浅析新安江模型在码市水文站的应用

罗小玲

摘要：三水源新安江水文模型在湿润地区具有较好的通用性。本文采用三水源新安江水文模型，对码市水文站进行洪水模拟，全面分析了日径流和次洪模拟效果，据此编制了适合本水文站的洪水预报方案，并对未来洪水预报方案的完善提出了切实可行的建议。

关键词：新安江模型；洪水预报；码市水文站

DOI：10.12433/zgkjtz.20241243

一、流域概况

（一）自然气候状况

码市水文站以上冯河流域位于湖南省湘江东源上游，属亚热带季风湿润气候，湿润多雨，四季分明，雨量充足。平均日照1646h，年平均气温18.9℃，多年平均降水量1790mm，但降雨量年际变化较大，年内分配不均，年际最大降雨量达2261.8mm（2022年），年最小降雨量为1163.9mm（1989年）；年内4～6月为降水集中时间，可占全年降水量的40%～50%。

（二）水系及水利工程情况

冯河流域位于湘江上游，发源于蓝山县紫良乡野狗岭南麓，从码市镇暗山入江华县境内，先后纳入中河、邬龙河，于码市镇与支流安宁河、大锡河汇集，流域总面积2559km2。其中，码市水文站以上流域面积为917km2，占总流域面积的35.8%，多年平均流量32.0 m3/s。流域内建有6座水库，其中，中型1座，为高塘坪水库；小（一）型2座，分别为漕滩电站和羊岩电站；小（二）型3座，分别为鱼跳电站、田坪电站和落阳冲电站。水库分布情况详见图1。

（三）洪水特性

码市水文站位于湖南省江华县码市镇，以上冯河流域是江华县暴雨中心之一，强降雨常引发洪灾。据统计，建国后70多年间，码市镇街道被淹达20余次。年最大洪水多发生在4～7月，在此期间，洪水主要由气旋锋面暴雨产生，8月及以后的洪水多为台风暴雨产生。洪水属山区性河流洪水特性，涨落较快、变幅大、历时短，呈单峰或复峰型，易形成山洪灾害。

（四）预报断面情况

码市水文站因受涔天河水库扩建工程影响，由原江华水文站上迁至码市镇而建，为国家二类精度站，涔天河水库入库站。该站集水面积917km2，测验项目有降水、水位、流量和水质。2015年1月1日，开始观测雨量、水位和水质检测，2016年1月1日，增加流量测验项目。测验河段基本顺直，长约500m，河床由卵石夹沙及大石块组成。左岸为防洪堤，右岸为山坡。河床无水草，较稳定。基下约50m处为码市大桥，2016年7月，在基下约300m处修建新码市大桥。基下约500m处为急湾，为高、中水控制，主流主要在57.0～63.0m之间，流速横向分布由主流位置向两岸递减。水位分级：322.73m以上为高水；322.72～320.27m为中水；320.26～319.52m为低水；319.52m以下为枯水。水位采用黄海基面以上米数表示，调查历史最高洪水位为326.93m，流量为2200m3/s（2013年5月16），实测最高洪水位为326.99m，流量为2300m3/s（2022年6月22日）。

图1  码市水文站以上冯河流域水系

（五）站网情况

码市水文站控制流域建有1个水文站（码市水文站）和8个雨量站。8个雨量站分别为码市站（面积权重0.097）、大桥站（面积权重0.215）、金田站（面积权重0.131）、饭滩站（面积权重0.122）、大龙站（面积权重0.166）、黄石站（面积权重0.092）、龙安站（面积权重0.105）、安马站（面积权重0.072），其分布情况见图1。蒸发站采用邻近流域萌渚水流域内的大路铺蒸发站。

（六）资料系列

径流资料系列：码市水文站只有2016至2022年7年的逐日水位、流量，共13场洪水。其中，2016年3场洪水，年最大洪峰流量为1370m3/s；2017年2场洪水，年最大洪峰流量537m3/s；2018年1场洪水，年最大洪峰流量469 m3/s；2019年2场洪水，年最大洪峰流量1680m3/s；2020年2场洪水，年最大洪峰流量636m3/s；2021年1场洪水，年最大洪峰流量350m3/s；2022年2场洪水，年最大洪峰流量2300m3/s。雨量资料：大桥站、码市站、安马站有1960～2022年共63年的逐日降水量和降水量摘录资料，金田站、饭滩站、大龙站、黄石站和龙安站有2011～2022年共12年的逐日降水量和降水量摘录资料。

二、新安江模型简介

新安江模型是概念性流域水文模型，主要包括流域蒸散发计算、流域产流计算、分水源计算和汇流计算4个步骤。流域蒸散发按三层蒸散发模型计算，主要参数有K和C；流域产流采用蓄满产流计算，用蓄水容量曲线考虑流域上蓄水能力的不均匀性，主要参数有WM（WUM、WLM、WDM）、B和IM；分水源计算是把总径流划分成地表径流、壤中流和地下径流三部分计算，主要参数有SM、EX、KI和KG；在汇流计算中，地面汇流、壤中流和地下汇流都采用线性水库来模拟，主要参数有CG、CI、CS和L。地面径流、壤中流和地下径流汇至河网后，合起来采用马斯京根法分段连续演算至流域出口断面。

