汉江黄金峡站河系洪水预报研究

顾 钊，宋淑红，席小康

（1.西安水文水资源勘测中心,陕西 西安 710068；2.陕西省水文水资源勘测中心,陕西 西安 710068）

1 数据来源与研究方法

1.1 研究流域概况

汉江是长江中游的重要支流,发源于汉中市宁强县潘冢山,流经汉中市宁强、勉县、南郑、汉台、城固、洋县、西乡7 县（区）,于西乡县茶镇进入安康市,汉中市境内集水面积19692 km2,其中黄金峡水文站以上流域集水面积17070 km2,多年平均降水量700 mm～1700 mm,属于典型的湿润地区,流域内暴雨洪水受季风影响较大,7 月～9 月易形成大洪水。汉江黄金峡以上流域水系发育、河网密度大、水利工程较多,集水面积大于100 km2的一级支流有22 条,干流设有武侯镇、汉中、洋县、黄金峡4 处水文站,主要支流设有11 处基本水文站,流域内建有石门、黄金峡2 座大型水库,另有多座中小型水库。

1.2 数据来源

本研究选择的资料为汉江黄金峡断面以上流域1995 年～2021 年汛期（4 月～10 月）整编的降雨、流量资料,从1995年～2020 年中筛选出39 场洪水,按时间前后顺序选取前29场为率定场次、其余10 场作为检验场次,分别进行场次洪水率定及模型验证；从2021 年汛期洪水场次中选取2 场典型洪水进行河系洪水预报应用分析。

1.3 研究方法

1.3.1 新安江模型

新安江模型是由赵人俊[1]教授等人提出的一种具有物理基础的概念性流域水文模型。该模型主要包括四部分：蒸散发计算、产流计算、水源划分以及汇流计算。模型采用三层蒸散发模式计算蒸发量；以蓄满产流方式计算产流量；将径流分为地面径流、地下径流和壤中流三类进行水源划分；汇流计算包括坡面汇流和河网汇流[2-3]。新安江模型对湿润地区与半湿润地区的洪水预报及径流模拟具有很好的模拟效果[4-7]。

1.3.2 垂向混合产流模型

垂向混合产流模型是包为民教授[8]提出的一种在垂向上将超渗产流与蓄满产流进行组合的流域水文模型。当流域内降雨到达地面,首先通过空间分布的下渗能力分布曲线,划分为地面径流和下渗水流；地面径流取决于雨强和下渗,为超渗产流模式；地面以下的径流,取决于前期土壤缺水量和下渗的水量,包含壤中流和地下径流,为蓄满产流模式。模型仍然采用三层蒸散发模式计算蒸发量；水源划分则按敞开式自由水箱按比例进行划分计算,坡面汇流采用线性水库计算,河道汇流采用马斯京根法[9]。

2 河系洪水预报方案构建

根据汉江汉中段干支流的洪水传播演进规律,采用新安江模型和垂向混合产流模型分别构建武侯镇、汉中、洋县、黄金峡4 处干流水文站,以及沮水河茶店、胥水河升仙村2 处支流水文站与褒河石门水库入库的单站预报方案。在单站预报的基础上,采用上断面的预报结果代替实测值进行下断面的连续预报,进一步构建了汉江源头至黄金峡的河系预报方案。

2.1 干流4 站预报方案构建

（1）汉江源头～武侯镇

将汉江源头～武侯镇区间划分为沮水河茶店站以上流域、玉带河铁锁关站以上流域、汉江源头至武侯镇站未控流域共3 个单元。沮水河茶店站以上流域、汉江源头至武侯镇未控流域2 个子区间的产流部分分别采用两种模型的产流模块计算；玉带河铁锁关站以上流域以及上述2 个子区间的汇流部分采用分段马斯京根连续演算,根据各子区间汇入河道位置,进行先合后演,逐河段演算至武侯镇站断面。

（2）武侯镇～汉中

将武侯镇～汉中区间划分为干流武侯镇站以上流域、漾家河元墩站以上流域、濂水河江西营站以上流域、褒河石门水库以上流域、武侯镇至汉中未控流域共5 个子区间。褒河石门水库以上流域、武侯镇至汉中未控流域2 个子区间的产流部分分别采用两种模型的产流模块计算；干流武侯镇站以上流域、漾家河元墩站以上流域、濂水河江西营站以上流域3 个子区间及上述2 个子区间的汇流部分采用分段马斯京根连续演算,根据各子区间汇入河道位置,进行先合后演,逐河段演算至汉中站断面。

