不同水文模型在柴河水库汛期洪水预报中的对比分析与应用

薛海波

(辽宁省柴河水库管理局有限责任公司，辽宁 铁岭 112000)

水文模型是为模拟水循环过程而构建，是水文科学研究的重要手段与方法之一，流域水文模拟经历了由系统模型到概念性模型再到物理模型、由集总式模拟到分布式模拟的发展历程，每种模型都有各自的理论与应用特点。对于一个特定流域，如何选择最适合的水文模型是水文过程模拟的关键。为此，本文选定辽宁省柴河水库以上流域为研究对象，应用目前在辽宁地区具有代表性的大伙房(DHF)模型和辽宁指数模型水进行洪水预报，并对2种模型进行了分析比较。

1 研究区域概况

柴河起源于辽宁省清原县北乐山岔，是辽河干流左侧的一个较大型支流，柴河水库控制面积1355km2，水库以上河流长度123.5km。柴河流域降雨年际、年内、场次分配不均。流域多年平均降雨量为737mm。系列最大值1185.2mm(2010年)，最小值为493.6mm(1997年)，其比值为2.4。全年降雨主要集中在6—9月份，占到全年降雨总量的75.0%.

2 洪水预报模型

2.1 大伙房模型(DHF模型)

大伙房洪水预报模型(简称为DHF模型)于1973年由辽宁省大伙房水库管理局提出。在东北地区得到了广泛应用，并取得良好的效果。DHF模型分为产、汇流2部分，产流部分是根据超渗产流原理，采用双层入渗曲线进行扣损计算；汇流部分是变强度、变速度的经验单位线汇流计算模型。

2.2 辽宁指数模型

辽宁指数模型是由辽宁省水文总局提出的一种基于蓄满产流模式的水文预报模型，参数简单、效果较好，在辽宁地区大范围使用。辽宁指数模型共由蓄满产流和经验单位线汇流2个部分组成。其中有4个蓄满产流模型参数，利用柴河水库降雨径流相关曲线计算产流；使用综合单位线进行汇流模拟结果的计算。

3 模型应用

3.1 DHF模型参数率定

DHF模型在超渗产流预报基础之上，建立起经验单位线汇流模型计算公式如下：

(1)

由于我国北方流域具有典型的特点，参数率定过程需在DHF模型中引入蒸发计算，选择合适的取值区域，以保证参数真实可靠。利用人工优选与遗传算法相互结合的方法来进行反复迭代，最终选取出最优参数值，具体见表1。相应的蒸发参数见表2。

表1 大伙房模型产流参数率定结果

表2 大伙房模型蒸发参数

3.2 辽宁指数模型参数率定

辽宁指数模型以蓄满产流为机理，产流的计算公式如下：

(2)

(1)降雨量、流量资料采用1975—2013年系列，其中1981年以后入库流量资料采用水量平衡法反推求得。

(2)流域平均雨量采用各雨量站算术平均值或加权平均值。

(3)径流深计算为入库洪水过程割去基流和前期退水过程，用累积法计算。

(4)流域内蒸发量采用清原、铁岭站资料。

(5)流域土壤蓄水量，流域蓄水量采用双层扣损法计算。从5月1日起算，初始值为60mm。

(6)降雨径流相关图。鉴于原参数的准确性与稳定性，仍采用柴河水库原参数值。

利用矩法和极大似然法，并参考柴河水库的经验来进行最终的参数优选，经过反复迭代得到率定结果见表3—4。结合柴河水库在实际运用中的经验总结，所选参数取值均在在合理范围内，认为参数值合理可靠。

表3 辽宁指数模型产流参数率定结果

表4 辽宁指数模型蒸发参数

4 结果对比

依据GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》的要求，判断水库洪水预报精度。

4.1 DHF模型和辽宁指数模型模拟精度分析

根据DHF模型和辽宁指数模型参数列表，采用选定的25场历史洪水数据模拟柴河水库的产流情况，模拟结果汇总见表5。

表5 DHF模型和辽宁指数模型产流结果

根据表格中的计算结果，DHF模型洪水产流计算合格率仅为64%，未达到甲级预报水平，模拟结果不理想。预报净雨值比实测净雨值平均偏大约6.13mm，其中存在的误差并非是偶然误差，而是系统误差。

根据图表中的数据，辽宁指数模型产流预报结果合格率为92%;预报净雨值与实测净雨值较为接近，平均偏大约1.82mm，模拟预报效果较好。

4.2 产流结果对比分析

基于DHF模型和辽宁指数模型模拟柴河水库洪水实例，产流计算结果分析如下。

(1)DHF产流模型的预报净雨大于实测净雨，产流合格率较低仅为64%，说明存在系统误差；不合格的9场洪水降雨前期土壤含水量均不高，其中6场洪水模拟净雨值集中在20～50mm之间，实测洪峰流量和洪水总量均未超过5年一遇标准(19940807场次洪水的洪峰流量略小于5年一遇标准)，说明大伙房模型不适用于柴河流域的小洪水产流预报。

(2)辽宁指数模型的预报净雨与实测净雨较为接近，预报合格率为92%，模拟预报效果较好。大洪水19950725产流误差为1.5mm，19940816洪水产流误差0.9mm，误差均较小。预报不合格的场次洪水均为当年第一场较大降雨，可能前期土壤缺水量大，实际产流量较小，导致预报值偏大较多。

4.3 辽宁指数模型汇流结果

基于以上产流计算结果，选择使用辽宁指数模型进行下一步的汇流模拟计算。汇流计算使用到的计算方法为谢尔曼时段单位线，按照雨强、雨量、时空分布等不同的分类指标进行汇流的模拟预报。计算结果见表6。

表6 辽宁指数模型汇流结果

上述汇流结果表明。

(1)对于频率大于5年一遇标准的洪水，8场次中有7场预报结果合格，合格率为87.5%；19950725场次洪水降雨较大，达到了100年一遇洪水标准，洪水产汇流预报误差较小，洪峰流量预报值3332m3/s接近实际值3310m3/s，峰现时间无误差，使用辽宁指数模型模拟柴河流域大洪水取得良好效果。

(2)对于频率小于5年一遇标准的洪水，17场次中有13场预报结果合格，合格率为76.5%，虽然满足预报要求但没有达到理想的效果。产生这种结果的原因主要是柴河水库作为多年调节的大型水库，调蓄洪水能力比较强，小洪水对流域整体以及水库安全产生的影响较小。

5 结论

(1)基于超渗产流的DHF模型不适用于柴河流域水库洪水预报。原因为模型存在系统误差，可能是由于原始资料误差引起，也可能是在进行计算的过程中选取的模型与流域拟合度不高而产生。

(2)基于蓄满产流的辽宁指数模型适合模拟柴河流域水库洪水预报。产流预报合格率达到92%，且降雨量级越大，预报精度越高；汇流预报合格率达87.55%，产汇流预报均为甲级预报水平，较大洪水的洪量预报误差均较小，满足预报调度方式的要求。

(3)辽宁指数模型在小洪水的应用中存在不足。小于5年一遇标准的小洪水预报中，虽然满足预报要求但没有达到理想的效果，需要在以后的研究中进一步优化模型参数。

(4)本文属于对柴河水库汛期洪水预报的探索性研究，后续可以在本文基础上，就汛限水位动态控制在水库实时调度中的应用问题进行更加深入的研究。