三、码市水文站新安江模型参数率定

（一）日模型参数率定

模型参数率定就是根据特定的目标准则（或目标函数），调整一套参数值，使模型用参数值计算出的结果在给定准则下最优。模型参数率定步骤见图2。

图2  模型参数率定框

模型参数率定包括估计参数初值、模型计算，根据确定的目标准则判断优或否、寻找新的参数值或参数寻找结束4个基本步骤。

日模参数率定的目标函数是：多年产流总量误差为最小，同时确定性系数越大越好。

因资料系列少，码市水文站先移用江华水文站新安江模型参数（资料系列为1960～2015年，模型参数率定资料为2001～2010年资料系列），然后用2016～2021年逐日降雨及蒸发资料人工率定日模参数。江华水文站日模参数分别为K（0.99）、WM（113.1）、WUM（36.5）、WLM（90.3）、B（0.5）、C（0.135）、SM（39.7）、EX（1.5）、KI（0.44）、KG（0.26）、CS（0.90）、CI（0.60）、CG（0.95）、KE（1.00）、XE（0.00）、L（4），码市水文站日模参数分别为K（0.99）、WM（120）、WUM（38.8）、WLM（95.9）、B（0.5）、C（0.135）、SM（25.0）、EX（1.5）、KI（0.44）、KG（0.26）、CS（0.865）、CI（0.587）、CG（0.95）、KE（1.00）、XE（0.00）、L（2）。用2022年逐日降雨及蒸发资料来检验日模型模拟效果，其成果见表1。

根据《水文情报预报规范》（GB/T22482-2008）要求，预报径流深在3～20mm为合格，否则为不合格。由表1可见，率定和检验的预报径流深误差均在许可范围内。

（二）次模型参数率定

在日模型中调试好后，次洪模型中便可直接采用，无需调试；参数SM、KG、KI、CG、CI、L和CS与时段长有关，但参数KG、KI、CG、CI在次模型中的值与日模型中的值存在一定转化关系，也无需调试；SM、L、CS在日模型与次洪模型中是不通用的，需在次模型中重新调试确定。

次洪水模型在调试时，通常以洪水总量、洪峰值、峰现时间按照许可误差统计合格率最高和确定性系数最大为目标函数。根据《水文情报预报规范》（GB/T22482-2008）要求，洪量许可误差为3～20mm；洪峰流量许可误差为预见期内实测变幅的20%；峰现时间许可误差为预报根据时间至实测峰现时间之间时距的30%；确定性系数大于等于0.5而小于0.7为丙级、大于等于0.7而小于0.9为乙级、大于0.9为甲级。

因资料系列短，此次选取2016～2019年8场洪水进行次模型参数调试计算，调试后确定性系数为0.755，次模参数分别为K（0.99）、WM（120）、WUM（38.8）、WLM（95.9）、B（0.5）、C（0.135）、SM（22.0）、EX（1.5）、KI（0.43）、KG（0.27）、CS（0.895）、CI（0.607）、CG（0.95）、KE（1.00）、XE（0.00）、L（1.9）。次模型率定成果见表2。采用2020～2022年5场洪水进行检验模拟，其模拟成果见表2。

由表2可知，8场率定洪水的模拟结果有2场不合格，5场检验洪水的模拟结果有1场不合格，不合格的原因均为洪峰流量超过许可误差的20%。

四、结论与建议

（一）结论

第一，在分析码市水文站所在冯河流域的自然地理和流域水文特征的基础上，应用适合湿润地区的三水源新安江模型对流域洪水进行模拟计算，并率定模型参数，模型的确定性系数0.755为乙级，构建了码市水文站洪水预报方案。

第二，因码市水文站建站年限短，只采用2016～2022年13场洪水资料率定检验新安江模型参数，其模型参数的适用性相对较差，特别是在雨量大的情况下，由于超渗产流，实测洪峰流量比预报值大，峰现时间提早。

第三，码市水文站上游建有1个中型水库和5个小型水库，由于水库蓄水调节，在小洪水时，实测洪峰流量比预报值小。

（二）建议

根据模拟计算结果分析，日模型拟合较好，但次模型拟合相对较差。分析原因主要有：一是流域内水文资料系列过短，参与率定和检验资料只有2016～2022年7年的资料，共13场洪水，资料代表性较差；二是流域内中河上未设雨量控制站，雨量站的代表性不够；三是流域内6个水库和电站对流域较小洪水的调蓄影响较大。

为提高码市水文站洪水预报精度，做好洪水预警预报工作，可从如下几方面修改和完善：

第一，在中河上增设1～2个雨量站；第二，收集流域内6个水库和电站的设计、调度等资料，分析水库和电站蓄泄调度对码市水文站径流的影响，并在预报方案中增加水库和电站的调度模块；第三，每年年底收集整理码市水文站径流资料和流域内雨量资料，重新率定预报方案参数，完善预报方案。

参考文献：

[1]王佩兰.三水源新安江流域模型的应用经验[J].水文，1982（05）：24-31.

[2]包为民.水文预报[M].北京：中国水利水电出版社，2006.