基于三水源新安江模型的三河口水库洪水预报

吴 锐 马 峰 冯亚鹏

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司,陕西 西安 710011)

三河口水利枢纽是引汉济渭调水项目的主干工程之一,是陕西省引汉济渭工程调水项目的调蓄中枢,水库于2019年底下闸蓄水,相对于施工建设期,其承担的防洪兴利任务更为突出。洪水预报作为重要的防洪非工程措施,在水库调度管理中发挥着重要作用。准确预报入库洪水,对于支持三河口水库防洪度汛、指导水库科学调度,保护下游地区行洪安全具有重要意义。在三河口水利枢纽施工阶段,流域洪水预报采用经验相关法以及水文模型进行洪水预报。经验相关法使用便捷,但难以考虑降雨及下垫面条件的空间分布不均匀性,同时由于初期流域径流资料有限,施工期构建的水文模型模拟精度不高[1]。随着水利信息化推进,流域水文模型已成为水库实时洪水预报调度的核心模块,因此,需在水利信息化平台基础上建立流域水文模型,作为水库水情自动测报系统的核心。目前,国内外广泛应用的流域水文模型有美国的SAC模型[2]、中国的新安江模型[3]和英国的TOPMODEL[4],在湿润与半湿润地区,应用最为广泛的模型仍为新安江模型[5]。鉴于此,综合考虑三河口水库流域资料、地形及所处环境,选择应用新安江模型建立洪水预报模型,为三河口水库洪水预报和科学调度提供技术支撑。

1 流域概况以及研究方法

1.1 流域概况

子午河系汉江上游北岸的一级支流,子午河流域地势北高南低,主峰秦岭梁海拔2965m,流域主要为土石山区,植被良好,林木茂密,森林覆盖率达70%,子午河流域属北亚热带湿润、半湿润气候区,四季分明。子午河径流主要由降雨形成,水情随降雨变化明显。河流上游由汶水河、蒲河、椒溪河汇合而成,主源汶水河发源于宁陕、周至、鄠邑区三县交界的秦岭南麓,三条河流汇合后称子午河。三河口水库坝址位于汉中市佛坪县大河坝镇三河口下游2km处,总库容为7.1亿m3,坝址处河床高程为525m,坝顶高程为646m。坝址以上河长106km,控制流域面积2186km2,占子午河流域面积的72.6%。流域多年平均年降水量为891mm,降水主要集中在汛期,5—10月降水量占全年降水量的84.4%。三河口水库流域水系见图1。

子午河流域自1959年起,先后设立了多个雨量站,各测站的位置见图1。1963年3月设立了两河口水文站;为三河口水利枢纽工程建设需要,2010年4月在水库大坝下游设立大河坝水文站,观测水位、流量、降水量。

1.2 研究方法

三水源新安江模型是一个分散参数的蓄满产流概念性模型[6]。根据流域具体特点以及下垫面的水文、地理情况,将流域分为若干个单元面积,再将每个单元面积计算的流量过程演算到流域出口,最后叠加起来即为整个流域的流量过程[6],每个单元流域的计算流程见图2。

模型各参数物理意义以及取值范围[2]如下:

a.K值为蒸散发能力折算系数,此参数控制总水量平衡。

b.WM为张力水蓄水容量。分为3个部分,即上层张力水蓄水容量WUM、下层张力水蓄水容量WLM和深层张力水蓄水容量WDM。WM取值范围为100～170mm,WUM多林地可取20mm,WLM通常取值范围为60～90mm。

c.C为深层蒸散发系数,此值范围为0.08～0.18。

d.B为张力水蓄水容量曲线指数的方次,与流域面积F有关,本流域取值在0.4左右。

e.IM为流域不透水面积的比例,对于天然流域,此值范围在0.01～0.02左右。

f.SM为表层土自由水蓄水容量,一般流域为10～20m左右。

g.EX为表层自由水蓄水容量的方次,由表层自由水蓄水条件的不均匀性分布决定,其取值范围一般为1.0～1.5。

h.KG为表层自由水蓄水量对地下水的出流系数,KI为表层自由水蓄水量对壤中流的出流系数,两者之和表示自由水出流的快慢。当流域面积F在1000km2左右时,从降雨停止到壤中流停止的时间一般为3d左右,相当于两者之和为0.7。

i.CS为线性水库地表径流消退系数,由河网地貌决定。

j.CI为深层壤中流消退系数,当壤中流很丰富时,此值为0.9左右。

k.CG为地下径流消退系数,以天为时段时,此值范围一般为0.95～0.998。

l.XE为马斯京根河段汇流传播时间,KE为马斯京根河段流量比重系数。

区域输入的面雨量信息是根据区域内雨量站观测的信息及其所占权重计算得到的,本次模型中流域单元划分采用泰森多边形法进行。划分出的每个单元,其计算主要分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算四个层次[1]。模型各层次结构的功能,计算采用的方法和参数见表1。

