文以中国洪水预报系统平台采用新安江三水源模型成功编制了月河长枪铺站洪水预报方案，极大地提升了预报精度与时效性。

1 流域基本情况

月河发源于汉阴县凤凰山铁瓦殿，为汉江一级支流，自西向东流经汉阴、汉滨两县区，在汉滨区建民镇红莲村汇入汉江，河流全长114 km，流域面积2830 km2，河槽平均比降3.29‰。月河流域水系呈扇形不对称分布，主要支流观音河、洞河、恒河、付家河等均分布在北(左)岸,这4条主要支流均发源于秦岭山脉，坡陡流短，比降大，暴雨径流形成时间短，右岸为凤凰山，山洪沟遍布，沟短且比降极大，一有较大强度降雨极易产生山洪，直入月河。月河流域为北亚热带湿润季风气候区，多年平均降水量842 mm，山区降雨多于川道。汛期5月～10月降水量占全年总量的80%左右，产流以蓄满产流为主，6月～9月4个月径流量占全年的50%～60%。月河下游设有长枪铺水文站，该站设立于1959年12月，控制流域面积2814 km2，多年平均径流量8.36亿m3，径流深为297 mm，建站以来最大洪峰流量3210 m3/s，出现在1983年7月31日，实测最大流速4.69 m/s；降雨洪水主要集中在7月～9月，多年平均径流量8.40亿m3,输沙量140万t。

2 模型结构与原理

2.1 模型基本结构

中国洪水预报系统是由水利部水文信息中心(水利部水文水资源监测预报中心)主持，有关科研院所、大专院校、生产单位共同参与开发的一套先进实用的洪水预报系统，系统提供多个洪水预报模型。平台除了具备模型参数调试列表外，还增加了子流域分段数参数、场次洪水状态变量参数率定、预报降水输入等功能。其中新安江模型是洪水预报系统平台预报模型之一，其主要由蒸散发、产流、分水源和汇流四个模块组成，基本结构见图1。

图1 新安江模型三水源基本结构流程图

2.2 相关原理

新安江三水源采用蓄满产流概念，即一次降雨过程中，包气带达到田间持水量时才产流。产流后，超渗部分为地面径流，下渗部分为壤中流和地下径流。模型由蓄满产流模块、流域蒸散发模块和水源划分模块、汇流模块四部分构成。

1)产流模块。蓄满产流由以下公式组成：

R=PE-(Wm-W0)

式中：b为抛物线型流域蓄水容量曲线方程的指数。

蓄满产流模型中的变量是PE、W0和R，需要确定的参数只有Wm和b。

蓄满产流模型计算产流量时，需要涉及流域蒸散发量的计算。流域蒸散发模型是为了配合蓄满产流模型使用的，流域蒸散发计算的目的是确定流域土壤蓄水量。

2)流域蒸散模块。蒸散发的含义与测站蒸发器所观测的定点小面积蒸发量是不同的，它与蒸散发能力和土壤蓄水量有关。流域蒸散发能力可以用测站蒸发器观测数据换算。在方案中采用恒口站多年平均月蒸发量计算；

方案中流域蒸散发模型采用三层模型计算，即将土壤包气带划分为上层、下层和深层，Wm=UM+LM+DM。三层蒸散发模型的参数为上层蓄水容量UM、下层蓄水容量LM、深层蒸散发系数C、蒸散发折算系数K。流域蒸散发模型计算公式如下：

当P+WU>K×EM时，EU=K×EM

P+WU≤K×EM时，EU=WU+P

当EL

则取EL=C×(K×EM-EU)

若WL

则EL=WL

ED=C×(K×EM-EU)-EL

式中：EM为测站蒸发器观测蒸发量，mm；WU、WL分别为土壤上层、下层实有蓄水量，mm；EU、EL、ED分别为土壤上层、下层、深层蒸发量，mm。

根据以上公式计算，总的蒸发量E=EU+EL+ED。

③分水源模块。新安江三水源模型将水源分为三种：地表径流、壤中流和地下径流。分水源模型的参数有表层土自由水蓄水容量SM、自由水蓄水量对地下水的出流系数KG、自由水蓄水量对壤中流的出流系数KI。计算公式如下：

