新安江模型在穆棱河上的應(yīng)用研究

譚思源,肖鳳杰

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

穆棱河起源于老爺嶺，是黑龍江省內(nèi)十大河流之一，上游到下游依次流經(jīng)黑龍江省內(nèi)的穆棱市、雞西市梨樹區(qū)、密山市、虎林市，一部分匯入小興凱湖，一部分匯入烏蘇里江。作為黑龍江省東部重要的水源之一，通過科學(xué)且適用于當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的方法，有效地進(jìn)行日徑流的預(yù)測、預(yù)報，可以很大程度上提高水資源的利用和安排，減少對農(nóng)業(yè)、工業(yè)、居民生產(chǎn)安全所帶來的隱患。

本文以穆棱河[1]上游穆棱水文站、下游湖北閘水文站實測多年天然年徑流量為理論依據(jù)。科學(xué)合理的運用三水源新安江產(chǎn)匯流水文模型，以確定夏汛期洪峰發(fā)生時間的合理性來判斷新安江模型在穆棱河上的應(yīng)用效果。

1　新安江模型方法介紹

新安江模型[2]的結(jié)構(gòu)(詳見圖1)可以分為四個部分：蒸散發(fā)計算，確定流域平均上層蓄水容量WUM、流域平均下層蓄水容量WLM、折算系數(shù)K、蒸散發(fā)系數(shù)C等參數(shù)因子；產(chǎn)流計算，確定平均蓄水容量WM、面積曲線指數(shù)B、不透水面積比IM等參數(shù)因子；三水源劃分，確定最大蓄水容量SM、表土自由水蓄水容量曲線指數(shù)EX、表層自由水蓄水庫對地下水的日出流系數(shù)KG、表層自由水蓄水庫對壤中流的日出流系數(shù)KI等參數(shù)因子；匯流計算，確定壤中流消退系數(shù)CI、地下水消退系數(shù)CG、河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)CS、滯時L、馬斯京根演算[3]參數(shù)X等參數(shù)因子。

2　模型應(yīng)用

穆棱水文站是穆棱河的源頭，降雨比較充沛，屬于半濕潤地區(qū)；湖北閘水文站是穆棱河的下游，水流順勢向下，徑流充沛，屬于半濕潤地區(qū)。收集整理兩個水文站多年天然的降雨、徑流、蒸發(fā)資料，帶入新安江模型中，研究在同樣輸入、同樣計算時段經(jīng)過試錯分析得到的參數(shù)值在同一流域不同斷面的結(jié)果。

實際中，研究者往往依靠實測值或依據(jù)參數(shù)的物理意義確定范圍的方法，然后輸入初值資料，進(jìn)行模型計算，判斷優(yōu)否，如遇未達(dá)到要求的參數(shù)值，再循環(huán)上面所述的過程，直至判斷為優(yōu)，進(jìn)而得出準(zhǔn)確參數(shù)值(見圖2)。

(1)

式中：j為整數(shù)，一般取1～2；ω為參數(shù)向量；Rn為n維的實數(shù)空間域；Yc i為模型計算值；Yo i為實測值。

新安江模型的參數(shù)大都具有明確的物理意義，參數(shù)值原則上可根據(jù)其物理意義直接定量。但是，由于降雨徑流過程中實測和試驗過程的匱乏，我們只能依據(jù)測流斷面的實測數(shù)據(jù)。

新安江模型參數(shù)率定[4]問題不同于其他簡單數(shù)學(xué)函數(shù)的尋優(yōu)問題，無法事先明確目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，故不能通過控制目標(biāo)函數(shù)結(jié)束尋優(yōu)過程。本文選取500次迭代法，目的通過大量的計算機(jī)程序運行及大數(shù)據(jù)得到參數(shù)的最優(yōu)解。

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圖1　三水源新安江模型流程圖

圖2　模型參數(shù)率定框圖

由于春季來水主要為融雪徑流，對率定結(jié)果影響較大，故率定開始時間選定為每年的6月1日[5]，個別年份春季氣溫偏低適當(dāng)推后。雨量站資料均選用齊全的1 h資料摘錄。

