基于新安江模型的閩清水文站洪水預(yù)報(bào)

陳偉娜，王艷艷，林昌勇

(1.山脈科技股份有限公司，陜西 西安 710000；2.福建省福州水文水資源勘測(cè)分中心，福建 福州 350000)

1 概述

新安江模型是河海大學(xué)趙人俊教授等提出來(lái)的降雨徑流預(yù)報(bào)模型，最初研制的是二水源新安江模型，經(jīng)過(guò)改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)廣為使用的是三水源新安江模型。新安江模型的特點(diǎn)是認(rèn)為濕潤(rùn)地區(qū)主要產(chǎn)流方式為蓄滿產(chǎn)流，流域蓄水容量曲線是模型的核心，因此該模型適用于南方濕潤(rùn)地區(qū)與半濕潤(rùn)地區(qū)的濕潤(rùn)季節(jié)，現(xiàn)已成為與我國(guó)特色應(yīng)用較為廣泛的一個(gè)流域水文模型。本文通過(guò)對(duì)閩江流域梅溪河洪水特性進(jìn)行分析，探討了基于該模型的閩清水文站預(yù)報(bào)方案編制。

2 案例應(yīng)用

2.1 站點(diǎn)概況

閩清水文站位于福建省福州市閩清縣梅城鎮(zhèn)西大路468號(hào)，是閩江梅溪干流控制站，集水面積為934 km2，河道長(zhǎng)78.1 km，河道坡降13‰。本站測(cè)驗(yàn)河段順直，水流平順通暢，河床穩(wěn)定；梅溪發(fā)生洪水時(shí)，閩清水文站中、高水控制較穩(wěn)定，沖淤變化不大，水位流量關(guān)系穩(wěn)定。

梅溪流域內(nèi)山高林密、植被良好，支流眾多，主要由金沙溪、文定溪、池園溪、嶺寨溪四大支流匯入而成梅溪，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛，降雨量時(shí)空分布雨季、旱季十分明顯，地勢(shì)高低懸殊甚大，地貌復(fù)雜多樣，梅溪既遭鋒面雨和臺(tái)風(fēng)影響造成洪水歷時(shí)短、急、快、暴漲暴落山區(qū)性河流的特性，使局部易發(fā)山洪泥石流災(zāi)害；又受閩江洪水倒灌影響，因此閩清城區(qū)防洪工作挑戰(zhàn)極大。其中典型的洪水有：“92.7.7”閩江洪水(相應(yīng)水位25.43 m)、“98.6.23”閩江特大洪水(相應(yīng)水位26.46 m)。

2.2 建模論證

閩清水文站所在流域處于南方濕潤(rùn)地區(qū)，降雨充沛，多年平均降雨為1585.0 mm，年徑流系數(shù)約為0.6。流域的下墊面條件主要是森林，其次是草地、耕地，整體植被覆蓋良好，土壤中砂含量39%，粉砂土含量25%，黏土含量36%，透水性較好，洪水的流量過(guò)程呈現(xiàn)陡漲緩落趨勢(shì)，一般一場(chǎng)洪水的持續(xù)時(shí)間約在5 d～7 d左右。從流域的地理位置、氣象條件、下墊面條件以及洪水過(guò)程的分析可知，該站點(diǎn)所在流域的徑流具有蓄滿產(chǎn)流的特點(diǎn)，可以按照蓄滿產(chǎn)流的理論以及相應(yīng)的方法構(gòu)建模型方案，進(jìn)行站點(diǎn)的流量預(yù)報(bào)。

故本文選取適合濕潤(rùn)地區(qū)流量預(yù)報(bào)的新安江三水源蓄滿產(chǎn)流模型進(jìn)行凈雨的計(jì)算，采用滯后演算進(jìn)行匯流的計(jì)算，預(yù)報(bào)閩清水文站點(diǎn)的流量過(guò)程。

2.3 資料收集及處理

本次收集到的資料主要包括閩清水文站2005年～2014年的降雨、洪水摘錄數(shù)據(jù)；省璜、上蓮、塔莊、白中、柿兜、閩清、金沙7個(gè)雨量站2005年～2014年降雨摘錄數(shù)據(jù)。