（3）汉中～洋县

将汉中～洋县区间划分为干流汉中站以上流域、冷水河三华石站以上流域、溢水河长滩村站以上流域、胥水河升仙村站以上流域、汉中至黄金峡未控流域共5 个子区间。胥水河升仙村站以上流域、汉中至黄金峡未控流域2 个子区间的产流部分分别采用两种模型的产流模块计算；干流汉中站以上流域、冷水河三华石站以上流域、溢水河长滩村站以上流域3 个子区间以及上述2 个子区间的汇流部分采用分段马斯京根连续演算,根据各子区间汇入河道位置,进行先合后演,逐河段演算至洋县站断面。

（4）洋县～黄金峡

洋县～黄金峡区间划分为干流洋县站以上流域、酉水河酉水街站以上流域、金水河金水站以上流域和洋县至黄金峡未控流域共4 个子区间。金水河金水站以上流域子区间以及洋县至黄金峡未控流域子区间的产流部分分别采用两种模型的产流模块计算；干流洋县站以上流域、酉水河酉水街站以上流域2 个子区间及上述3 个子区间的汇流部分采用分段马斯京根连续演算,根据各子区间汇入河道位置,进行先合后演,逐河段演算至黄金峡水库坝址断面。

图1 汉江汉中段单站洪水预报拓扑结构

2.2 河系预报方案构建

以汉江干流黄金峡水文站为预报对象,根据汉江汉中段流域内子流域的上下游拓扑关系,串联组合单站预报方案,并依据历史场次洪水进一步优化单站预报中的新安江模型与垂向混合产流模型汇流参数,分别构建汉江源头、武侯镇站、汉中站至黄金峡站的河系预报方案,组合结构见图2。2

图2 汉江源头、武侯镇站、汉中站至黄金峡站河系洪水预报方案结构

.3 参数率定与结果分析

对单站次洪水分别进行新安江模型与垂向混合产流模型参数率定,茶店、石门水库、升仙村、武侯镇、汉中、洋县站选择1990 年～2014 年资料用于参数率定,2015 年～2020 年资料用于参数检验；黄金峡站选择2010 年～2018 年资料用于参数率定,2019 年～2020 年资料用于参数检验。两种模型的计算步长均为1 h。

模型参数率定采用人工优选法和SCE-UA自动优选法相结合的方式。对于土壤蓄水容量分布曲线指数B、深层蒸散发扩散系数C、流域不透水面积比例IM、土壤自由水容量分布曲线指数EX、地下水出流系数KG、地下水汇流系数CG、流域下渗率分布曲线指数BF、土壤对下渗率影响系数KF等相对不敏感参数,根据流域特征与预报经验使用人工优选法对其进行率定；对于流域蒸散发折算系统K、土壤自由水蓄水容量SM、地面水汇流系数CS和流域实际下渗率FC等敏感参数,采用SCE-UA自动优选法率定；次洪模型中张力水蓄水容量WM、上层张力水蓄水容量WUM和下层张力水蓄水容量WLM数值通过日模型计算[10]。

两种参数率定方法相结合有效避免了人工优选参数慢、参数精度低的缺点,同时可以避免自动优选参数取值不唯一、易陷入局部最优解的缺点。表1 为新安江模型次洪模拟参数率定结果,表2为垂向混合产流模型次洪模拟参数率定结果。表3 统计了两种模型的单站洪水模拟精度评定指标,表4 统计了两种模型的河系洪水模拟精度评定指标。

表1 新安江模型次洪方案参数

表2 垂向混合产流模型次洪方案参数

表3 单站洪水模拟精度评定指标统计

表4 河系洪水模拟精度评定指标统计

由两种模型的次洪模拟参数结果可以看出,7 站同处于汉江汉中段流域,年降雨量比较接近,下垫面条件大致相同,因此7 站的大部分模型参数差别不大,但是在新安江模型次洪模拟中汉中、洋县两站的土壤自由水蓄水容量SM 取值较大,这主要是由于武侯镇以下至洋县小峡口为汉江平川段,土层较厚,土壤的蓄水量较山地明显增大。

