基于新安江模型的臺(tái)風(fēng)期間福州山區(qū)水庫入庫洪水預(yù)報(bào)

苑瑞芳，廖衛(wèi)紅，康愛卿，雷曉輝, 殷兆凱

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350)

1 研究背景

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及水文模型的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，國內(nèi)對小流域洪水預(yù)報(bào)的研究也取得了較大的進(jìn)展。2005年，陳洋波等[1]運(yùn)用新安江模型為廣東省的黃金塘小流域建立了洪水預(yù)報(bào)模型，并提出了適用于強(qiáng)降雨的參數(shù)率定方法；2013年，楊峰[2]用DEM提取水系及子流域，構(gòu)建了具體的預(yù)報(bào)模型并證明了該法在無資料地區(qū)小流域的適用性；2017年，邱林等[3]基于雙超模型建立了小流域的洪水預(yù)報(bào)模型，取得了良好的模擬效果。福州市地處閩江流域入海口，多年來經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)襲擊。近年來，許多學(xué)者對福州北部山區(qū)流域洪水進(jìn)行了研究。2009年，林韻[4]運(yùn)用HEC-HMS模型以福州山區(qū)八一水庫流域?yàn)槔芯苛送恋乩妙愋妥兓瘜樗噩F(xiàn)期的影響；2011年，張婷等[5]選用赤橋水文站1979-2008年中較典型的15場洪水對新安江模型參數(shù)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證。但是由于缺乏降雨及徑流資料，對福州山區(qū)各水庫的入庫流量預(yù)報(bào)的研究較少。7-9月臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁，臺(tái)風(fēng)雨降雨強(qiáng)度大、歷時(shí)短、雨量集中，同時(shí)福州城區(qū)河道多年未整治，排污排澇能力較差，局部地區(qū)的內(nèi)澇可能十分嚴(yán)重，福州北部山區(qū)洪水通過新店、過溪、登云溪等河道輸入城區(qū)水系，所以對福州山區(qū)水庫進(jìn)行入庫洪水預(yù)報(bào)對有效防止或者減少市區(qū)洪澇災(zāi)害具有重要的意義。為此，本文選用集總式的新安江模型來模擬產(chǎn)匯流，采用參數(shù)優(yōu)化算法并手動(dòng)進(jìn)行優(yōu)選，確定最優(yōu)的參數(shù)組合，應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)期間福州山區(qū)水庫的入庫流量預(yù)報(bào)。由于難以收集到各水庫足夠的相關(guān)數(shù)據(jù)，本文將采用參數(shù)移植[6]的方法，選用臨近水文站赤橋站進(jìn)行率定驗(yàn)證，繼而將參數(shù)移植到幾座水庫。

2 研究區(qū)概況

福州市位居福建省東部，處于閩江流域下游入海口處，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫約為22℃，年平均降水量約為1 400 mm。福州是河口盆地，山區(qū)位于福州市北部，面積約為44 km2，北部山區(qū)的洪水通過新店、過溪、登云溪等河道輸入城區(qū)水系[7]。八一水庫位于福州新店鎮(zhèn)赤橋村，處于新店溪干流，集雨面積為13 km2，水庫工程始建于1957年，并于1961年完成擴(kuò)建，總庫容為193×104m3。登云水庫位于福州市東郊登云村，處于登云溪干流，集雨面積為5.85 km2，總庫容297×104m3。采用Arcgis劃分子流域，得到福州北部山區(qū)各水庫及無控?cái)嗝娴募畢^(qū)域，如圖1所示。

