新安江模型在紫荊關流域的應用

車云竹

(河北省保定水文勘測研究中心,河北 保定 071051)

新安江模型是河海大學趙人俊老師團隊提出的概念性的分布式降雨徑流模型,普遍適用于我國南方濕潤及半濕潤地區[1]。大清河屬于海河流域,地處北方半干旱半濕潤地區,文章選取大清河流域拒馬河上游控制站紫荊關站為例,運用趙人俊老師團隊提出的新安江模型[2]分年代、分量級對紫荊關流域大中洪水分別率定計算,分析其敏感參數取值的不同,摸清其規律,最后實際應用預報,提高預報精度,為進一步提高北方半干旱半濕潤山區洪水預報做貢獻。

1 流域概況

紫荊關屬于海河流域,地處北方半干旱半濕潤山區,為大清河北支拒馬河上游的控制站。拒馬河是大清河北支主要河流之一,北與永定河,西與唐河,南與中易水、北易水,東北與琉璃河相鄰。該河發源于河北省淶源縣境,流經易縣、淶水、房山等縣。石門以上為淶源盆地,石門至紫荊關之間為開闊谷地,紫荊關以下流經山峽,至張坊始出山區。主要河道縱坡比為3.1%,而支溝坡度均>4%,故在各支溝匯入干流河口處均有沖積區。河床覆蓋物為砂礫、塊石。

紫荊關水文站上游有北屯河、西神山河、獅子峪溝、烏龍溝、黃臺院溝和王安鎮溝等支流匯入。有大型灌渠五一渠(跨流域引水至安格莊水庫)和小盤石水電站1座,南上屯水庫(小型)1座。紫荊關以上流域集水面積為1760km2。主河長81.5km,河道縱坡5.5‰,流域平均寬度25.4km。

本流域氣候季節性差別較大,冬季多西北風,干旱少雨,夏季炎熱多雨。7、8月雨量約為400mm左右,占全年雨量的62%(年雨量約為650mm)。經統計資料可知,紫荊關站于1963年8月8日出現最大洪峰流量4490m3/s,歷史排位第一。 近30a來,紫荊關流域流量最大值為2012年7月21日2130m3/s。

2 研究方法與選用資料

2.1 研究方法

新安江模型由河海大學趙人俊教授團隊1973年提出,在中國南方濕潤和半濕潤地區得以應用,后來實踐中對模型結構和部分參數繼續改善,于1981年新安江三水源模型問世,得到國際上的普遍認可,目前廣泛應用于中國南方濕潤和半濕潤地區,參數值較穩定,預報精度也比較高[2]。

新安江模型是一種概念性的分布式降雨徑流模型。新安江三水源模型由蒸散發計算、產流量計算、分水源計算和匯流計算4部分組成[3]。其中流域蒸散發量采用3層蒸發模式計算,將土壤劃分為上、中、下三層;產流量計算采用蓄滿產流機制,在滿足田間持水量以后產流;分水源計算是通過線性水庫將總徑流量分為地表徑流、壤中流和地下徑流三部分;匯流計算是通過馬斯京根法或是滯后演算法計算[4]。

紫荊關屬于海河流域,地處北方半干旱半濕潤山區,降雨和徑流相對充沛。文章結合紫荊關流域的具體特點,選用新安江三水源模型對紫荊關流域大、中洪水進行率定計算,分析其敏感參數,探究其規律,并應用于實際預報。

2.2 選用資料分析

文章采用紫荊關流域14個雨量站、1個水文站。14個雨量站點有:紫荊關、艾河村、淶源、插箭嶺、雀兒嶺、石門、團圓村、斜山、胡子峪、獅子峪、東團堡、烏龍溝、王安鎮和平頂山[5];水文站點選用:紫荊關。紫荊關水文站為出流站。蒸發資料采用安各莊站的實測蒸發資料。

由于大規模經濟建設,大清河流域在20世紀80年代前后下墊面有明顯變化,結合當前歷史洪水整編資料情況和歷史洪水實際代表意義,選用紫荊關流域1955—2021年間11場中大洪水實測資料。同時,考慮到下墊面條件的變化以及人類活動的影響,將上述階段人為劃分為1980年前與1980后兩個階段,對大、中洪水分別進行率定[6]。1980年前共采用了6場歷史洪水,1980年后共采用了5場實測洪水資料。紫荊關流域歷史洪水場次選取情況,見表1。

表1 紫荊關流域歷史洪水場次選取情況

3 方案構建

文中預報方案模型選用新安江模型。方案輸入為紫荊關站(30805301)時段流量過程;區間(控制面積1760km2)包括14 個雨量站時段降雨過程,面雨量控制權重采用泰森多邊形法;區間產匯流模型分別采用新安江模型(SMS-3)和滯后演算模型(LAG-3)[7]。方案輸出為紫荊關站時段流量過程。

4 模型參數及方案評定

4.1 模型敏感參數成果

新安江模型共有17個參數,每個參數均有各自的物理意義,有些參數比較敏感,稍有調整,對預報結果影響比較大;有些參數反映不明顯[8]。依據模型結構與作用劃分為產流、匯流兩個階段,產流階段包括蒸散發計算、產流量計算和三水源計算3部分;匯流階段主要涉及匯流計算,分為坡面匯流、河網匯流和河道匯流3類。對17個參數的意義與敏感情況進行分析,新安江模型參數說明表,見表2。

