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的降雨徑流預(yù)報模型，最初研制的是二水源新安江模型，經(jīng)過改進和發(fā)展，現(xiàn)廣為使用的是三水源新安江模型。新安江模型的特點是認(rèn)為濕潤地區(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地區(qū)與半濕潤地區(qū)的濕潤季節(jié)，現(xiàn)已成為與我國特色應(yīng)用較為廣泛的一個流域水文模型。本文通過對閩江流域梅溪河洪水特性進行分析，探討了基于該模型的閩清水文站預(yù)報方案編制。

2 案例應(yīng)用

2.1 站點概況

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，是閩江梅溪干流控制站，集水面積為934 km2，河道長78.1 km，河道坡降13‰。本站測驗河段順直，水流平順通暢，河床穩(wěn)定；梅溪發(fā)生洪水時，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，降雨量時空分布雨季、旱季十分明顯，地勢高低懸殊甚大，地貌復(fù)雜多樣，梅溪既遭鋒面雨和臺風(fēng)影響造成洪水歷時短、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，洪水的流量過程呈現(xiàn)陡漲緩落趨勢，一般一場洪水的持續(xù)時間約在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程的分析可知，該站點所在流域的徑流具有蓄滿產(chǎn)流的特點，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，進行站點的流量預(yù)報。

故本文選取適合濕潤地區(qū)流量預(yù)報的新安江三水源蓄滿產(chǎn)流模型進行凈雨的計算，采用滯后演算進行匯流的計算，預(yù)報閩清水文站點的流量過程。

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。針對跨小時的降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)比例將其分配給不同的時間段，并進行整合以得到規(guī)整的小時降雨數(shù)據(jù)?？紤]到要進行確定性系數(shù)的計算，本文運用貝塞爾插值方法將選取的實際洪水插值成和模擬的洪水過程相對應(yīng)的流量過程，同時保留洪峰流量，以提高模擬的精度。

2.4 面雨量計算

考慮到閩清水文站的控制流域面積比較大，單純運用算術(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行推求。雨量站權(quán)重的推求是依據(jù)每個雨量站控制流域面積占全流域面積的比例推求得到的，具體見表1，閩清站控制流域河流水系站網(wǎng)情況見圖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個計算區(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)計算、產(chǎn)流量計算和分水源計算三部分來推求流域產(chǎn)生的凈雨。蒸散發(fā)計算采用三層蒸散發(fā)計算模式，產(chǎn)流計算采用流域蓄水容量曲線來計算，分水源計算采用自由水蓄水庫計算。三水源滯后演算模型將洪水波運動中的平移與坦化兩種作用分開且一次處理。水流經(jīng)一連串“線形渠道”滯后一段時間模擬平移，同時經(jīng)一連串“線性水庫”調(diào)蓄演算模擬坦化。模型采用VB語言編寫，封裝后由洪水預(yù)報系統(tǒng)接入，方案編制依托洪水預(yù)報系統(tǒng)進行。

流域面降雨采用泰森多邊形法推求。方案計算步長為1 h，方案輸出類型為流量。預(yù)報方案結(jié)構(gòu)圖見圖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場次洪水的資料對參數(shù)進行率定，選用2013年～2014年2年6場次洪水的資料校驗，率定校驗結(jié)果見表2。參數(shù)取值見表3。部分場次洪水率定驗證見圖3～圖6。

表2 閩清站新安江模型精度評定與檢驗表

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次洪驗證結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 次洪率定校驗結(jié)果分析

通過對2005～2012年17場次洪進行參數(shù)率定及調(diào)整，對2013年～2014年6場次洪參數(shù)校驗。根據(jù)參數(shù)的率定校驗結(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洪水(2006年、2007年、2008年、2012年)，預(yù)報值均偏小，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月底為率定時間段，率定時默認(rèn)前期無降雨，而在2006年、2007年、2008年、2012年這幾年在5月前期有多場次的中小降雨，導(dǎo)致預(yù)報的流量比實測流量要小很多，次洪率定不合格。其他次洪率定校驗結(jié)果均合格。

根據(jù)部分次洪的率定校驗結(jié)果圖(圖3～圖6)可以看出，次洪率定洪水過程整體擬合良好，但是不完全擬合，主要原因是：在率定過程中對次洪的降雨數(shù)據(jù)進行了小時均化處理，計算的流量跟實測的流量有一定偏差，另外，2008年7月27日至8月1日次洪為復(fù)峰，擬合過程差距比較大，經(jīng)調(diào)查，2008年07月25日14時至07月31日02時為當(dāng)年的第8號強臺風(fēng)“鳳凰”，第一個峰實測起峰受臺風(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，在次洪選擇時也去掉了第一個峰的洪水場次。

3.2 模型結(jié)果分析

通過對閩清水文站進行新安江模型的構(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)進行參數(shù)的校驗。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，說明本區(qū)植被相對茂盛，與本區(qū)實際情況相符等；根據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范(GB/T 22482-2008)》，以降雨徑流預(yù)報與實測洪峰流量的20%作為許可誤差，洪峰流量QR合格率>85%為甲級方案，以合格率85.0>QR≥70.0為乙級方案，以70.0>QR≥60.0為丙級方案，對2005年～2012年8年15場次洪水樣本評定，洪峰流量合格率為77.8%。對2013年～2014年6場次洪水樣本檢驗，合格率為100%。確定該方案為乙級方案，可用于發(fā)布正式預(yù)報。

4 結(jié)語

通過在閩江流域梅溪河構(gòu)建新安江模型，進行參數(shù)率定及校驗，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，在方案的使用過程中，定期增加新的雨洪數(shù)據(jù)，尤其是隨著時間的延長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)受臺風(fēng)影響，會有突發(fā)大暴雨，針對這種情況，建議選擇臺風(fēng)時降雨洪水?dāng)?shù)據(jù)，率定分析一套適合臺風(fēng)時的模型參數(shù)，用于臺風(fēng)時進行預(yù)報。在實際預(yù)報過程中，要注意根據(jù)實際的洪水過程，對敏感參數(shù)進行實時微調(diào)，提高預(yù)報精度。