网格新安江模型在岳城水库库区的应用

徐 宁

(水利部海委漳卫南运河管理局水文处，山东 德州 253009)

岳城水库地处太行山东麓、海河流域漳卫河系的漳河中游，是重要的控制性水利工程，为保证下游河道防洪安全起着关键性的作用；同时对南水北调中线工程的安全起着重要屏障作用。近年来岳城水库水源经卫运河、南运河向南水北调东线一期工程北延应急供水工程补水。因此研究岳城水库入库洪水的预报具有重要意义。

岳城水库入库站为观台水文站，一直以来将观台站流量作为岳城水库入库流量。国家防总批复的《漳卫河洪水调度方案》规定岳城水库按照入库流量确定水库泄流区间。当库区出现强降雨时，库区范围内产流明显，实际入库流量远大于观台站流量，对水库防洪调度产生不利影响。漳卫河系“16.7”、“21.7”暴雨洪水中，暴雨中心覆盖岳城水库库区，这一问题表现尤为突出。“16.7”洪水观台站洪峰流量6150m3/s，岳城水库反推入库流量9740m3/s；“21.7”洪水观台站洪峰流量3150m3/s，岳城水库反推入库流量4860m3/s。但由于历史和技术原因，库区范围内缺乏对降雨和汇流入流沟长序列观测资料，且由于库区汇流时间极短，库区产流预报难度大。

库区内下垫面情况较复杂，降雨空间分布也会对入库洪水产生较大影响。而网格新安江模型(简称Grid-XAJ)作为分布式水文模型，可充分体现流域下垫面的分布不均，且能将降雨以分布式的形式作为输入。因此本研究利用网格新安江模型对岳城水库库区进行洪水模拟，分析模型模拟精度，验证模型在区间的洪水预报适用性。

1 研究区域概况

岳城水库位于河北省磁县，控制流域面积18100km2，总库容13亿m3，为大Ⅰ型水库，如图1所示。库区面积约300km2，地处温带半干旱、半湿润季风气候区，多年平均降水约560mm[1]。该地区受地形和季风环流的影响，降水大多集中在6—9月，且产流机制复杂，库区汇流时间约3～4h。

图1 岳城水库位置图

岳城水库库区入流沟主要有14条，2021年以前均未建立水位流量监测设施。2022年仅在3条较大入流沟上建立遥测站监测水位流量。2016年前库区雨量站较少，仅有白土、北贾壁、观台、岳城水库4处。2017—2022年后相继在库区建立了多处雨量站和遥测雨量站。

2 模型构建

Grid-XAJ模型将DEM网格作为计算单元，将网格单元内的降水、地理、土壤及植被等下垫面要素视作空间内均匀[2]，而各要素在不同网格之间会产生变化。模型计算网格单元的蒸散发量后，计算网格单元的产流，并采用自由水蓄水库结构将网格单元划分为地表径流、壤中流和地下径流，最后按照网格间的汇流演算次序，将3种水源演算到区域出口[3]。

模型的产流部分采用新安江模型的蓄满产流计算方法。为充分体现土壤湿度在垂直方向的分布和变化，模型的蒸散发计算使用3层蒸散发模型[2]。

次洪模型的汇流部分：①采用一维扩散波模型。假设在原坡地网格内存在“虚拟河道”，每个网格单元的壤中流和地下径流直接汇入河道，并采用河道汇流的计算方法，各网格之间的扩散波汇流计算只考虑坡面汇流和河道汇流。②在缺少河道断面信息的地区，采用基于网格Muskingum汇流方法对网格间的3水源及河道进行汇流计算[3]。

Grid-XAJ模型计算日径流模拟的汇流时，由于单位时段较长、对汇流计算的精度对模型模拟的最终结果影响不大，为提高模型计算效率，采用新安江模型中的线性水库原理对每个网格单元的壤中流和地下径流进行计算[4]，并按照网格单元的汇流计算顺序进行叠加，直到流域出口断面。网格单元的地表径流不参与网格间的汇流计算，直接在流域出口断面进行叠加[5]。在流域出口断面，用滞后演算法计算日径流模拟的出流过程[2]。

