漢江黃金峽站河系洪水預報研究

顧 釗，宋淑紅，席小康

（1.西安水文水資源勘測中心,陜西 西安 710068；2.陜西省水文水資源勘測中心,陜西 西安 710068）

1 數據來源與研究方法

1.1 研究流域概況

漢江是長江中游的重要支流,發源于漢中市寧強縣潘冢山,流經漢中市寧強、勉縣、南鄭、漢臺、城固、洋縣、西鄉7 縣（區）,于西鄉縣茶鎮進入安康市,漢中市境內集水面積19692 km2,其中黃金峽水文站以上流域集水面積17070 km2,多年平均降水量700 mm～1700 mm,屬于典型的濕潤地區,流域內暴雨洪水受季風影響較大,7 月～9 月易形成大洪水。漢江黃金峽以上流域水系發育、河網密度大、水利工程較多,集水面積大于100 km2的一級支流有22 條,干流設有武侯鎮、漢中、洋縣、黃金峽4 處水文站,主要支流設有11 處基本水文站,流域內建有石門、黃金峽2 座大型水庫,另有多座中小型水庫。

1.2 數據來源

本研究選擇的資料為漢江黃金峽斷面以上流域1995 年～2021 年汛期（4 月～10 月）整編的降雨、流量資料,從1995年～2020 年中篩選出39 場洪水,按時間前后順序選取前29場為率定場次、其余10 場作為檢驗場次,分別進行場次洪水率定及模型驗證；從2021 年汛期洪水場次中選取2 場典型洪水進行河系洪水預報應用分析。

1.3 研究方法

1.3.1 新安江模型

新安江模型是由趙人俊[1]教授等人提出的一種具有物理基礎的概念性流域水文模型。該模型主要包括四部分：蒸散發計算、產流計算、水源劃分以及匯流計算。模型采用三層蒸散發模式計算蒸發量；以蓄滿產流方式計算產流量；將徑流分為地面徑流、地下徑流和壤中流三類進行水源劃分；匯流計算包括坡面匯流和河網匯流[2-3]。新安江模型對濕潤地區與半濕潤地區的洪水預報及徑流模擬具有很好的模擬效果[4-7]。

1.3.2 垂向混合產流模型

垂向混合產流模型是包為民教授[8]提出的一種在垂向上將超滲產流與蓄滿產流進行組合的流域水文模型。當流域內降雨到達地面,首先通過空間分布的下滲能力分布曲線,劃分為地面徑流和下滲水流；地面徑流取決于雨強和下滲,為超滲產流模式；地面以下的徑流,取決于前期土壤缺水量和下滲的水量,包含壤中流和地下徑流,為蓄滿產流模式。模型仍然采用三層蒸散發模式計算蒸發量；水源劃分則按敞開式自由水箱按比例進行劃分計算,坡面匯流采用線性水庫計算,河道匯流采用馬斯京根法[9]。

2 河系洪水預報方案構建

根據漢江漢中段干支流的洪水傳播演進規律,采用新安江模型和垂向混合產流模型分別構建武侯鎮、漢中、洋縣、黃金峽4 處干流水文站,以及沮水河茶店、胥水河升仙村2 處支流水文站與褒河石門水庫入庫的單站預報方案。在單站預報的基礎上,采用上斷面的預報結果代替實測值進行下斷面的連續預報,進一步構建了漢江源頭至黃金峽的河系預報方案。

2.1 干流4 站預報方案構建

（1）漢江源頭～武侯鎮

將漢江源頭～武侯鎮區間劃分為沮水河茶店站以上流域、玉帶河鐵鎖關站以上流域、漢江源頭至武侯鎮站未控流域共3 個單元。沮水河茶店站以上流域、漢江源頭至武侯鎮未控流域2 個子區間的產流部分分別采用兩種模型的產流模塊計算；玉帶河鐵鎖關站以上流域以及上述2 個子區間的匯流部分采用分段馬斯京根連續演算,根據各子區間匯入河道位置,進行先合后演,逐河段演算至武侯鎮站斷面。

（2）武侯鎮～漢中

將武侯鎮～漢中區間劃分為干流武侯鎮站以上流域、漾家河元墩站以上流域、濂水河江西營站以上流域、褒河石門水庫以上流域、武侯鎮至漢中未控流域共5 個子區間。褒河石門水庫以上流域、武侯鎮至漢中未控流域2 個子區間的產流部分分別采用兩種模型的產流模塊計算；干流武侯鎮站以上流域、漾家河元墩站以上流域、濂水河江西營站以上流域3 個子區間及上述2 個子區間的匯流部分采用分段馬斯京根連續演算,根據各子區間匯入河道位置,進行先合后演,逐河段演算至漢中站斷面。