集總模型用在流域小的情況，分塊模型用在流域面積大的情況。分塊模型是把大流域劃分為若干小塊流域，對每一部分做產(chǎn)匯流計算，得到每一部分的出口流量，再進(jìn)行河道洪水演算，得到每一部分的出口流量，進(jìn)行累加，就得到了整個流域的總出口流量。

方案輸入運用MSK，區(qū)間輸入運用SMS_3和LAG_3；雨量站控制權(quán)重用泰森多邊形法。方案計算時段為1 h，預(yù)見期為24個時段，預(yù)熱期為30 d。方案輸出類型為水位流量。方案輸出為水文站時段水位流量過程。(注：MSK指馬斯京根河道分段連續(xù)演算模型；SMS_3指蓄滿產(chǎn)流模型；LAG_3指滯后演算模型)得到上、下游敏感參數(shù)值詳見表1。

表1　敏感參數(shù)確定值

目標(biāo)函數(shù)率定結(jié)果詳見表2，圖3～4。

表2　目標(biāo)函數(shù)率定結(jié)果

圖3　2013年上游穆棱水文站率定結(jié)果圖

圖4　2013年下游湖北閘水文站率定結(jié)果圖

從率定結(jié)果中看，表1中敏感參數(shù)除KI值上游0.438>下游0.306、CS值上游0.916>下游0.898以外，均呈現(xiàn)下游數(shù)值偏大的趨勢。表2中下游的率定結(jié)果0.849好于上游的率定結(jié)果0.669。圖3和圖4對比來看，2013年6月1日—9月30日夏汛期間，下游湖北閘水文站的水位流量走勢情況好于上游水文站，但上、下游洪峰流量分析均與實際情況吻合程度較低，洪峰發(fā)生時間預(yù)測比較準(zhǔn)確。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在夏汛接近尾聲的時候，上、下游的擬合程度更好。

3　模型論證

本文用2013年數(shù)據(jù)率定得到敏感參數(shù)取值后，以2014年實測數(shù)據(jù)驗證參數(shù)值選取合理性和實用性，作驗證結(jié)論用(詳見圖5～圖6)。

圖5　2014年上游穆棱水文站率定結(jié)果圖

圖6　2014年下游湖北閘水文站率定結(jié)果圖

圖5和圖6是在水文實驗、率定、演算后進(jìn)行的結(jié)果驗證。圖5洪水的擬合效果一般，1場次洪水誤差小于20%。依據(jù)率定得出的參數(shù)值，選取2014年6月1日—9月30日期間場次洪水進(jìn)行檢驗，得到目標(biāo)函數(shù)，上游目標(biāo)值-0.005，下游0.825。從圖5、圖6直觀看，可以看出下游擬合效果較好。本方案以率定結(jié)果進(jìn)行評定，上、下游均達(dá)到乙級以上水平。

分析圖5和圖6，水流從上至下，源頭處水量的蒸散發(fā)較下游大，還有降雨和其他分支河流形成匯入穆棱河下游，下游水文站流量較大，流量變化趨勢較明顯，產(chǎn)匯流分析得到的結(jié)果也好于源頭。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉琦. 穆棱河流域徑流變化規(guī)律分析及預(yù)測研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.

[2]趙人俊.流域水文模型-新安江模型與陜北模型[M].北京：水利電力出版社，1984.

[3]王文杰，安莉娜. 數(shù)學(xué)優(yōu)化方法在新安江模型參數(shù)率定中的應(yīng)用分析[J]. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2004，25(2):10-13.

[4]趙人俊.流域水文模型的比較分析研究[J].水文，1989(6)：1-5.

[5]劉蘇寧,甘泓,魏國孝. 粒子群算法在新安江模型參數(shù)率定中的應(yīng)用[J]. 水利學(xué)報,2010,41(5):537-544.