洪水預報模型在大中型水庫中的應用研究

陳曉燕

摘要 本文對水箱模型、新安江模型原理進行闡述，同時對這2個模型在清河水庫實際應用過程中的誤差情況進行統計計算，采用試錯法對模型參數進行了重新率定，對率定參數后的模型重新進行歷史洪水模擬預報，以提高清河水庫洪水預報的精度。

關鍵詞 水箱模型；新安江產流模型；參數率定

中圖分類號 P338+.6 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）19-0162-02

1 水箱模型

1.1 模型結構

清河水庫位于遼河中游左側支流，清河下游，東經約124 °、北緯約42.5 °，屬于濕潤半濕潤地區。庫容9.68億m3，屬于大（Ⅱ）型水庫。

水箱模型是一種較為廣泛應用的降雨徑流模型，模型的基本原理是用蓄水水箱將降雨轉換為徑流的復雜過程，可簡單歸結成若干個蓄水水箱的調蓄作用，以水箱中的蓄水深度等參數計算流域的產流、匯流以及下滲過程，產流、匯流2個過程合而為一。

1.2 計算原理

選用清河水庫1964—2016年的80次洪水進行分析，降雨、徑流關系采用二層串聯水箱進行模擬，洪水的河道演進采用四列并聯水箱進行模擬[1]。結構簡圖如圖1所示。

出流量及下滲公式如下：

第1層水箱：QT.1=0，ST.1≤h1.1

一孔QT.1=Q1=a1.1（ST.1-h1.1），h1.2≥ST.1>h1.1 （1）

二孔QT.1=Q1+Q2=a1.1（ST.1-h1.1）+a1.2（ST.1- h1.2）；ST.1>h1.2 （2）

下滲量FT.1=a1.0 ST.1 （3）

第2層水箱：QT.2=a2.1（ST.2-h2.1） （4）

下滲量FT.2=a2.0 ST.2 （5）

QT=QT.1+QT.2 （6）

其中：ST—時段初水箱蓄水量；h1.1，h1.2—第1層水箱側孔距水箱底的高度；a1.1，a1.2—第1層水箱側孔出流系數；a1.0—第1層底孔下滲系數；h2.1—第2層水箱側孔距水箱底的高度；a2.1—第2層水箱側孔出流系數；a2.0—第2層底孔下滲系數；FT—下滲量。

1.3 模型應用

水箱模型原始參數匯流預報各項預報精度：峰值預報合格率68%；峰量合格率67%；峰現時間合格率72%。因歷史序列的延長以及水庫流域和環境的變化，需要對參數進行新的率定，采用試錯法進行參數重新率定。根據清河水庫流域特性以及有關歷史洪水的雨量、蒸發資料，初定參數，輸入選定的80次洪水的前期剩余水深、降雨、蒸發、實測流量資料，推求各洪水日的洪峰流量、峰現時間等指標，并分別與各洪水日的實際洪峰流量、峰現時間等指標相比較，求出相對誤差、絕對誤差及總的合格率[2]。

水箱模型參數率定后產流預報和匯流預報各項預報精度：峰值預報合格率73%；峰量合格率77%；峰現時間合格率75%。

統計分析得出，水箱模型運算簡單方便利用Excel編制簡潔的程序計算表格，結構靈活可以修改串聯水箱的數量 ，有較高的工作效率和質量。對于2層串聯水箱模型，進行參數率定后，用于非典型洪水（降雨空間分布、強度分布不均勻等情況）時，預報效果一般，于是嘗試根據降雨的時空分布修改并聯水箱的數量，使洪水預報的結果根據實際情況提前或滯后，更接近真實情況。一般情況下，對于洪峰比較陡的洪水，可以減少并聯水箱的數量，以加速模型的匯流速度；對于洪峰比較緩的洪水，可以增加并聯水箱的數量，坦化預報洪峰，進而使模型預報更科學、更合理[3]。

2 新安江三水源模型

2.1 模型簡介

新安江模型作為我國濕潤半濕潤地區重要的代表性水文模型，在洪水預報方面發揮了重要作用，廣泛應用于各個地區，是個概念性模型。

2.2 計算原理

計算公式如下：

式中：A—點蓄水量；R—產流量；P—降雨量；WU—土壤上層蓄水量；WL—土壤下層蓄水量；B—蓄水容量曲線指數；IBM—不透水面積指數；PE—流域初期蓄水校正量；E—蒸發量；WM—流域缺水量；WO—流域缺水變化量；WMM—流域最大缺水量。

清河水庫壩址以上流域平均降雨量P采用各雨量站降雨加權平均的方法計算。匯流預報過程中采用單位線法，雨強單位線是自動判斷選擇，選擇經驗單位線可以根據降雨等情況進行選擇，可以進行人工修正預報過程線[4-5]。

2.3 模型應用

新安江模型原始參數產流預報和匯流預報各項預報精度：產流預報合格率70%；峰值預報合格率60%；峰量合格率60%；峰現時間合格率。

因歷史序列的延長以及水庫流域和環境的變化，需要對參數進行新的率定。進行率定的方法流程同水箱模型，此處不再贅述。

新安江模型參數率定后產流預報和匯流預報各項預報精度：產流預報合格率84%；峰值預報合格率71%；峰量合格率72%；峰現時間合格率75%。

選取典型的80場歷史洪水，通過新安江產流模型進行產流預報，其中13場不合格，合格率84%。7場偏差比較大，其中39場的預報凈雨小于實際凈雨，41場的預報凈雨大于實際凈雨[6]。

通過新安江產流模型進行匯流預報，洪峰流量23場不合格，合格率71%。10場偏差比較大，其中38場的預報洪峰流量小于實際洪峰流量，42場的預報洪峰流量大于實際洪峰流；最大3日洪水總量22場不合格，合格率72%，10場偏差比較大，其中38場的預報最大3日洪水總量小于實際最大3日洪水總量，42場的預報最大3日洪水總量大于實際最大3日洪水總量；峰現時間20場不合格，合格率75%，9場偏差比較大。

3 結語

通過對水箱模型、新安江模型的產流、匯流預報結果的統計計算分析，更進一步了解模型的適用性，找出預報誤差的規律；通過對模型參數的重新率定，提高了該模型洪水預報的整體預報精度，更體現了洪水預報的科學性、合理性，為本流域洪水預報精度的提升奠定基礎。

4 參考文獻

[1] 崔慶忠，高世斌，車延路.新安江三水源模型在蒲河流域上的應用[J].東北水利水電，2002（3）：32-35.

[2] 張飛峰.新安江三水源模型在柘林水庫洪水預報中的應用[J].中國高新技術企業，2017（5）：61-63.

[3] 張荔，王娜，曹禮梅，等.水箱模型在小流域水文水質模擬中的應用研究[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2007（1）：123-126.

[4] 李有林.水箱模型的基本原理及其應用[J].甘肅水利水電技術，2000（4）：229-232.

[5] 錢承萍，黃川友.新安江三水源模型與水箱模型在清江流域上的應用與比較[J].西北水電，2013（2）：4-7.

[6] 王金忠，張清武，王宏峰.水箱模型在清河水庫洪水預報中的應用[J].東北水利水電，2001（8）：22-23.