圖1 福州市山區(qū)水庫及其集水區(qū)域分布

由圖1可知，赤橋水文站位于八一水庫上游，各水庫及無控?cái)嗝鏇]有專門用于監(jiān)測流量的水文站，北部山區(qū)屬于水文資料短缺地區(qū)。

3 資料收集及分析

3.1 基礎(chǔ)資料

由于各水庫流域降雨及流量資料的缺乏，本研究擬用位于八一水庫上游的赤橋水文站的降雨及實(shí)測徑流資料率定新安江模型參數(shù)，故本研究于年鑒中摘錄了2007-2016年的8場臺(tái)風(fēng)的部分降雨量及徑流資料，用于率定并驗(yàn)證新安江模型參數(shù)[8]。此外，本研究收集到了雙臺(tái)風(fēng)(起編時(shí)間：7月26日12時(shí)；停編時(shí)間：7月30日20時(shí))即2017年9號(hào)臺(tái)風(fēng)納沙(生成時(shí)間：2017年7月26日11時(shí))、10號(hào)臺(tái)風(fēng)海棠(生成時(shí)間：2017年7月28日20時(shí))期間北部山區(qū)的降雨數(shù)據(jù)及同時(shí)段的八一水庫及登云水庫的水位數(shù)據(jù)以及泄流量數(shù)據(jù)[9]，并采用水量平衡法反推入庫流量過程，水量平衡法基本方程如下：

(1)

3.2 資料可靠性分析

赤橋水文站為國家基本水文站，本研究選用水文年鑒中2007-2016年的8場臺(tái)風(fēng)的數(shù)據(jù)，測驗(yàn)河段比較順直，上下游附近無支流匯入。該站的水文觀測數(shù)據(jù)連續(xù)，準(zhǔn)確可靠，可靠性滿足要求[10]。

對于具有上下游關(guān)系的赤橋站與八一水庫，選取赤橋站與八一水庫2017年9、10號(hào)臺(tái)風(fēng)徑流深相近的洪水系列，本文選取2012年11號(hào)臺(tái)風(fēng)海葵系列，計(jì)算可知對于洪峰流量及次洪徑流量，赤橋站的值皆小于八一水庫的值，說明數(shù)據(jù)系列的可靠性滿足要求。

4 基于新安江模型的水庫流域洪水預(yù)報(bào)模型構(gòu)建及預(yù)報(bào)結(jié)果

4.1 新安江模型原理及方法

新安江模型是中國第一個(gè)完整的流域水文模型，自1973年由河海大學(xué)趙人俊教授設(shè)計(jì)以來就在中國濕潤半濕潤地區(qū)受到了廣泛的應(yīng)用，且效果良好[11]。對于面積較大的流域，可以依據(jù)流域下墊面的情況及雨量站的分布情況將其分劃為若干基本單元，即子流域，整個(gè)流域的徑流過程即為每個(gè)子流域出口斷面的徑流過程的疊加[12]。由于福州北部山區(qū)水庫的集雨面積較小，所以將各斷面的匯水區(qū)域分別作為一個(gè)計(jì)算單元進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算。由于水文資料的缺乏，本文采用赤橋水文站的降雨徑流資料對模型參數(shù)進(jìn)行率定，再將模型參數(shù)移植到其他水庫流域，并采用收集到的八一水庫及登云水庫的資料進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 新安江模型參數(shù)率定及模型預(yù)報(bào)精度評定

本文只進(jìn)行次洪模型的參數(shù)率定及驗(yàn)證。次洪模型采用赤橋水文站觀測到的2007-2015年中6場臺(tái)風(fēng)所引起的洪水進(jìn)行率定，采用2016年的2場臺(tái)風(fēng)引起的洪水進(jìn)行驗(yàn)證，再采用收集到的八一及登云水庫在雙臺(tái)風(fēng)即2017年9、10號(hào)臺(tái)風(fēng)(起編時(shí)間：7月26日12時(shí)；停編時(shí)間：7月30日20時(shí))期間的降雨及反推得到的入庫流量數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。參數(shù)取值范圍及率定后得到的新安江模型參數(shù)如表1所示。