当S+R≤SM时RS=0

RI=(S+R)×KI×FR

RG=(S+R)×KG×FR

当S+R>SM时RS=(S+R-SM)×FR

RI=SM×KI×FR

RG=SM×KG×FR

式中：S为自由水蓄水库实时蓄水量，mm；RS、RI、RG分别为地表水、壤中流、地下水出流量，mm；FR为产流面积比。

由于在产流面积FR上的自由水的蓄水容量不是均匀的，也要用抛物线蓄水容量曲线来考虑它的分布，为此引入EX的指数。

④汇流模块。单元流域汇流过程包括坡地汇流和河网汇流、河道汇流。三水源产流模型中经过水源划分得到地表径流、壤中流和地下径流，其中坡地对地表径流的调蓄作用不大，直接进入河网，而壤中流和地下径流要分别经过壤中流水库和地下水蓄水库的调节。壤中流和地下径流出流量用线型水库计算，出流系数分别为CI和CG。地表径流、壤中流、地下径流组成对河网的总入流。河网汇流采用滞后演算模型进行计算。单元流域汇流参数有CI、CG、CS、LAG四个。其中CI是壤中流出流系数，CG是地下水蓄水库出流系数，CS是河网蓄水消退系数，LAG是滞后时段数。河道汇流，用马斯京根分段连续演算法进行计算。

产汇流参数确定方法，是采用单元内代表流域实测雨洪资料率定参数的初值，再将与流域面积有关的参数进行调整，最后将干流计算流量和各单元计算流量叠加与实测流量过程比较，进行参数的统调，直到与实测过程拟合最好为止。通过软件进行方案建立，输入初始参数和方案所用站点，选取洪水进行率定。

3 洪水预报方案的建立

3.1 方案编制方法

月河流域产流方式以蓄满产流为主，符合新安江三水源模型适用条件，本次采用中国洪水预报系统平台，经过多次调试，把月河长枪铺以上断面流域作为一个单元总体，以降雨为输入条件，求得流域出口流量过程。

3.2 资料选用

按照《水文情报预报规范》(GB/T 22482-2008)，综合考虑选用长枪铺站1977年～2019年洪峰流量大于500 m3/s(本站洪水预报起报标准是500 m3/s)33年37场次的流量过程资料及对应雨量站资料(洪水过程中对应每个时段的降雨量和本次洪水过程前30天日降雨资料)作为编制方案资料，其中1977年～2013年25场资料用于方案建立、参数率定、方案评定，其中2014年～2019年12场资料用于预报方案的检验。雨量站采用流域内资料系列完整且有代表性的药王、八庙、汉阴、蒲溪、沈坝、叶家坪、大河镇、双溪、恒口、东镇、茨沟、长枪铺等12站，蒸发站采用同流域内恒口蒸发站日蒸发量资料。

3.3 产汇流模型参数率定

根据平台自动优选和人工相结合的方法，经过分析计算和与实测洪水过程的拟合，进行参数率定，使实测过程与模拟过程拟合最好时的参数作为预报方案的最终率定成果，场次率定成果见图2。

将各站资料通过txt文件格式按照站码、年月日、开始时间、结束时间、水位流量、降雨量等数据逐行排列，检查并导入数据库。按预热期(预热期，即前期影响雨量的天数，一场降雨前，流域土壤的干湿状况对此次降雨产生径流的多少影响很大，一般往前取15 d～30 d。)为30天，计算时段(计算时段长，当前可以实时监测到每一小时的流量和雨量信息，故计算时段长选用1 h。)长为1 h，预见期(预见期，制作发布洪水预报的时刻至预报洪峰流量发生所间隔的时间，一般取3 d即72 h。)为72个时段，进行率定。模型参数结果见表1。

