半分布式新安江模型在石家庄西部山区小流域洪水预报中的应用

□刘 郁

石家庄市位于河北省中南部，跨太行山地和华北平原两大地貌单元，辖区总面积20235km2。石家庄市境内河流分属海河流域大清河水系和子牙河水系，主要行洪河道7条，分别为北部的沙河、磁河，中南部的滹沱河、冶河、洨河、槐河、泲河。西部山区上游支流较多，小流域（流域面积小于200km2的流域）因流域面积小、坡降较陡及河道的调蓄能力小的原因，洪水具有持续时间短、涨幅大、洪峰高、预报难度大等特点。

近年来，我国大江大河的防洪减灾工作已逐步完善，但山区小流域洪水预警预报工作尚处于初步阶段。2012年国务院出台相关规划总结中小河流的基本情况和致灾原因，要求开展全国中小河流和小流域站点的预警预报服务相关工作。目前，相关部门逐步展开了一系列山洪灾害防治工作，但针对山洪灾害的预警预报技术尚处于初步阶段，山洪灾害的防治建设工作依然是未来工作的重中之重。

1 .典型区域选择

此次选择滹沱河支流柳林河流域为典型区域进行研究。柳林河发源于石家庄市平山县西北部骆驼岸，经秋卜洞、上观音堂、下刘家坪、柏岭等村，自北向南经建都口村入滹沱河汇岗南水库，河流长43km，河源骆驼鞍村高程约1110m，河道纵坡20.8‰，流域平均宽度4.1km，流域面积为191km2，多年平均降水量591mm。柳林河上游无较大水利工程，下观音堂上游1km处有小型拦河坝发电使用。流域下游建有国家基本站刘家坪水文站，该站以上集水面积140km2。刘家坪站以上流域概况如图1所示。

图1 刘家坪以上流域概况图

2 .半分布式模型的建立

2.1 模型原理

目前刘家坪水文站共有两套预报方案，分别为降雨径流经验相关方案和新安江模型方案，方案对“20210721”和“20211006”两次洪水预报成果精度较差。这两套方案都是采用集总式流域水文模型，虽然各有不同的结构和参数，但最基本的原则是将流域作为一个整体单元进行模拟，尽可能地用有物理意义的参数描述流域特征的空间不均匀性，未充分考虑模型输入的空间分散性和不均匀性。所以，集总式流域水文模型一般不具备从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均匀的功能，因此会对流域径流的形成造成影响，使其在模拟流域降雨径流过程中存在局限性。

传统新安江模型采用蓄水容量—面积分配曲线来解决土壤缺水量不均匀问题，但这种考虑下垫面因子空间分布不均的方法是一种统计方法，不能反应下垫面因子真实空间分布情况。因此，为了更好地反应流域内下垫面因子空间分布真实情况，可以将流域按照地形、地貌和水文站网划分为若干的子流域单元，各单元有不同的产、汇流参数，采用历史水文资料进行模型参数率定，各单元子流域计算成果对整个流域进行叠加，形成半分布式新安江模型。

2.2 系统简介

洪水预报系统是由水利部研发建设的水情预报软件，是一套具有通用性强、功能全面、操作简便的洪水预报系统。项目开发主要依托于洪水预报系统，方案构建、方案参数优选、方案精度评定及方案实时预报均集总在该系统，大大节省了洪水预报时间。

洪水预报流程大体分为制作预报方案和进行作业预报两大步骤；洪水预报系统功能由计算机软硬件环境、预报模型、预报方案、模型参数率定、实时预报和实用模块6部分组成。具体系统操作不再赘述。

2.3 预报方案评定

洪峰预报许可误差：降雨径流预报以实测洪峰流量的20%作为许可误差；洪峰出现时间预报许可误差：许可误差小于3h或一个计算时段长，则以3h或一个计算时段长作为许可误差。径流深预报许可误差：径流深预报以实测值的20%作为许可误差。

多次预报总体的合格率表达式为：

式中：

QR—合格率（取1位小数），%；

n—合格预报次数；

m—预报总次数。

2.4 预报方案构建

2.4.1 子流域划分

柳林河流域成羽状分布，流域上游至下游地形和下垫面条件存在明显差异，因此，将流域划分为3个子流域，分别为流域上游区间，集水面积为49km2；流域中游区间，集水面积为64km2；流域下游区间，集水面积为27km2；如图2所示。

图2 刘家坪以上流域子流域划分图

2.4.2 雨量站选用

经雨量资料分析，刘家坪水文站以上区间内有骆驼鞍、秋卜洞、观音堂、大坪和刘家坪共5站雨量资料，可以进行洪水预报方案的构建。流域上游区间包含骆驼鞍、秋卜洞2个雨量站，流域中游区间包含观音堂、大坪2个雨量站，流域下游区间包含刘家坪1个雨量站；雨量站布设均匀，单站控制面积小于35km2，可满足编辑洪水预报方案要求。

2.4.3 水文站选用

刘家坪水文站为流域的出口断面，其具有多年流量整编资料，可以进行洪水预报方案的构建。刘家坪水文站1971年建站，建站以来最大流量为685m3/s（1996年8月），根据雨量资料系列，结合流域下垫面变化情况，选用1996年和2000年之后流量大于10m3/s的年份进行分析，共有1996、2006、2007、2016、2021共5年流量资料参与计算。

3 .模拟结果及精度评定

采用5年间6场暴雨洪水资料对流域进行模型参数率定，利用单纯型法进行计算机自动优选，优选次数1000次，率定结果见图3，场次洪水统计表见表1。按照预报规范评定，率定期洪峰合格率为83%，洪量合格率为83%，峰现时间合格率为100%，精度较高。

表1 刘家坪站预报方案率定场次洪水统计表

图3 刘家坪站场次洪水率定结果图

4 .结论

为了更好地反应流域内下垫面因子空间分布的真实情况，项目将柳林河流域按照地形、地貌和水文站网划分为3个子流域单元，各单元有不同的产、汇流参数，根据历史水文资料进行模型参数率定，洪水过程拟合较好，场次洪水洪峰、洪量和峰现时间的模拟精度较高，和传统集总式新安江模型相比，各项精度指标均较高。

由于中小河流近些年没有较大洪水过程等原因影响，仅有6场场次洪水满足编制方案要求，未能达到规范标准，建议在以后工作中应注重积累资料及时进行方案修订。

半分布式新安江模型在柳林河流域适用性较好，可以作为典型区为解决无资料地区小流域预报提供区域化参数移植，无资料流域与柳林河流域的地理位置相近、地理特征相似，即可直接移用刘家坪站率定后参数值，部分参数可根据无资料流域实际特征进行适当修改。□