新安江模型在湯旺河流域洪水預報中的應用

肖興濤，張鵬遠，張淑霞

(1. 黑龍江省水文局，哈爾濱150001;2. 哈爾濱水文局，哈爾濱150010;3. 佳木斯水文局，黑龍江 佳木斯154002)

1 新安江模型簡介

20 世紀60年代初，華東水利學院( 現為河海大學) 水文系趙人俊等開始研究蓄滿產流模型，配合一定的匯流計算，可以用于水文預報和水文設計。1973年，他們在對新安江水庫做入庫流量預報的工作中，把他們的經驗歸納成一個完整的降雨徑流流域模型——新安江模型，可用于濕潤地區與半濕潤地區。

最初的新安江模型為兩水源模型——地表徑流、地下徑流，由于存在穩定下滲不是常數，單位線有多條等問題，到80年代初，又提出了新安江三水源模型——地面徑流、壤中流、地下徑流，在1984—1986年，又提出了四水源新安江模型——地面徑流、壤中流、快速地下徑流和慢速地下徑流。由于模型產流采用蓄滿產流的概念，適用于濕潤和半濕潤地區，黑龍江省屬于半濕潤地區，理論上此模型適用本地區。

2 模型的結構和原理

2.1 模型的結構

新安江模型是一個分散性模型，把流域分成多塊，對每塊分別計算產匯流，總和后求得出口斷面流量過程。模型由蒸發、產流分水源和匯流4個模塊組成。

2.2 模型原理和計算公式

新安江三水源模型由產流、蒸散發、分水源和匯流4個模塊組成。

2.2.1 產流模塊

模型的產流部分采用蓄滿產流概念，直到包氣帶蓄水量達到田間持水量時才能產流。產流后，超滲部分成為地面徑流，下滲部分成為壤中流和地下徑流。

由于土壤濕度在面上分布不均勻，產流面積是變化的。為此在新安江模型中引進了張力水蓄水容量曲線，并以B 次方拋物線來表示。據此可求得降雨徑流關系。

2.2.2 蒸散發模塊

用3個土層的模型，其參數為上層張力水容量UM，下層張力水容量LM，深層蒸散發系數C，蒸散發折算系數K，所用公式為:

當上層張力水蓄量足夠時，上層蒸散發EU 為:

當上層已干，而下層蓄量足夠時，下層蒸散發EL 為:

當下層蓄量亦不足，要涉及到深層時，蒸散發為ED 為:

2.2.3 分水源模塊

分3 種水源，即地面徑流RS、地下徑流RG 和壤中流RI。參數為表層土自由水容量SM，表層自由水蓄水容量曲線的方次EX，表層自由水蓄水容量對地下水的出流系數KG 及對壤中流的出流系數KI，所用公式為:

2.2.4 匯流模塊

匯流分為3個階段進行: 坡地匯流階段、河網匯流階段和河道匯流。坡地匯流是指水體在坡面上的匯集過程，坡地匯流采用線性水庫方法。地表徑流在坡地階段一般時間很短，坦化可以忽略。

地面徑流的坡地匯流時間不計，直接進入河網:

3 模型的參數和率定

3.1 模型參數

若河網匯流采用滯后演算法，單元流域的新安江模型有15個參數，具體見表1。

表1 新安江模型參數表

3.2 模型的率定

模型率定有人工試錯法、客觀優選法及數學最優化方法。目前各種概念性流域水文模型，主要依靠經驗的人工試錯法來確定參數，結果不太客觀。這里說一下參數調試的客觀優化法。

流域水文現象按其性質可分幾個層次。對于濕潤地區，一般可分為蒸散發、產流、分水源、匯流等4個層次。第1 層蒸散發主要由氣候因素決定，最為穩定，能決定長時段內的產流總量，但對產流過程的作用很小。第2、3 層決定產流量在水源上與時間上的分配，與降雨過程及流域條件的關系很密切，變化比蒸散發敏感得多。第4 層把流域面上的各種水源的產流過程匯集成為流域出口的出流過程，流量變化十分敏感。每一層次中有一定的公式與參數，以實現模擬計算。這種計算方法的前提是下一層次的參數值對上一層的計算結果影響很小。

如全流域分塊計算，則需要進行河道演算，也增加XE、KE 及河道匯流段數N，這幾個參數可根據河段特性用水力學法求出，一般不需要優選。參數WM、UM、LM、B、C、IM 都不敏感，按一般經驗定值即可，不需要優選。EX 的變化范圍不大，一般在1 ～2，可令EX=1.5，KG+KI=0.7。因此，在優選參數時待定的參數有K、SM、KG/KI、CG、CI、CS 共6個。其余參數在必要時可單獨作調整。在這6個參數中，層次1 中有1個，層次3 中有2個，層次4 中有3個。

