新安江模型在蕉坑(二)水文站洪水预报中的应用研究

刘 玉 马 宇

(1.广东省水文局汕头水文分局，广东 汕头 515041；2.黄河水利委员会黄河水资源中心，河南 郑州 450003)

螺河发源于莲花山脉的陆河县南万镇境内三神凸东坡，全长102km，流域面积1356km2。上游山区植被情况较好，大部分为林木荒草覆盖；中、下游草木稀少，水土流失严重；下游地势低洼，受潮水顶托，涝渍灾害较严重。因此，进行蕉坑站洪水预报研究对陆河县、陆丰市防洪减灾工作具有积极意义。

目前国内外开发的水文模型众多，根据模型构建基础可以分为基于物理的模型、概念性模型及黑箱模型。我国自主研发的概念性新安江模型得到了国际上的广泛认可，并且在我国湿润及半湿润地区得到了广泛的推广应用[1]。螺河流域地处粤东沿海暴雨高区，平均年径流量为19.02亿m3，平均年降雨量为2140mm。多年的研究和实践表明，此类气候地区的降雨产流机制主要是蓄满产流，江河常年水量丰沛，具备新安江流域模型和马斯京根河道模型的应用条件。本文基于广东省建立的中小河流洪水预报预警平台，应用新安江模型编制了螺河蕉坑站洪水预报方案，并对方案精度的影响进行了分析研究。

1 方法与数据

1.1 新安江模型

新安江模型由河海大学赵人俊教授设计,是国内第一个完整的流域概念性水文模型。20世纪80年代中期，借鉴山坡水文学概念及国内外产汇流理论提出了三水源新安江模型。三水源新安江模型将净雨划分成地面径流、壤中流以及地下径流，其中地面径流采用单位线进行汇流计算，壤中流和地下径流经过线性水库的调蓄分别作为壤中流出流和地下水出流[2]。

1.2 研究区概况

蕉坑水文站于1955年3月9日由广东省水利电力厅在广东省陆丰县(现陆丰市)河东镇蕉坑村设立，位于螺河中下游。1980年，因站网改造，蕉坑站基本水尺断面迁往上游410m处，并改名为蕉坑(二)水文站。蕉坑(二)水文站的集水面积为1104km2，螺河干流的弯曲指数为2.0，河床比降为2.69‰。该站为收集螺河水文资料，结合螺河流域开发、水质监测及水情需要、水资源服务、水利工程服务而设，属于二类精度站，主要任务为水位、流量、降雨量、蒸发、墒情、水质监测等。蕉坑(二)水文站流域概况见图1。

图1 蕉坑(二)站以上流域概况

1.3 数据选择及处理

蕉坑(二)站以上闭合流域共有多个雨量站和水文站，经对已有资料进行分析，河口、罗经坝、万全、丁洋、南告、各安、麦湖、青年、屯埔、下葫10 站的雨量数据较为可靠，平均控制面积110km2，且在流域内的空间分布较为均匀[3]。采用泰森多边形法得到各雨量站权重，进而求取流域平均雨量。雨量站权重见表1。

表1 蕉坑(二)站流域雨量站网权重

选用蕉坑(二)水文站1999—2014年平均逐月蒸发的均值作为模型计算资料，见表2。

表2 蕉坑(二)水文站1999—2014年平均逐月蒸发量

《水文情报预报规范》(GB/T 22482—2008)要求预报方案编制使用不少于10年的水文气象资料，应选取大、中、小洪水各代表性年份，且湿润地区洪水场次不少于50次。因此选取1971—2005年资料作为率定期，考虑优先选择雨洪关系较好场次洪水，从中选取大、中、小共50场次洪水过程样本供方案编制，选取2006—2007年2场洪水进行检验。

2 洪水预报方案构建

2.1 新安江模型建模

本文采用三水源新安江模型构建洪水预报方案，蒸散发采用三层蒸发模式计算，将土壤层划分为上层、下层和深层，产流采用蓄满产流模型，汇流采用滞后演算法。依托广东省水文局组织建立的中小河流洪水预报系统平台，根据流域特性确定模型的输入、输出，在此基础上确定模型结构，进行模型率定、校核，增加模型方法、作业预报和方案管理等[4]。