表1 新安江模型各层次结构功能、计算方法和相应参数

2 参数率定

2.1 水文资料来源

采用的实测流量资料为大河坝水文站历史摘录资料,以及三河口水位站2017—2021年水位资料。洪水资料整编分为三个阶段:2010—2015年,由于三河口水库尚未开建,采用大河坝水文站洪水流量摘录资料,进行历史洪水场次的摘录、参数率定、模拟和检验;2016—2019年,三河口水库开始建设,受围堰影响,采用坝址围堰处水位资料和大河坝水文站实测洪水摘录资料,利用三河口水库的水位库容关系进行实测入库洪水过程还原计算;2020—2021年,三河口水库具有调蓄能力,采用三河口水库水位资料和大河坝监测洪水摘录资料,利用三河口水库的水位库容关系进行实测入库洪水过程还原计算。

2.2 水文资料“三性”审查

流域代表站资料均为整编后的水文年鉴刊印成果,流域上下游各代表站径流模数相差较小,流域各测站历年断面变化较小,水位流量关系稳定,资料可靠性较高。

本次采用了水库下游两河口水文站、大河坝水文站及流域内各雨量站资料,经现场踏勘调查及测站沿革考证,水文站无断面迁移,测验方式方法虽有变化,但都进行了同期不同方法比测,资料年限内无跨流域调水工程,分析流域代表站两河口站年径流深与年降水量的关系,其变化趋势不明显,资料一致性良好。

对选用的资料系列较短的雨量站资料,采用相距较近、资料完整的雨量站进行了相关分析插补。以年降水量逐年向前计算累积平均值和变差系数,流域内各站降水量丰枯变化规律基本一致,从统计参数稳定性分析,各站雨量和水位流量资料系列具有足够的代表性。

2.3 模型参数率定方法及结果

率定期为2010—2019年,期间共有27场历史洪水。根据水文资料及其他情况综合考虑,采用自动优化算法和人机交互率定相结合来率定本模型参数。

自动优化算法根据模型参数的取值范围,利用实测流量资料和计算流量过程,通过计算结果和实测结果之间的差值系列,来优化算法,根据目标函数结果,通过优化迭代,最终率定出一组具有计算结果的模型参数。自动优化算法采用单纯形法[7]及SCE-UA方法[8]。为避免参数超出模型参数合理的取值范围,导致率定出的参数不能用于模型检验,结合人机交互进行控制调整;人机交互率定通过不断调整模型参数,对比率定期历史洪水模拟精度以及模拟合格率来判断参数是否合适。在调整参数过程中,按照模型参数的敏感性,根据模型参数对洪水过程不同阶段影响的大小程度,以及历史洪水模拟中初始值的情况,进行不断调整,以满足精度和预报方案结果评定的要求。 参数率定结果见表2。

表2 三河口水库流域新安江模型参数率定结果

3 结果分析

3.1 精度评价方法

根据《水文情报预报规范》(GB/T 22482—2008)的误差评定要求,精度评定的项目包括洪水径流深、洪峰流量、相应时间等预报要素。对率定结果进行评价,三项要素指标均在误差许可范围内,模拟洪水过程方可判定为合格。各要素相对误差的许可范围分别为:径流深预报以实测值的20%作为许可误差;洪峰出现时间以预报时间至实测洪峰出现时间差值的30%作为许可误差,当许可误差小于3h时,则以3h作为许可误差;洪峰流量预报以实测值的20%作为许可误差。

3.2 率定期及检验期结果

率定期(2010—2019年)共有27场历史洪水资料,检验期(2020—2021年)共有7场历史洪水资料。34场历史洪水率定和检验结果见表3和图3。

表3 三河口水库流域新安江模型模拟结果综合评价

图3 洪水过程

由表3可知:

a.率定期27场历史洪水有26场合格, 27场洪水中,径流深预报最大相对误差为17.3%,平均值为2.9%;洪峰预报最大相对误差为-17.6%,平均值为-2.1%;洪峰出现时间最大误差为3h。率定结果均在误差许可范围内。确定性系数最大值为0.980,最小值为0.570,平均确定性系数为0.900,预报合格率96.3%。

b.检验期7场历史洪水全部合格。其中,径流深预报最大相对误差为6.4%,平均值为-1.2%;洪峰预报最大相对误差为-5.7%,平均值为-2.0%;洪峰出现时间最大误差1h。检验结果均在误差许可范围内。确定性系数最大值为0.988,最小值为0.944,平均确定性系数为0.960,预报合格率100%。

根据《水文情报预报规范》(GB/T 22482—2008)的相关评定规定,在率定期和检验期,模拟结果的合格率和确定性系数均达到甲等。故三水源新安江模型应用于三河口水库流域的预报方案精度达到了甲等。

4 结 语

通过2010—2021年期间34场历史洪水的率定与检验分析,新安江模型在三河口水库流域洪水预报中精度达到甲等,该模型预报结果可为三河口水库防洪调度提供技术支撑。在模型建立过程中,历史资料采用大河坝水文站的流量资料,大河坝水文站2010—2015年属正常河道测流,2016—2019年因围堰调蓄,2020—2021年因大坝调蓄,调蓄阶段洪水资料是根据水库水位和出库实测流量反推计算得到的,与天然洪水过程有一定的差别,对模型的参数率定和检验有一定影响。因此,在实时预报中,发现出库流量信息和坝上水位信息有较大偏差时需及时修正,以避免较大的预报误差出现。该模型的建立,是基于有限的历史资料,经过分析计算确定的一般规律。在后期实际应用中,在积累更多洪水资料后,将进一步对预报方案进行验证,不断优化完善预报模型,提高其可靠性。