4 模型應用實例

新安江的參數率定包括日模型與次洪模型，相應的包括日模型與次洪兩個程序，參數率定采用人機對話方式，包括有客觀優化及單純形優化算法?，F以松花江水系湯旺河流域五營水文站為例，說明在參數率定中采用客觀優化及單純形優化算法的分析過程。從理論上來說，客觀優化方法是數學優化與人工試錯結合起來，可以得到唯一的解。單純形優化算法是局部優化方法。全局優化方法可以得到全局最優參數，但實際上有時也得不到，而且優化時間太長。相比之下，改正的單純形法效率較高，且全局優化方法中使用的基本方法就是在單純形法上發展起來的，為此一般概念性水文模型的參數率定多采用單純形法。

4.1 流域概況

湯旺河流域屬于松花江水系，位于黑龍江省境內，發源于小興安嶺南坡，伊春市烏伊嶺區桔源林場43 林班，湯旺河由北向南貫穿小興安嶺腹地。五營水文站為湯旺河干流上游控制站，控制流域面積4 160 km2，流域形狀為橢圓狀，至河口距離319 km，河長87 km，比降為8‰ ～10‰。流域內植被良好，多為針、闊葉森林覆蓋，兩岸有少量耕地。年降水量633 mm，徑流深259.4 mm。洪水來源為降雨徑流，年最大洪峰一般出現在汛期7—9月份，尤其以7—8月份最為集中，年內徑流分配7—9月份為56%，4—6月為31%。五營站以上流域水系見圖1。

圖1 五營站上流域水系圖

4.2日模型參數的率定和檢驗

4.2.1 率定

模型率定所需資料，對于日模型一般需要6 ～8 a，這里選用7 a，本次選用有實測資料以來前10 位洪水作為率定年份，結合模型中主要參數調試進行參數的率定，平均確定性系數0.75 左右。流域內5個雨量站為湯旺、五營、東升林場、新春、永豐林楊。在率定新安江模型時，采用日模型。模擬和實測流量過程見圖2 ～圖4。

4.2.2 檢驗

模型檢驗一般需要4 a左右。本次選用1991年、2006年、2009年、2010年較大洪水年進行模型的檢驗，確定性系數為0.72 左右。具體模擬過程見圖5、圖6。

圖2 五營站1972年模擬和實測流量對比圖

圖3 五營站1978年模擬和實測流量對比圖

圖4 五營站1985年模擬和實測流量對比圖

圖5 五營站2006年模擬和實測流量對比圖

圖6 五營站2010年流量過程檢驗與實測對比圖

按照《水文情報預報規范》對日模型的率定和檢驗進行評定，徑流模擬的相對誤差都＜20%，各個年份的徑流模擬都合格，洪峰模擬中只有2009年誤差＞20%，由于模擬過程中，不能調節模型初始狀態，在實際預報中不會出現此類情況，預報精度符合情報預報規范中的發布標準。具體詳見表2。

表2 洪水模型率定、檢驗與實測結果對比表 m3/s

5 誤差分析

主要有以下4個方面的影響: ①水文資料采用日過程，雨量資料時間分布過程均化，對洪峰過程預報會產生較大影響;②模型在率定和檢驗過程中，不能調整模型初始狀態，影響了預報精度，在實際預報中會解決這個問題; ③流域雨量控制站點密度不夠，雨量的代表性差; ④部分模型參數值是通過實測流量資料率定優化求得，不能直接測得，與實際情況還存在一定差別。

6 結 語

新安江模型在東北地區應用時間不長，且范圍不大，積累的經驗不多，尤其是模型參數調試過程及靈敏性還有待進一步去驗證，本次也是僅僅用日模型率定，可能對一些小流域預報精度有影響，需要用場次洪水模型率定，隨著水文自動測報系統建設日趨完善，雨量站網站密度增加，新安江模型在洪水預報中的精度也會不斷提高，能夠為各級防汛指揮部門科學決策提供有力技術支撐。

［1］黑龍江省水文局. 黑龍江省洪水預報系統使用手冊［S］. 哈爾濱:黑龍江省水文局，2005.

［2］水利部水文局. 水文情報預報技術手冊［S］. 北京: 中國水利水電出版社，2010.

［3］林三益. 水文預報:第2 版［M］. 北京: 中國水利水電出版社，2001.

［4］水利部水利信息中心. GB/T 22482－2008 水文情報預報規范［S］. 北京:中國水利水電出版社，2000.