（3）漢中～洋縣

將漢中～洋縣區間劃分為干流漢中站以上流域、冷水河三華石站以上流域、溢水河長灘村站以上流域、胥水河升仙村站以上流域、漢中至黃金峽未控流域共5 個子區間。胥水河升仙村站以上流域、漢中至黃金峽未控流域2 個子區間的產流部分分別采用兩種模型的產流模塊計算；干流漢中站以上流域、冷水河三華石站以上流域、溢水河長灘村站以上流域3 個子區間以及上述2 個子區間的匯流部分采用分段馬斯京根連續演算,根據各子區間匯入河道位置,進行先合后演,逐河段演算至洋縣站斷面。

（4）洋縣～黃金峽

洋縣～黃金峽區間劃分為干流洋縣站以上流域、酉水河酉水街站以上流域、金水河金水站以上流域和洋縣至黃金峽未控流域共4 個子區間。金水河金水站以上流域子區間以及洋縣至黃金峽未控流域子區間的產流部分分別采用兩種模型的產流模塊計算；干流洋縣站以上流域、酉水河酉水街站以上流域2 個子區間及上述3 個子區間的匯流部分采用分段馬斯京根連續演算,根據各子區間匯入河道位置,進行先合后演,逐河段演算至黃金峽水庫壩址斷面。

圖1 漢江漢中段單站洪水預報拓撲結構

2.2 河系預報方案構建

以漢江干流黃金峽水文站為預報對象,根據漢江漢中段流域內子流域的上下游拓撲關系,串聯組合單站預報方案,并依據歷史場次洪水進一步優化單站預報中的新安江模型與垂向混合產流模型匯流參數,分別構建漢江源頭、武侯鎮站、漢中站至黃金峽站的河系預報方案,組合結構見圖2。2

圖2 漢江源頭、武侯鎮站、漢中站至黃金峽站河系洪水預報方案結構

.3 參數率定與結果分析

對單站次洪水分別進行新安江模型與垂向混合產流模型參數率定,茶店、石門水庫、升仙村、武侯鎮、漢中、洋縣站選擇1990 年～2014 年資料用于參數率定,2015 年～2020 年資料用于參數檢驗；黃金峽站選擇2010 年～2018 年資料用于參數率定,2019 年～2020 年資料用于參數檢驗。兩種模型的計算步長均為1 h。

模型參數率定采用人工優選法和SCE-UA自動優選法相結合的方式。對于土壤蓄水容量分布曲線指數B、深層蒸散發擴散系數C、流域不透水面積比例IM、土壤自由水容量分布曲線指數EX、地下水出流系數KG、地下水匯流系數CG、流域下滲率分布曲線指數BF、土壤對下滲率影響系數KF等相對不敏感參數,根據流域特征與預報經驗使用人工優選法對其進行率定；對于流域蒸散發折算系統K、土壤自由水蓄水容量SM、地面水匯流系數CS和流域實際下滲率FC等敏感參數,采用SCE-UA自動優選法率定；次洪模型中張力水蓄水容量WM、上層張力水蓄水容量WUM和下層張力水蓄水容量WLM數值通過日模型計算[10]。

兩種參數率定方法相結合有效避免了人工優選參數慢、參數精度低的缺點,同時可以避免自動優選參數取值不唯一、易陷入局部最優解的缺點。表1 為新安江模型次洪模擬參數率定結果,表2為垂向混合產流模型次洪模擬參數率定結果。表3 統計了兩種模型的單站洪水模擬精度評定指標,表4 統計了兩種模型的河系洪水模擬精度評定指標。

表1 新安江模型次洪方案參數

表2 垂向混合產流模型次洪方案參數

表3 單站洪水模擬精度評定指標統計

表4 河系洪水模擬精度評定指標統計

由兩種模型的次洪模擬參數結果可以看出,7 站同處于漢江漢中段流域,年降雨量比較接近,下墊面條件大致相同,因此7 站的大部分模型參數差別不大,但是在新安江模型次洪模擬中漢中、洋縣兩站的土壤自由水蓄水容量SM 取值較大,這主要是由于武侯鎮以下至洋縣小峽口為漢江平川段,土層較厚,土壤的蓄水量較山地明顯增大。