表2 新安江模型參數說明表

文中運用新安江模型分別對1980年前與1980后兩個階段的大、中洪水分別進行率定,最后選取較為敏感的參數對比分析,探究其在預報中的影響程度多少,摸清規律,以便應用于實際作業中。新安江模型參數說明表,見表3。

表3 紫荊關歷史洪水場次模型參數選用情況

由表2可知,敏感參數主要是產流參數K、WM、SM。其中WM表示張力水容量,即流域張力水最大缺水量,反映流域的干旱程度。南方濕潤地區WM取值一般為100～150mm、北方半濕潤地區一般為150～200mm。文章選取的洪水場次均在主汛期,受前期降雨量影響,張力水蓄水容量應基本符合其取值范圍,但率定后兩個年代參數取值均偏大,違背其本身的物理意義,尤其1980年之后,大水年份時,WM取值明顯偏大,說明1980年代后本流域明顯受人類活動的影響。

SM表示流域平均自由水蓄水容量,反映土壤包氣帶的調蓄作用,決定地表徑流多少,主要影響過程線洪峰形態,且對地表徑流與地下徑流的比重起決定作用[9]。SM越大,意味著地面徑流少,相應洪峰變低;相反則相應洪峰越高,兩者成負相關關系。SM取值范圍是20～80。紫荊關流域位于拒馬河上游,以山地為主,植被覆蓋率<80%。經近3a對本流域勘察資料可知,紫荊關上游河道為天然河道,淶源縣城至紫荊關段常年有水,河床穩定。匯入拒馬河的分支團圓溝、斜山溝、獅子峪溝、王安鎮溝、烏龍溝、黃臺院溝,除王安鎮溝有小溪流匯入、其他支流干涸。本流域內共有攔水橡膠壩四座,分別為:淶源石門橡膠壩、紫荊關漂流橡膠壩、磐石電站橡膠壩、紫荊關五一渠橡膠壩。受其影響,增加了流域攔蓄,土壤包氣帶相應發生變化。因此,分年代率定參數可知,1980年之后較1980年之前SM值偏小,均處于合理范圍。分量級分析,在降雨量基本相同的情況下,大水較中水率定的SM均偏小,符合物理意義和規律。

匯流參數中敏感參數是CS、LAG。其中CS為河網蓄水消退系數,反映洪水過程坦化的程度。CS越小,洪峰越高,呈負相關。由表2可知,從年代分析,同一量級的洪水,80年代后CS取較80年代前偏小;從量級分析,兩個年代中,大水較中水CS均偏小。

4.2 方案評定

經對紫荊關流域的11場歷史洪水進行率定,紫荊關站1963年洪水模擬結果示意圖,見圖1;紫荊關站1964年洪水模擬結果示意圖,見圖2;紫荊關站1982年洪水模擬結果示意圖,見圖3;紫荊關站1996年洪水模擬結果示意圖,見圖4。紫荊關流域分年代分量級歷史洪水率定成果,見表4。結果表明,運用新安江模型對于紫荊關流域歷史洪水的洪量的模擬效果較好,兩個年代的合格率算數平均值達到80%以上,要優于兩個年代的洪峰預報效果70%。

圖1 紫荊關站1963年洪水模擬結果示意圖

圖2 紫荊關站1964年洪水模擬結果示意圖

圖3 紫荊關站1982年洪水模擬結果示意圖

圖4 紫荊關站1996年洪水模擬結果示意圖

表4 紫荊關流域分年代分量級歷史洪水率定成果

由表4可知,在1980年前的歷史洪水場次模擬中,大水的洪量合格率為100%,洪峰合格率70%,中水的洪量合格率和洪峰合格率均為70%;1980年后的歷史洪水場次模擬,大水的洪量和洪峰合格率為100%,中水的洪量合格率為100%,洪峰合格率70%。因此,根據《水文情報預報規范》(GBT 22482—2008)的要求,分年代分量級模擬的確定性系數均在0.75左右,合格率均在70%以上,達到或超過乙級精度,預報效果比較好,適用于紫荊關流域洪水預報。

5 結 論

1)文章紫荊關站為山區站,屬于降雨徑流型,流域輸入只有一個區間,運用新安江模型分年代分量級對紫荊關流域洪水進行模擬,合格率均在70%以上,達到或超過乙級精度,相對來說預報效果比較好,因此,新安江模型適用于北方半干旱半濕潤山區。

2)通過分年代分量級模擬紫荊關流域洪水可知,大、中水方案,無論1980年之前還是之后,模擬精度均高于不分量級和年代時的精度,更適用于實際工作。

3)實際作業預報中,對于紫荊關流域,產流參數中主要是根據降雨量調整SM,匯流參數中主要調整CS,LAG,優先調整CS。

4)由于洪水資料有限,率定資料年份不足,未按照水文情報預報規范完成洪水檢驗,今后實際工作中待有洪水資料后繼續完善率定檢驗,進一步修訂方案參數,更好地服務預報[10]。