南汀河流域不同时间尺度洪水预报模型分析

刘楚文

（云南省水文水资源局保山分局，云南保山 678000）

1 概述

短期水文预报是指预见期在3 天以内的水文预报[1]。成功的短期水文预报对防汛抗旱以及水库等水利工程的综合利用有着十分重要的意义，然而，由于高原山区中小河流预警预报条件复杂，降雨径流等自然现象的不确定性大，加之人类活动的影响，使得其预报精度较低，难以有效指导生产实践。因此，提高短期水文预报的精度，使其更好地应用于生产实际，具有重要的经济意义。

2 基本情况

2.1 流域概况

南汀河属怒江一级支流，发源于临沧县博尚水库东侧凉山，源地高程2320m，干流河长272.9km，落差1860m，平均比降2.9‰，集水面积8208km2。干流沿途流经临沧县、云县、永德县、镇康县、耿马县及沧源县。上游由众溪流汇合而成，过博尚水库后由南向北流入临沧县境内，经云县，转向西南流，出云县后为永德县与耿马县的界河，后为镇康县与耿马县界河，在耿马县孟定农场东北方进入耿马境内，过孟定坝在耿马县清水河农场以南出境，出境处高程460m。在耿马县孟定镇姑老河村设有姑老河水文站，集水面积4185km2。

2.2 水文气象

流域地处滇西中亚热带低纬山地季风气候区，具有冬春干燥、夏秋湿润、干湿季分明的气候特点。每年11 月至次年4 月，在高空强盛大陆性干燥偏北气流的控制下，天气晴朗少雨，光照充足，蒸发量大，该期降雨量占年降雨量的20%左右；5 月至10 月由于受西南暖湿气流的影响，气温较高、雨量充沛、降水日数增多，该期降雨量占年降雨量的80%左右，其中6～8 月占全年降雨量的60%左右。

2.3 降水特性

流域汛期（5-10）月降水量占年降水量的80%，主汛期（6-9）月降水量占年降水量的65.7%。流域内降水分布不均衡，高山大于平地，迎风坡大于背风坡，年降水分配明显不均，降水量大多集中在5～10 月，按流域地理位置和降水量分布，流域年降水量分布总的是由下游往中上游递增。

2.4 洪水特性

南汀河的洪水，主要是由所控制的径流区内短历时大强度的暴雨形成。根据实地调查分析，暴雨多发生在6～10 月份。洪水主要受印度洋暖湿气流及西南季风影响，加之流域内海拔高差悬殊，山高谷深，地形复杂，常形成局部暴雨，暴雨是洪水的主要成因。流域水系较发育，河网密度大，流域形状接近扇形，洪水过程较集中，径流响应快，暴雨洪水多发生在6～10 月份,为典型的山区性河流，暴雨洪水基本同频。次洪水过程一般不超过24h，起涨历时一般在0.5～3h 间，且单峰为主，峰高量小，属典型的山区性小流域陡涨陡落的洪水特性。

3 所建方案描述

3.1 模型原理

1963 年，提出湿润地区以蓄满产流机制为主，1973 年，设计出国内第一个完整的流域水文模型——新安江流域水文模型（RS、RG 二水源），1978 年，国外出版《山坡水文学》（回归流、饱和坡面流），20 世纪80 年代中期，改进设计出三水源新安江模型（RS、RI、RG）。

3.1.1 蒸散发计算

三层蒸发模式：

输入：流域面降雨量P

实测多年平均蒸发ES（蒸发能力EM=K×ES）

参数：流域蒸散发能力折算系数K

上下深三层张力水蓄水容量WUM、WLM、WDM（之和为流域平均张力水蓄水容量WM）

深层蒸散发系数C

输出：三层蒸散发量EU、EL、ED（和为流域蒸散发量E）EM=K×ES

当P+WU≧EM 时，EU=EM、EL=0、ED=0

当P+WU＜EM 时，EU=P+WU

若WL＞C×WLM 则EL=（EM-EU）×WL/WLM、ED=0

若WL＜C ×WLM 且 WL ≧C ×（EM-EU） 则EL=C ×（EM-EU）、ED=0

若WL＜C×WLM 且WL＜C×（EM-EU） 则

EL=WL、ED=C×（EM-EU）-WL

3.1.2 产流计算

根据蓄满产流的概念，采用张力水蓄水容量面积分布曲线来考虑土壤缺水量分布的不均匀问题。所谓张力水蓄水容量面积分布曲线是：部分产流面积随张力水蓄水容量而变化的累计频率曲线。