由于收集到的降雨摘錄包含10 min、30 min、60 min的降雨數(shù)據(jù)以及因降雨較大而產(chǎn)生的不規(guī)整數(shù)據(jù)，故需要將原始數(shù)據(jù)處理成規(guī)整的60 min的降雨序列。針對(duì)跨小時(shí)的降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)比例將其分配給不同的時(shí)間段，并進(jìn)行整合以得到規(guī)整的小時(shí)降雨數(shù)據(jù)。考慮到要進(jìn)行確定性系數(shù)的計(jì)算，本文運(yùn)用貝塞爾插值方法將選取的實(shí)際洪水插值成和模擬的洪水過(guò)程相對(duì)應(yīng)的流量過(guò)程，同時(shí)保留洪峰流量，以提高模擬的精度。

2.4 面雨量計(jì)算

考慮到閩清水文站的控制流域面積比較大，單純運(yùn)用算術(shù)平均的方法不能有效反映區(qū)域降雨的差異性，故本文面雨采用泰森多邊形法進(jìn)行推求。雨量站權(quán)重的推求是依據(jù)每個(gè)雨量站控制流域面積占全流域面積的比例推求得到的，具體見(jiàn)表1，閩清站控制流域河流水系站網(wǎng)情況見(jiàn)圖1。

圖1 閩清站控制流域河流水系站網(wǎng)圖

表1 閩清站控制流域雨量站權(quán)重分配表

閩清站控制流域內(nèi)無(wú)蒸發(fā)資料，借用閩江下游支流大樟溪流域永泰站蒸發(fā)資料。

2.5 模型構(gòu)建

閩清水文站控制流域內(nèi)無(wú)其他水文站作為輸入，因此閩清站新安江模型方案設(shè)置1個(gè)計(jì)算區(qū)域(單元流域)：7121185001(面積934.96 km2)。區(qū)間產(chǎn)匯流模型分別采用三水源蓄滿產(chǎn)流模型(SMS_3)和三水源滯后演算模型(LAG_3)；三水源蓄滿產(chǎn)流模型包括蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流量計(jì)算和分水源計(jì)算三部分來(lái)推求流域產(chǎn)生的凈雨。蒸散發(fā)計(jì)算采用三層蒸散發(fā)計(jì)算模式，產(chǎn)流計(jì)算采用流域蓄水容量曲線來(lái)計(jì)算，分水源計(jì)算采用自由水蓄水庫(kù)計(jì)算。三水源滯后演算模型將洪水波運(yùn)動(dòng)中的平移與坦化兩種作用分開(kāi)且一次處理。水流經(jīng)一連串“線形渠道”滯后一段時(shí)間模擬平移，同時(shí)經(jīng)一連串“線性水庫(kù)”調(diào)蓄演算模擬坦化。模型采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)，封裝后由洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)接入，方案編制依托洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行。

流域面降雨采用泰森多邊形法推求。方案計(jì)算步長(zhǎng)為1 h，方案輸出類型為流量。預(yù)報(bào)方案結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖2 閩清站新安江模型結(jié)構(gòu)圖

2.6 參數(shù)率定

本方案根據(jù)資料情況選用大中小水年2005年～2012年共8年18場(chǎng)次洪水的資料對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定，選用2013年～2014年2年6場(chǎng)次洪水的資料校驗(yàn)，率定校驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。參數(shù)取值見(jiàn)表3。部分場(chǎng)次洪水率定驗(yàn)證見(jiàn)圖3～圖6。