由次洪模擬精度評定結果可以看出,在率定期與檢驗期,單站預報與河系預報的洪峰誤差、峰現時間誤差的合格率以及確定性系數均達到乙等方案精度要求,表明了兩種模型在漢江漢中段流域具有較好的適用性,也說明了單站預報與河系預報方案構造合理,同時新安江模型的洪水模擬精度高于垂向混合產流模型,說明了漢江漢中段流域產流方式以蓄滿產流為主,超滲產流占比不高。

在單站次洪模擬中,支流模擬精度小于干流,說明了支流洪水受中小型水利工程蓄泄影響較大,在蓄泄作用下,支流單站的場次洪水量級與洪水過程較天然狀態下有差異,導致洪峰模擬合格率與確定性系數下降,同時還有雨量站數量不足與分布不均的影響。在干流次洪模擬中,洋縣、黃金峽站模擬效果優于武侯鎮及漢中站,說明了漢中～洋縣區間、洋縣～黃金峽區間來水對洋縣、黃金峽站洪水的貢獻小于上斷面的干流洪水演進。

黃金峽河系次洪模擬與單站次洪模擬對比,在洪峰模擬中,漢中～黃金峽河系方案模擬精度與單站模擬精度基本一致,漢江源頭～黃金峽、武侯鎮～黃金峽兩種河系方案精度較單站下降了7%,在峰現時間與過程擬合中,河系方案模擬精度與單站方案接近。主要原因在于河系連續預報中模型計算誤差傳遞對精度影響較大,單站預報只進行了1 次計算,漢江源頭、武侯鎮、漢中～黃金峽站河系預報分別進行了4次、3 次、2 次連續計算,同時石門水庫集水面積占漢中站控制流域面積的41.4%,漢中洪水主要來自干流武侯鎮站與區間支流褒河,漢中洪水受石門水庫蓄泄影響較大,部分場次洪水模擬精度較低,因此以漢中為預報依據站的河系方案較優,也說明了黃金峽站洪水主要來自洋縣以上流域,洋縣～黃金峽區間來水貢獻較低。

3 應用結果與分析

2021 年8 月～10 月漢江漢中段出現連續7 場暴雨洪水,從中選取了“20210821”“20210925”兩場典型洪水進行單站及河系預報計算,計算步長均為1h,源頭～黃金峽河系預報開始時間選擇過程降雨開始時刻,武侯鎮～黃金峽、漢中～黃金峽河系預報以及洋縣～黃金峽單站預報開始時間選擇上邊界的峰現時刻。表5 為兩場洪水河系預報結果評定指標統計,圖4、圖5 分別是“20210821”“20210925”號洪水河系預報過程線。

表5 河系預報結果評定指標統計

圖4 “20210821”號洪水河系預報過程線

圖5 “20210925”號洪水河系預報過程線

應用結果表明：在黃金峽站單站和河系預報中,兩場洪水預報誤差均在合格范圍內,新安江模型預報結果的洪峰相對誤差和確定性系數均好于垂向混合產流模型,并且黃金峽單站方案在洪峰預報中精度優于河系方案,漢中～黃金峽河系方案預報精度優于漢江源頭～黃金峽、武侯鎮～黃金峽方案。

從黃金峽站兩場洪水的河系預報結果分析,“20210925”洪水較“20210821”預報誤差更小,研究認為：“20210821”場次中黃金峽站洪水均主要來自漢中站,漢中站至黃金峽站區間流域產流不多,屬于典型的上游型洪水,而“20210925”場次屬于全流域暴雨洪水,在“20210821”場次中模型計算的區間產流量較實際偏大,同時對于上游型洪水來講漢中站預報誤差對下游洪水預報精度影響較全流域暴雨洪水更明顯。因此,與漢江漢中段上游型洪水相比,河系預報在全流域暴雨洪水應用中優勢更明顯。

4 結論

本文結合歷史洪水數據,采用新安江模型與垂向混合產流模型建立的河系預報方法在漢江黃金峽站洪水的洪峰預報、洪量預報、峰現時間誤差上模擬精度良好,同時新安江模型總體優于垂向混合產流模型,河系預報在全流域暴雨洪水模擬精度優于上游型洪水。

較單站預報方案,河系方案洪峰模擬精度下降了7%,峰現時間和洪水過程擬合中河系方案模擬精度與單站接近,河系方案預見期較單站延長了10 h～20 h。因此,漢江黃金峽河系預報在滿足了流域內防洪需求之上,更大程度地延長了洪水預見期,可為下游石泉、安康水庫的防洪調度提供更精確、更提前的洪水預報信息。但是,值得注意的是,石門水庫調度以及流域暴雨洪水類型是漢中及以下斷面河系洪水預報誤差產生的重要因素,這正是下一步的研究內容。