蕉坑(二)水文站以上为闭合流域，产流采用蓄满产流模型，汇流采用三水源滞后演算法。方案计算步长为3h，预见期为24h，流域圈画面积为1104km2。多年综合水位流量关系见图2，蕉坑(二)水文站模型预报结构见图3。

图2 蕉坑(二)站多年综合水位流量线

图3 蕉坑(二)站模型预报结构

2.2 模型参数率定及结果

采用自动优选与人工调参相结合的方式率定参数，部分率定过程见图4、图5和表3，图中蓝色实线为实测流量，红色实线为人工率定流量，率定参数见表4。

图4 1973090220编号洪水率定过程

图5 41990091105编号洪水率定过程

表3 蕉坑(二)站新安江模型方案评定

表4 蕉坑(二)站新安江模型参数

3 洪水预报方案分析

根据新安江模型参数模拟计算各次洪水样本流量过程，统计洪峰流量、峰现时间、过程水量的相对误差。由表4可知，蕉坑(二)水文站50场次洪水样本中，洪峰平均相对误差为22.11%，次洪产流量平均误差为20.25%,平均过程确定性系数为0.76，根据《水文情报预报规范》(GB/T 22482—2008)，为乙等方案。

在近期的实际作业预报中，尝试用此方案进行作业预报，选择2018年1场洪水样本对方案进行验证。用该方案模拟20180830洪水，计算结果为8月31日12时出现洪峰流量3196m3/s，实测8月31日12时出现洪峰流量2810m3/s，预报峰现时间与实测时间一致，基本可以满足作业预报使用。实时作业预报结果见图6。

图6 蕉坑(二)站20180830场次洪水预报结果

本次预报精度为乙等，经过分析有以下几点原因：一是由于选取历史资料时间跨度较大，流域内下垫面条件变化及河道断面变化对水文过程都有较大的影响，城镇化对流域下垫面的改变,使洪水特性较天然流域发生较大变化[5],因此通过一套模型参数来代表长时间多方面的流域特性，存在一定的不合理性。二是本站历史洪水资料的洪峰流量大多相对较小，在相对误差计算时对方案整体误差评定影响较大。三是多年来站点上下游水库、水闸的建设已破坏天然河道产汇流环境，部分历史场次洪水资料受水利工程人为调控影响，出现了回水顶托[6]等情况，因此进一步降低了方案的确定性系数。在实际工作中，应当根据流域洪水特点建立不同预报方案，结合预报员长期经验，针对洪水实时特点，交互调整不同方案及参数进行作业预报，才能更好地提高洪水预报效果。

4 结 语

本文以螺河蕉坑(二)水文站为例，研究了洪水预报方案编制中新安江模型的应用过程，并且在实际洪水作业预报中对本方案进行了进一步检验。洪水预报方案的建立其实是从众多历史资料中寻找预报流域的水文特性的工作，模型参数就是流域水文特性的概化，然后通过这些模型参数预报流域水文过程。但是，实际流域水文过程复杂多变，受诸多条件影响，传统的由一组模型参数组成的预报方案很难准确地预报水文过程。谌洁等[7]指出近年水文学研究中均假定水循环的大气过程、产流过程和汇流过程基本是渐变和缓变的，即服从水文一致性假定。但随着全球气候条件的不断变化、人类活动叠加的影响，越来越多的研究成果表明，水文现象不确定性增加，一致性遭到破坏。建立在一致性假定基础上的传统径流预报方法，预报精准度受到重大影响。

目前，在蕉坑(二)站实际工作中采用了多种预报方案，并结合历史经验和雨洪条件进行作业预报。基于本次分析及日常工作经验，可以通过对历史洪水的暴雨中心、降雨过程、上下游洪水特征等条件进行分类，来建立不同预报方案，组成预报方案集，在进行实时洪水预报中根据当前雨洪特点选用不同预报方案集，得到集合预报结果。并且可以将新场次洪水进行分类，不断更新方案集，进而降低流域特性变化、洪水资料对方案预报精度的影响。集合洪水预报，可作为蕉坑(二)水文站洪水预报发展研究的方向之一。