新安江模型在琴江尖山水文站洪水预报中的应用研究
时间：2023-02-21 14:50:07 来源：千叶帆 本文已影响人
卫瀛海 广东省水文局梅州水文分局
洪水灾害是世界上最严重的自然灾害，我国也是世界上发生洪水灾害频率最高、受灾最严重的国家之一，洪灾给人民群众的正常生活、生产活动带来巨大损失与祸患，威胁着人民群众的生命财产安全，同时也制约了地区经济和社会的发展。在长期的洪水灾害防治过程中，人类总结发展了许多应对措施，其中洪水预报被认为是最重要且有效的防洪非工程措施。及时、准确地对来水量进行预报是防洪减灾决策中的重要依据，可以使水库进行有计划的蓄洪、分洪并做出合理调度方案，这对洪涝灾害防治、提高洪水资源的利用率、充分发挥水利工程效益具有重要意义[1]。
本文的研究区琴江流域，为梅江源头，发源于广东省陆丰市与紫金县交界的乌突山七星岽，在五华县水寨镇与五华河交汇，五华河口以下则称为梅江。琴江集水面积为2871km2，河长136km，河床比降1.10‰，河段流经紫金县、五华县，主要支流有：北琴江（华阳水）、周江水、平安水、大都水、横陂水、蕉洲水等。流域地形大体呈扇形状，干支流上游为山地，中下游大部分在海拔300m以下，丘陵、谷地相间。土壤类型大部分是赤红壤土，土层深厚，透水性小。植被情况中上游较好，下游较稀薄。本流域地处亚热带气候区，受海洋东南季风影响，高温、多雨、湿润。多年平均雨量约1500mm，降雨主要集中在每年汛期4月至9月,非汛期降雨量较小。前汛期3至6月洪水成因一般是由峰面雨所造成，流域历史较大洪水多发生在前汛期；
后汛期7至9月洪水成因一般是由热带风暴所造成，受登陆珠江口台风影响，本地区西南大部分处在莲花山北麓的迎风坡，降雨强度大。
尖山水文站（东经115°37′25″，北纬23°39′52″）位于琴江上游，测站地址为五华县梅林镇尖山村，于1958年6月3日设立为基本水文站，河道长度为91km，坡降0.405‰，集水面积1578km2。主要测验任务有水位、流量、降雨量、水质监测等。尖山站以上为山区性河流，河流坡降陡，集流时间短，峰型尖瘦，一般在最大暴雨出现后8至14小时出现洪峰。
新安江模型是河海大学赵人俊教授团队提出的一个水文模型，适应于湿润与半湿润地区，产流采用三水源新安江模型，地面汇流采用单位线法,壤中流和地下径流分别采用不同的线性调蓄水库，分别模拟其汇流过程[2]。其主要特点是应用了蓄满产流与马斯京根汇流概念，有分单元、分水源、分汇流阶段的特点，并且结构简单，各参数具有明确的物理意义，计算精度较高，在国内外水文预报工作中得到了广泛的应用[3]。
模型涉及的参数较多,有些参数很敏感，参数值稍有改变对结果的影响较大；
有些参数则反映迟钝。15个参数的意义与敏感性详见表1，依据模型结构与作用可以分为蒸散发参数、产流量参数、水源划分参数、汇流参数四种类型[4，5]。
表1 新安江模型参数列表
3.1 数据的选择与处理
使用资料为1990-2011年尖山水文站的小时径流数据及流域雨量站点小时降雨数据，该资料年限包含代表大中小洪水的年份，满足《水文情报预报规范》的要求，代表性良好，计算时段长选择1小时。2004年之前流域雨量站无实测逐小时的雨量数据，一般为3小时或6小时的人工观读数据，因此在资料处理时将3小时或6小时雨量数据采用算术平均法平均到逐个小时。
尖山站以上流域为闭合流域，有多个雨量站点，经对已有资料分析，有尖山、际头、黄布、洋头、黄新、南洞、龙村、中心坝、中正、宝洞围、梨树坳共11个雨量站点历史数据序列长，且不存在断层的情况，平均每个雨量站点控制的流域面积约为140km2，站点在流域上的位置分布总体较为均匀[6]。模型采用算术平均法计算各雨量站的权重系数，雨量权重系数分别为0.091。
由于尖山水文站无蒸发量监测要素，故流域的蒸发数据借用临近水文站点五华河上的河子口水文站月年平均蒸发量数据，统计年份为1983至2017年，详见表2。
表2 河子口站月平均蒸发量统计表
3.2 模型参数率定
从尖山水文站1990-2011年共21年的径流资料中，选取25场次洪样本进行参数率定，选取2013年1场洪水进行检验。模型参数的率定采用人工率定与系统自动优选相结合的方式。系统采用了5种计算流量算法进行自动优选，分别为遗传算法、单纯形算法、罗森布瑞克算法、遗传算法+单纯形算法、遗传算法+单纯形算法+罗森布瑞克算法，最终选取拟合度最好的一组参数[7]。最终优选的参数率定结果见表3，各个参数均满足根据物理意义和经验总结所确定的取值范围，次洪样本的率定成果见表4。
表4 尖山站新安江模型参数次洪总量洪峰流量率定成果表
3.3 结果检验与分析
从率定成果表可知，25场洪水样本中，次洪样本计算洪峰流量相对误差均值为21.98%，次洪产流量相对误差均值为19.30%，模型模拟次洪过程的总平均确定性系数为0.78。样本实测峰现时间与计算峰现时间误差在0 到3 小时以内的洪水场次共用22场，占比88%，洪峰预测时间准确性较高，方案精度较好，根据《水文情报预报规范》（GB 22482-2008-T），为乙等方案。使用“2013081716”次洪水对该方案进行检验，洪峰流量误差为21.32%，次洪产流量误差为13.47%，过程确定性系数为0.91，峰现时间为2小时，基本可以满足作业预报使用。
经分析，本次针对尖山水文站率定的新安江模型预报方案等级为乙级主要有如下几点原因：一是由于选取洪水资料年限较为久远，时间跨度超过二十年，流域的地形特征、植被情况与河道断面均发生了变化，对流域的产汇流过程都产生了较大的影响，用一套参数来拟合极可能存在误差；
二是流域内水利工程建设与人类活动深刻影响着河道的径流过程，从历史洪水可以看出，部分场次洪水过程受水利工程的拦蓄影响，明显被人为调控，进而降低了预报方案的确定性系数；
三是降雨资料在面降雨量及时段雨量的处理（次洪样本）中出现的雨量均化问题,对模型的模拟效果在一定程度上有所影响[8]。
本文应用新安江模型编制了琴江尖山水文站的洪水预报方案，方案等级达到乙级，并对预报方案进行了进一步检验，结果表明新安江模型在尖山水文站的适用性较好，引入新安江模型丰富了尖山站洪水预报方法。
流域下垫面条件自然的变化以及水利工程的调度对模型参数率定存在一定影响，因此在参数率定过程中，为提高预报方案实用性，应尽量选取与近期洪水样本拟合较好的参数，且应充分考虑水利工程的影响，实施洪水预报时实时掌握流域内水利工程的运行情况。
模型建立过程中对降雨资料的处理方法上有待改进,可以采用更为合理的泰森多边形法对降雨资料进行计算，同时也说明模型中降雨资料的处理是模型系统输入中十分重要的一环。
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