表2 閩清站新安江模型精度評(píng)定與檢驗(yàn)表

續(xù)表2

表3 閩清水文站新安江模型參數(shù)成果

續(xù)表3

圖3 2006.05.30～2006.06.12次洪率定結(jié)果

圖4 2008.07.27～2008.08.1次洪率定結(jié)果

圖5 2010.06.14～2010.06.21次洪率定結(jié)果圖

圖6 2014.06.15～2014.06.22次洪驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 次洪率定校驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)2005～2012年17場(chǎng)次洪進(jìn)行參數(shù)率定及調(diào)整，對(duì)2013年～2014年6場(chǎng)次洪參數(shù)校驗(yàn)。根據(jù)參數(shù)的率定校驗(yàn)結(jié)果表3可以看出，不合格次洪偏向中低水，且均為率定期的第一場(chǎng)洪水(2006年、2007年、2008年、2012年)，預(yù)報(bào)值均偏小，主要原因分析為：為了提高率定速度，選擇每年的5月初到10月底為率定時(shí)間段，率定時(shí)默認(rèn)前期無(wú)降雨，而在2006年、2007年、2008年、2012年這幾年在5月前期有多場(chǎng)次的中小降雨，導(dǎo)致預(yù)報(bào)的流量比實(shí)測(cè)流量要小很多，次洪率定不合格。其他次洪率定校驗(yàn)結(jié)果均合格。

根據(jù)部分次洪的率定校驗(yàn)結(jié)果圖(圖3～圖6)可以看出，次洪率定洪水過(guò)程整體擬合良好，但是不完全擬合，主要原因是：在率定過(guò)程中對(duì)次洪的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行了小時(shí)均化處理，計(jì)算的流量跟實(shí)測(cè)的流量有一定偏差，另外，2008年7月27日至8月1日次洪為復(fù)峰，擬合過(guò)程差距比較大，經(jīng)調(diào)查，2008年07月25日14時(shí)至07月31日02時(shí)為當(dāng)年的第8號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”，第一個(gè)峰實(shí)測(cè)起峰受臺(tái)風(fēng)影響，起峰快，起峰高，不符合常規(guī)的雨洪關(guān)系。因此2008.07.27～2008.08.1洪水率定圖擬合效果較差，在次洪選擇時(shí)也去掉了第一個(gè)峰的洪水場(chǎng)次。

3.2 模型結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)閩清水文站進(jìn)行新安江模型的構(gòu)建，基于2005年～2012年的歷史雨洪數(shù)據(jù)進(jìn)行次洪選取，參數(shù)的率定，并基于2013年～2014年雨洪數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的校驗(yàn)。結(jié)果表明：該方案參數(shù)率定結(jié)果符合本區(qū)的洪水特性，如WM取值為125，與閩江流域蓄水能力基本符合；C取值為0.18，說(shuō)明本區(qū)植被相對(duì)茂盛，與本區(qū)實(shí)際情況相符等；根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范(GB/T 22482-2008)》，以降雨徑流預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)洪峰流量的20%作為許可誤差，洪峰流量QR合格率>85%為甲級(jí)方案，以合格率85.0>QR≥70.0為乙級(jí)方案，以70.0>QR≥60.0為丙級(jí)方案，對(duì)2005年～2012年8年15場(chǎng)次洪水樣本評(píng)定，洪峰流量合格率為77.8%。對(duì)2013年～2014年6場(chǎng)次洪水樣本檢驗(yàn)，合格率為100%。確定該方案為乙級(jí)方案，可用于發(fā)布正式預(yù)報(bào)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在閩江流域梅溪河構(gòu)建新安江模型，進(jìn)行參數(shù)率定及校驗(yàn)，表明基于蓄滿產(chǎn)流模式的新安江模型在該區(qū)應(yīng)用情況很好。由于本次使用雨洪資料有限，在方案的使用過(guò)程中，定期增加新的雨洪數(shù)據(jù)，尤其是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)雨洪特性有變化的情況下，要去掉之前構(gòu)建方案雨洪特性的洪水，采用新的洪水?dāng)?shù)據(jù)，重新率定分析參數(shù)。本區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響，會(huì)有突發(fā)大暴雨，針對(duì)這種情況，建議選擇臺(tái)風(fēng)時(shí)降雨洪水?dāng)?shù)據(jù)，率定分析一套適合臺(tái)風(fēng)時(shí)的模型參數(shù)，用于臺(tái)風(fēng)時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)。在實(shí)際預(yù)報(bào)過(guò)程中，要注意根據(jù)實(shí)際的洪水過(guò)程，對(duì)敏感參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)微調(diào)，提高預(yù)報(bào)精度。