图2 月河长枪铺站参数率定图

4 方案的评定与检验

4.1 方案的评定

按照方案的结构和模型参数，使用参加方案编制的25场次洪水过程进行评定。分别对各次洪水的洪峰流量、洪峰出现时间按照许可误差法进行评定，25次洪峰及峰现时间合格场均为18次，合格率72.0%，总的率定确定性系数为0.814，评定结果见表2、表3。按照《水文情报预报规范》的规定，洪水过程总的确定性系数达到0.7以上为“乙”等，因此根据确定性系数法评定，长枪铺洪水过程预报方案为“乙”等。

表1 月河流域新安江三水源模型参数率定成果表

表2 月河长枪铺站新安江模型预报方案评定成果表

表3 月河长枪铺站洪水预报方案评定表

4.2 方案的检验

按照《水文情报预报规范》的规定，许可误差取洪峰流量20%、洪现时间3 h,方案使用2014年～2019年6年洪峰流量大于500 m3/s的12场洪水进行精度检验，单场次洪水检验见图3，检验结果见表4、表5，12次洪峰合格场次为10次、合格率83.3%，洪现时间合格场次为9次、合格率75.0%，总体确定性系数为0.863，大于方案评定精度。

图3 月河长枪铺站“190910”洪水预报过程图

表4 月河长枪铺站新安江模型预报方案检验成果表

表5 月河长枪铺站洪水预报方案精度检验表

4.3 方案的总体评价

由检验表可知，方案检验精度指标稍优于评定指标。根据《水文情报预报规范》(GB/T 22482-2008)的规定方案总体评价等级为乙等，可用于发布正式预报。

5 预报方案存在主要问题及应用经验

(1)部分场次洪水洪峰流量及洪现时间误差较大模型建立使用的前期降水量受历史条件限制，大部分为四段次观测值、部分站为日雨量，率定时，系统均按平均方式处理，与实际情况有出入；流域内降雨中心可分为上游型、均匀型、下游型，洪现时间差异较大，本次构建方案开始采用划分流域率定但结果不理想，因此，部分场次洪现时间误差较大，在作业预报时可根据实际加以调整以提高精度。

(2)人类活动对预报精度产生较大影响。月河流域小型库塘众多，人为调节影响较大。尤其是汛初第一场洪水影响很大，预报结果比实际出现值偏大明显，在实际应用中应根据前期降水和库塘蓄水情况人为干预。

(3)预报模型中参数率定时，均采用历史资料且为大概率综合情况，这与实际情况将有所差异。在作业预报中，应充分考虑流域现状变化调整预报结果，提升预报精度。

(4)蓄满产流模型没有考虑超渗产流，如果雨强过大预报的洪峰可能偏小，需在实际应用中加以修正。

6 结论及建议

月河长枪铺水文站新安江三水源方案，采用实时时段降雨和历史降雨情况，链接数据库，自动预报结果，比传统人工降雨径流等方法效率、精度得到明显提高。根据上述情况，在实际工作中，为提高预报精度，正确使用本方案，提出以下建议。

(1)当流域出现汛初第一场较大降雨或前期久旱后较大量级时，作业预报时，要根据各库塘蓄水情况，减小预报洪峰量值、洪现时间延后。

(2)在作业预报时应充分考虑当前河道流量(底水)。

(3)汇流时间受前期土壤饱和程度、河道底水、暴雨强度及暴雨中心位置等因素影响,汇流时间各异。具体要根据降雨中心主雨结束时间分析，上游型主雨结束到洪峰出现为6 h～12 h、均匀型为9 h～12 h、下游型为3 h～6 h。

(4)预报时如流域降雨持续，应根据预报雨量及结束时间，人工增加雨量并调整洪现时间，以提升预报精度。