表1 新安江模型參數(shù)取值范圍及率定結(jié)果

4.2.1 模型在赤橋水文站率定和驗(yàn)證及預(yù)報(bào)精度評定 由于八一水庫及登云水庫沒有對應(yīng)的水文站，故無直接的徑流資料用于水庫入庫流量的模擬，本文將采用位于八一水庫上游的赤橋水文站的降雨徑流資料對新安江模型進(jìn)行初步的率定及驗(yàn)證。赤橋水文站集雨面積為10.3 km2，由于其流域?qū)儆诎艘凰畮炝饔蚯遗c登云水庫流域地理位置相近，下墊面條件相似，因此在使用赤橋水文站的降雨徑流資料對新安江模型參數(shù)進(jìn)行率定及驗(yàn)證后，可將得到的參數(shù)移植到八一水庫流域及登云水庫流域[13]。在赤橋水文站的率定及驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。預(yù)報(bào)精度評定項(xiàng)目根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》選擇洪峰、徑流深，峰現(xiàn)時(shí)間，洪水預(yù)報(bào)誤差指標(biāo)采用確定性系數(shù)(DC)。其中洪峰流量及徑流深的許可誤差為實(shí)測洪峰流量和實(shí)測徑流深的20%，峰現(xiàn)時(shí)間為預(yù)報(bào)開始時(shí)間至洪峰出現(xiàn)時(shí)間間隔的30%，當(dāng)該值小于1個(gè)計(jì)算時(shí)段時(shí)，以1個(gè)計(jì)算時(shí)段作為計(jì)算時(shí)長，當(dāng)該值大于1個(gè)時(shí)段長且小于3 h時(shí)，以3 h作為計(jì)算時(shí)段長[14]。

由表2可知，率定期選用的6場洪水?dāng)?shù)據(jù)對新安江模型進(jìn)行率定模擬時(shí)，6場洪水全部滿足洪峰流量誤差、徑流深誤差、峰現(xiàn)時(shí)差3個(gè)指標(biāo)的合格要求，根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482-2008)，綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)可知，率定期模擬計(jì)算的合格率為100%，達(dá)到了甲級(jí)精度，率定期模型模擬效果良好，洪水過程模擬結(jié)果如圖2所示[15]。

圖2 赤橋水文站控制流域率定期2007-2015年6場臺(tái)風(fēng)洪水過程模擬結(jié)果

模型率定期結(jié)束后得到了如表1所示的各項(xiàng)參數(shù)，再選用2016年的2場洪水?dāng)?shù)據(jù)對參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，洪水過程模擬結(jié)果如圖3所示。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482-2008)對驗(yàn)證期的2場洪水的洪峰流量誤差、徑流深誤差、峰現(xiàn)時(shí)差3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評定可得[16]，驗(yàn)證期模擬計(jì)算的合格率為100%，精度為甲級(jí)，模擬效果良好。

表2 模型在赤橋水文站的率定及驗(yàn)證結(jié)果

圖3 赤橋水文站控制流域驗(yàn)證期2016年2場臺(tái)風(fēng)洪水過程模擬結(jié)果

對率定期和驗(yàn)證期各場臺(tái)風(fēng)的累積降雨量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，2012年11號(hào)臺(tái)風(fēng)海葵模擬期間的降雨累積量為157.58 mm，與2016年14號(hào)臺(tái)風(fēng)莫蘭蒂模擬期間的降雨累積量166.7 mm相當(dāng)，由圖2(c)和圖3(a)可知，莫蘭蒂臺(tái)風(fēng)對應(yīng)的雨型較為單一，洪峰流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2012年11號(hào)臺(tái)風(fēng)海葵臺(tái)風(fēng)對應(yīng)的洪峰流量，洪水過程模擬效果也較好[17]。由表3可知，2013年20號(hào)臺(tái)風(fēng)帕布模擬期間的降雨累積量43.1 mm遠(yuǎn)小于2012年11號(hào)臺(tái)風(fēng)海葵模擬期間的降雨累積量，前者的洪峰流量稍小于后者，但對比圖2(c)和(d)可知，前者的模擬效果遠(yuǎn)好于后者。所以，可以得出以下結(jié)論：對于單峰型的降雨[18]，模型的模擬效果較好。