Grid-XAJ模型在进行逐网格汇流演算时，每个网格单元中土壤含水量未达到田间持水量之前，上游来水优先补充该网格的土壤缺水量，直至其蓄满为止。若网格单元有河道存在，则该网格地表径流先按一定的比例汇入河道，然后再汇至下游网格[6]，计算流程如图2所示。

图2 Grid-XAJ模型计算流程图

3 数据处理和模型率定

3.1 数据处理

岳城水库区间流域地处全流域的东部，其上游观台流入的水量与流域内降雨产生的径流一起汇入下游岳城水库。模型构建时将观台水文站实测流量作为模型入流量，观台以上流域不参与模型计算，参与计算的岳城水库区间流域面积300km2。岳城水库实际入库流量按照库水位-蓄量关系及下泄流量计算。2017年以前暴雨洪水过程，参与计算的雨量站为观台、北贾壁、白土和岳城水库(坝上)；2017年以后的以前暴雨洪水过程，增加前岭、东保障、中清流3个雨量站。考虑历史原因和下垫面变化情况，选择1980年以后的暴雨洪水过程进行参数率定和模拟。

根据岳城水库库区和各入流沟情况(如图3所示)，结合卫星影像图观察，根据不同分辨率的数字高程(30、90m)判断可识别的集水区，最终将本次研究区域划分为：岳城水库北面的库区(岳城北库区)，观台站以下及观台南面的观台沟(观台沟)、乞伏沟、南孟南桥沟、中清流沟和西清流沟合并概化为清流沟(清流沟)，以及岳城水库的水面区域，如图4所示。根据网格新安江模型的技术要求和实际流域特点，采用差异化网格分辨率进行最终的降雨-径流模拟[7]。

图3 岳城水库库区入流沟及水文测站分布图

图4 岳城水库库区DEM及地形示意图

3.2 模型参数率定

2017年前库区雨量站较少，北库区雨量站相对较多且降雨数据系列较长。模型以1h为计算时段，根据下垫面条件及土壤类型，对岳城北库区进行率定(参数见表1)，并将参数移植到其他4个支流沟。

表1 Grid-XAJ模型参数

岳城水库水面径流模拟采用线性水库法进行滞后演算模拟计算，具体的参数为CS=0.2，Lag=2。

4 历史洪水模拟及分析

4.1 洪水模拟

受资料所限，选取1982、2016、2021年3场洪水进行模拟，模拟结果见表2、如图5—7所示。

表2 岳城水库入库洪水模拟情况统计表

图5 19820730号洪水

4.2 结果分析

3场洪水洪量相对误差介于18.3%～30%，普遍偏大。洪峰相对误差介于-16.5%～3.8%，其中19820730号洪水洪峰偏大，其余2场洪水均偏小。峰现时间误差最大为1h。确定性系数介于0.85～0.87。由模型模拟的特征统计值可以看到，Grid-XAJ模型模拟洪量、洪峰、峰现时间以及洪形与实际洪水过程较为符合，确定性系数也较高。

图5中19820730号洪水洪形复杂，出现多次涨落过程，模拟洪水过程总体趋势与实际洪水过程一致，但其涨落幅度和出现时间与实际洪水有明显差别。

图6—7中20160719号、20210715号洪水洪形较为简单，模拟洪水过程和实际洪水过程较为接近。

图6 20160719号洪水

图7 20210715号洪水

5 结语

本文采用Grid-XAJ模型对岳城水库库区历史洪水进行模拟研究，结合实际产汇流过程，对模拟结果进行分析，得出以下结论。

(1)Grid-XAJ模型在岳城水库库区模拟效果较好。

(2)由于库区面积较小，这一区域发生强降雨产生较大入库径流的洪水场次较少，导致用于参数率定和模型验证的场次暴雨洪水不足。后期库区发生强降雨时进一步优化模型参数[8]。

(3)历史暴雨过程中雨量站密度较低，一定程度上影响产汇流参数率定。建议结合卫星遥感资料，在确保数据准确的前提下，充分利用库区周边新建遥测站数据应用到模型计算。