蓄满产流模式：

在满足田间持水量以前不产流，所有降雨都被土壤吸收（补充张力水，最终耗于蒸发）；在满足田间持水量以后产流，所有降雨（扣除同期蒸发，变成自由水）都产流。

输入：降雨量与蒸发量之差PE

参数：流域平均张力水蓄水容量WM

流域张力水蓄水容量面积分布曲线指数B

流域不透水面积所占比例IM

输出：流域产流量R

流域土壤含水量W（即张力水含量）

3.1.3 水源划分

由于产流面积是不断变化的，而且在产流面积上自由水蓄水容量分布也是不均匀的。因此，采用类似流域张力水蓄水容量面积分布曲线的流域自由水蓄水容量面积分配曲线来考虑上述不均匀性。所谓流域自由水蓄水容量面积分配曲线是指：部分产流面积随自由水蓄水容量而变化的累计频率曲线。

水源划分方法：

自由水蓄水库结构划分。自由水蓄水库有两个出口，一个底孔形成地下径流RG，一个边孔形成壤中流RI，其出流规律均按线性水库出流（出流量=蓄水量×某一常数）。

输入：产流量R

参数：自由水蓄水容量SM

地下水出流系数KG

壤中流出流系数KI

输出：地面径流RS

壤中流RI

地下径流RG

3.1.4 汇流计算

RS：忽略坡面汇流时间，直接进入河网形成TRS；

RI：进入壤中流水库，按线性水库的退水规律流出（消退系数CI），为壤中流对河网壤中流总入流TRI；

RG：进入地下径流水库，并按线性水库的退水规律流出（消退系数CG），为地下径流对河网总入流TRG。

3.1.5 参数

3.1.5.1 K：流域蒸散发能力折算系数，是指流域蒸散发能力与实测水面蒸发值之比。控制着总的水量平衡，对蒸散发计算进而对产流量计算的影响最为重要和敏感。包括蒸发皿到真实水面蒸发、水面蒸发到土壤蒸发能力、蒸发观测地点到流域平均蒸发能力的折算。若采用E601 型蒸发皿测的蒸发ES，则可作为EM 的初始值，K 则需要根据高程适当修订，一般随高程增加而减小。由于蒸发观测站多在流域出口断面，一般取0.8～1.2。其率定一般需要至少4 年以上资料，且应先固定其余参数，单独率定此参数，目标函数设置为多年水量平衡计算。

3.1.5.2 流域平均张力水蓄水容量，为气候参数，反映流域干旱程度。WM=WUM+WLM+WDM。

WM 率定范围：湿润地区80～150mm、半湿润半干旱地区150～200mm，也可不率定直接给定（湿润120，半湿润170）。WUM 一般5～20mm，植被很好20mm，植被很差5mm。对蒸发量计算进而对产流量计算有些影响，系统中WUMx 为WUM 占WM 的比例，视具体情况选定率定范围，一般取0.10～0.15。WLM、WDM 影响很小，WLM 一般60～90mm。WLMx 率定范围0.60～0.90（WLMx 为WLM 占（WM-WUM）的比例）。

3.1.5.3 C：深层蒸散发系数，取决深根植物覆盖面积占流域面积的比例。植被根系越发达深层蒸发越大，一般取0.1～0.2。

3.1.5.4 B：张力水蓄水容量面积分布曲线指数，为地形地质参数，反映流域张力水蓄水分布的不均匀程度，一般取0.1～0.5。流域内地形地貌地质情况差异越大，值越大；流域越大，值越大。很小流域（几km2）值为0.1 左右，中等流域（100～1000km2）的为0.2～0.3 左右，较大面积（数千km2）的值为0.4 左右。