由次洪模拟精度评定结果可以看出,在率定期与检验期,单站预报与河系预报的洪峰误差、峰现时间误差的合格率以及确定性系数均达到乙等方案精度要求,表明了两种模型在汉江汉中段流域具有较好的适用性,也说明了单站预报与河系预报方案构造合理,同时新安江模型的洪水模拟精度高于垂向混合产流模型,说明了汉江汉中段流域产流方式以蓄满产流为主,超渗产流占比不高。

在单站次洪模拟中,支流模拟精度小于干流,说明了支流洪水受中小型水利工程蓄泄影响较大,在蓄泄作用下,支流单站的场次洪水量级与洪水过程较天然状态下有差异,导致洪峰模拟合格率与确定性系数下降,同时还有雨量站数量不足与分布不均的影响。在干流次洪模拟中,洋县、黄金峡站模拟效果优于武侯镇及汉中站,说明了汉中～洋县区间、洋县～黄金峡区间来水对洋县、黄金峡站洪水的贡献小于上断面的干流洪水演进。

黄金峡河系次洪模拟与单站次洪模拟对比,在洪峰模拟中,汉中～黄金峡河系方案模拟精度与单站模拟精度基本一致,汉江源头～黄金峡、武侯镇～黄金峡两种河系方案精度较单站下降了7%,在峰现时间与过程拟合中,河系方案模拟精度与单站方案接近。主要原因在于河系连续预报中模型计算误差传递对精度影响较大,单站预报只进行了1 次计算,汉江源头、武侯镇、汉中～黄金峡站河系预报分别进行了4次、3 次、2 次连续计算,同时石门水库集水面积占汉中站控制流域面积的41.4%,汉中洪水主要来自干流武侯镇站与区间支流褒河,汉中洪水受石门水库蓄泄影响较大,部分场次洪水模拟精度较低,因此以汉中为预报依据站的河系方案较优,也说明了黄金峡站洪水主要来自洋县以上流域,洋县～黄金峡区间来水贡献较低。

3 应用结果与分析

2021 年8 月～10 月汉江汉中段出现连续7 场暴雨洪水,从中选取了“20210821”“20210925”两场典型洪水进行单站及河系预报计算,计算步长均为1h,源头～黄金峡河系预报开始时间选择过程降雨开始时刻,武侯镇～黄金峡、汉中～黄金峡河系预报以及洋县～黄金峡单站预报开始时间选择上边界的峰现时刻。表5 为两场洪水河系预报结果评定指标统计,图4、图5 分别是“20210821”“20210925”号洪水河系预报过程线。

表5 河系预报结果评定指标统计

图4 “20210821”号洪水河系预报过程线

图5 “20210925”号洪水河系预报过程线

应用结果表明：在黄金峡站单站和河系预报中,两场洪水预报误差均在合格范围内,新安江模型预报结果的洪峰相对误差和确定性系数均好于垂向混合产流模型,并且黄金峡单站方案在洪峰预报中精度优于河系方案,汉中～黄金峡河系方案预报精度优于汉江源头～黄金峡、武侯镇～黄金峡方案。

从黄金峡站两场洪水的河系预报结果分析,“20210925”洪水较“20210821”预报误差更小,研究认为：“20210821”场次中黄金峡站洪水均主要来自汉中站,汉中站至黄金峡站区间流域产流不多,属于典型的上游型洪水,而“20210925”场次属于全流域暴雨洪水,在“20210821”场次中模型计算的区间产流量较实际偏大,同时对于上游型洪水来讲汉中站预报误差对下游洪水预报精度影响较全流域暴雨洪水更明显。因此,与汉江汉中段上游型洪水相比,河系预报在全流域暴雨洪水应用中优势更明显。

4 结论

本文结合历史洪水数据,采用新安江模型与垂向混合产流模型建立的河系预报方法在汉江黄金峡站洪水的洪峰预报、洪量预报、峰现时间误差上模拟精度良好,同时新安江模型总体优于垂向混合产流模型,河系预报在全流域暴雨洪水模拟精度优于上游型洪水。

较单站预报方案,河系方案洪峰模拟精度下降了7%,峰现时间和洪水过程拟合中河系方案模拟精度与单站接近,河系方案预见期较单站延长了10 h～20 h。因此,汉江黄金峡河系预报在满足了流域内防洪需求之上,更大程度地延长了洪水预见期,可为下游石泉、安康水库的防洪调度提供更精确、更提前的洪水预报信息。但是,值得注意的是,石门水库调度以及流域暴雨洪水类型是汉中及以下断面河系洪水预报误差产生的重要因素,这正是下一步的研究内容。