表3 模擬期間各臺(tái)風(fēng)降雨累積量

4.2.2 模型在八一及登云水庫的驗(yàn)證及預(yù)報(bào)精度評定 將在赤橋流域率定及驗(yàn)證過的新安江模型參數(shù)移植到山區(qū)水庫流域，采用收集到的八一水庫及登云水庫在雙臺(tái)風(fēng)2017年9、10號(hào)臺(tái)風(fēng)(起編時(shí)間：7月26日12時(shí)；停編時(shí)間：7月30日20時(shí))期間的降雨數(shù)據(jù)及采用水量平衡法由水位數(shù)據(jù)和泄流量數(shù)據(jù)反推得到的入庫流量數(shù)據(jù)，對模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。

由表4可知，選用雙臺(tái)風(fēng)2017年9、10號(hào)臺(tái)風(fēng)(起編時(shí)間：7月26日12時(shí)；停編時(shí)間：7月30日20時(shí))引起的洪水?dāng)?shù)據(jù)對新安江模型進(jìn)行驗(yàn)證模擬時(shí)，八一水庫與登云水庫的模擬均滿足洪峰流量誤差、徑流深誤差、峰現(xiàn)時(shí)差3個(gè)指標(biāo)的合格要求。洪水過程模擬結(jié)果如圖4所示。

表4 模型在雙臺(tái)風(fēng)期間八一及登云水庫的驗(yàn)證結(jié)果

圖4 2017年9、10號(hào)臺(tái)風(fēng)在八一及登云水庫的洪水過程模擬結(jié)果

由圖4可知，采用收集到的雙臺(tái)風(fēng)2017年9、10號(hào)臺(tái)風(fēng)(起編時(shí)間：7月26日12時(shí)；停編時(shí)間：7月30日20時(shí))的降雨數(shù)據(jù)及反推得到的入庫流量數(shù)據(jù)對登云水庫的入庫流量進(jìn)行模擬時(shí)的洪水過程模擬效果較赤橋水文站控制流域8場臺(tái)風(fēng)的效果差，原因可能是：(1)由于入庫流量數(shù)據(jù)是采用水量平衡法由水位數(shù)據(jù)和泄流量數(shù)據(jù)反推得到的，會(huì)引起一定的誤差從而導(dǎo)致模擬過程的確定性系數(shù)較低[19]；(2)在4.2.1節(jié)中提到，對于單峰型的降雨，模型的模擬效果較好，而2017年9、10號(hào)臺(tái)風(fēng)(起編時(shí)間：7月26日12時(shí)；停編時(shí)間：7月30日20時(shí))引發(fā)的臺(tái)風(fēng)雨是時(shí)斷時(shí)續(xù)的且階段性的降雨量都較小，所以形成了多峰型的降雨，模擬效果較差[20]。

5 結(jié) 論

(1)本文選用赤橋水文站的次洪資料，對新安江模型采用參數(shù)優(yōu)化算法進(jìn)行了率定，得到了一組最優(yōu)參數(shù)，并進(jìn)行了驗(yàn)證，率定及驗(yàn)證結(jié)果均達(dá)到了精度要求，表明新安江模型適用于赤橋流域的水文預(yù)報(bào)。

(2)將在赤橋流域率定及驗(yàn)證過的新安江模型參數(shù)移植到八一及登云水庫流域，并用在八一及登云水庫流域用水量平衡法反推得到的入庫流量過程進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果達(dá)到了精度要求，但是由于數(shù)據(jù)不足且采用水量平衡法由水位數(shù)據(jù)和泄流量數(shù)據(jù)反推得到入庫流量時(shí)，可能因?yàn)樗坏扔^測誤差引起入庫流量誤差，進(jìn)而影響預(yù)報(bào)結(jié)果，可收集更多數(shù)據(jù)對參數(shù)移植方法在福州山區(qū)水庫流域的適用性進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

(3)從模擬結(jié)果來看，新安江模型對赤橋流域雨型較為單一的次洪模擬效果良好，無論其降雨強(qiáng)度及降雨累計(jì)量大小。而對于多峰型的降雨，新安江模型的模擬效果相對較差。