3.1.5.5 IM：为不透水面积占全流域面积之比。干旱期降一场小雨，所产生的小洪水认为完全是不透水面积上产生的，其径流系数即IM。天然流域0.01～0.02，城市区、水面沼泽区较大，一般取0.01～0.05。

3.1.5.6 SM：流域平均自由水蓄水容量，反映表层土（即腐植土层）的蓄水能力，植被越好土层越厚，值越大。但受降雨资料时段均化影响明显，时段越短SM 越大，因为时段越短越不容易产生地表径流。其不但决定了地表径流的多少，影响洪峰形态，且对地表径流与地下径流的比重起决定作用。日模一般取10～20，次模一般取20～50。

3.1.5.7 EX：自由水蓄水容量面积分布曲线指数，反映流域自由水蓄水分布的不均匀程度，大体反映了饱和坡面流产流面积的发展过程。其值一般取1.0～1.5，由于不敏感且变幅不大，可取定值1.5。

3.1.5.8 KG、KI：自由水蓄水库对地下径流和壤中流的出流系数，是并联的。KG 反映基岩和深层土壤的渗透性，KI 反映表层土的渗透性。KG+KI 代表自由水出流的快慢，KG/KI 代表地下径流与壤中流之比（RG/RI），对具体流域一般都为固定值。

一般雨止到洪水消退历时为3 天，则[1-（KG+KI）]3≈0 可得KG +KI=0.7。当历时超过3 天时，表示深层壤中流在起作用，则不需要调整KG+KI 值，而用壤中流消退系数CI 来处理。

3.1.5.9 CI：深层壤中流水库消退系数，控制壤中流退水形态，决定洪水尾部退水的快慢。如无深层壤中流时，CI 趋于零。当深层壤中流很丰富时，CI 趋于0.9，相当汇流时间约为10 天。

其作用是弥补KG+KI =0.7 的不足，对整个洪水过程的影响，远不如SM、KG/KI 明显。一般取0.1～0.9。

CG：地下水库消退系数，反映地下水退水的快慢。可根据枯季地下径流的退水规律推求，CG =Qt+△t/Qt。一般取0.950～0.999，相当于退水历时20～500 天。

3.2 方案建立

预报方案设置以姑老河水文站以上区间作为计算区域，产汇流模型分别采用蓄满产流模型和滞后演算模型，采用三水源蓄满产流模型（SMS_3）和三水源滞后演算汇流模型（LAG_3）[2]，演算至姑老河站，得到姑老河站流量过程。方案计算时段长分别为1h、2h、3h、4h、6h，方案输出类型为流量[3]。模型参数率定选用2014 年实时资料，雨量采用姑老河等55 个雨量站进行计算；蒸发为本站多年实测蒸发资料，率定出K 值，水量平衡。模型不同时段长率定的平均确定性系数分别为0.941、0.944、0.940、0.936、0.933，洪水过程拟合较好，参数取值在合理范围之内[4]。

4 典型大水描述

资料选取南汀河姑老河站2014 年汛期5 月1 日～10 月30日资料进行参数率定，最高水位和最大流量均发生在7 月22日，水位为518.40m，流量902m3/s，为1959 年6 月建站以来第三大洪水。第一大洪水发生在2007 年7 月20 日。第二大洪水发生在2001 年6 月2 日。

5 不同时间步长参数对比

固定参数WM=115.183、K=1.500、B=0.375、C=0.103、IM=0.047、EX=1.500、KG+KI＜0.90、CI=0.891、CG=0.985 后，共5 种步长的参数对比如表1 所示，CS 理论值与CS 模拟值对比如表2 所示。

表1 南汀河姑老河水文站不同步长参数对比表

表2 CS 理论值与CS 模拟值对比表

6 讨论

为研究短期水文预报时间尺度对预报精度的影响，采用新安江三水源模型不同时间尺度对洪水预报模型参数影响，选取南汀河姑老河水文站2014 年汛期5 月1 日～10 月30 日资料，时段长分别为1h、2h、3h、4h、6h 进行参数率定，经过研究分析发现，随着时间尺度增大，水文预报精度先提高后降低，呈现前面精度高后面精度低的趋势。这种趋势可能与径流序列的相关性、周期性及资料序列对干扰因素的综合作用有关。结果表明：模型不同时段长率定的平均确定性系数分别为0.941、0.944、0.940、0.936、0.933，CS 值随时段长增加而减小，SM 值随时段长增加而递减，洪水过程拟合较好，参数取值在合理范围之内，所选洪水预报模型较适合南汀河流域。