劉楚文

（云南省水文水資源局保山分局，云南保山 678000）

1 概述

短期水文預(yù)報(bào)是指預(yù)見(jiàn)期在3 天以內(nèi)的水文預(yù)報(bào)[1]。成功的短期水文預(yù)報(bào)對(duì)防汛抗旱以及水庫(kù)等水利工程的綜合利用有著十分重要的意義，然而，由于高原山區(qū)中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)條件復(fù)雜，降雨徑流等自然現(xiàn)象的不確定性大，加之人類活動(dòng)的影響，使得其預(yù)報(bào)精度較低，難以有效指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。因此，提高短期水文預(yù)報(bào)的精度，使其更好地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

2 基本情況

2.1 流域概況

南汀河屬怒江一級(jí)支流，發(fā)源于臨滄縣博尚水庫(kù)東側(cè)涼山，源地高程2320m，干流河長(zhǎng)272.9km，落差1860m，平均比降2.9‰，集水面積8208km2。干流沿途流經(jīng)臨滄縣、云縣、永德縣、鎮(zhèn)康縣、耿馬縣及滄源縣。上游由眾溪流匯合而成，過(guò)博尚水庫(kù)后由南向北流入臨滄縣境內(nèi)，經(jīng)云縣，轉(zhuǎn)向西南流，出云縣后為永德縣與耿馬縣的界河，后為鎮(zhèn)康縣與耿馬縣界河，在耿馬縣孟定農(nóng)場(chǎng)東北方進(jìn)入耿馬境內(nèi)，過(guò)孟定壩在耿馬縣清水河農(nóng)場(chǎng)以南出境，出境處高程460m。在耿馬縣孟定鎮(zhèn)姑老河村設(shè)有姑老河水文站，集水面積4185km2。

2.2 水文氣象

流域地處滇西中亞熱帶低緯山地季風(fēng)氣候區(qū)，具有冬春干燥、夏秋濕潤(rùn)、干濕季分明的氣候特點(diǎn)。每年11 月至次年4 月，在高空強(qiáng)盛大陸性干燥偏北氣流的控制下，天氣晴朗少雨，光照充足，蒸發(fā)量大，該期降雨量占年降雨量的20%左右；5 月至10 月由于受西南暖濕氣流的影響，氣溫較高、雨量充沛、降水日數(shù)增多，該期降雨量占年降雨量的80%左右，其中6～8 月占全年降雨量的60%左右。

2.3 降水特性

流域汛期（5-10）月降水量占年降水量的80%，主汛期（6-9）月降水量占年降水量的65.7%。流域內(nèi)降水分布不均衡，高山大于平地，迎風(fēng)坡大于背風(fēng)坡，年降水分配明顯不均，降水量大多集中在5～10 月，按流域地理位置和降水量分布，流域年降水量分布總的是由下游往中上游遞增。

2.4 洪水特性

南汀河的洪水，主要是由所控制的徑流區(qū)內(nèi)短歷時(shí)大強(qiáng)度的暴雨形成。根據(jù)實(shí)地調(diào)查分析，暴雨多發(fā)生在6～10 月份。洪水主要受印度洋暖濕氣流及西南季風(fēng)影響，加之流域內(nèi)海拔高差懸殊，山高谷深，地形復(fù)雜，常形成局部暴雨，暴雨是洪水的主要成因。流域水系較發(fā)育，河網(wǎng)密度大，流域形狀接近扇形，洪水過(guò)程較集中，徑流響應(yīng)快，暴雨洪水多發(fā)生在6～10 月份,為典型的山區(qū)性河流，暴雨洪水基本同頻。次洪水過(guò)程一般不超過(guò)24h，起漲歷時(shí)一般在0.5～3h 間，且單峰為主，峰高量小，屬典型的山區(qū)性小流域陡漲陡落的洪水特性。

3 所建方案描述

3.1 模型原理

1963 年，提出濕潤(rùn)地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流機(jī)制為主，1973 年，設(shè)計(jì)出國(guó)內(nèi)第一個(gè)完整的流域水文模型——新安江流域水文模型（RS、RG 二水源），1978 年，國(guó)外出版《山坡水文學(xué)》（回歸流、飽和坡面流），20 世紀(jì)80 年代中期，改進(jìn)設(shè)計(jì)出三水源新安江模型（RS、RI、RG）。

3.1.1 蒸散發(fā)計(jì)算

三層蒸發(fā)模式：

輸入：流域面降雨量P

實(shí)測(cè)多年平均蒸發(fā)ES（蒸發(fā)能力EM=K×ES）

參數(shù)：流域蒸散發(fā)能力折算系數(shù)K

上下深三層張力水蓄水容量WUM、WLM、WDM（之和為流域平均張力水蓄水容量WM）

深層蒸散發(fā)系數(shù)C

輸出：三層蒸散發(fā)量EU、EL、ED（和為流域蒸散發(fā)量E）EM=K×ES

當(dāng)P+WU≧EM 時(shí)，EU=EM、EL=0、ED=0

當(dāng)P+WU＜EM 時(shí)，EU=P+WU

若WL＞C×WLM 則EL=（EM-EU）×WL/WLM、ED=0

若WL＜C ×WLM 且 WL ≧C ×（EM-EU） 則EL=C ×（EM-EU）、ED=0

若WL＜C×WLM 且WL＜C×（EM-EU） 則

EL=WL、ED=C×（EM-EU）-WL

3.1.2 產(chǎn)流計(jì)算

根據(jù)蓄滿產(chǎn)流的概念，采用張力水蓄水容量面積分布曲線來(lái)考慮土壤缺水量分布的不均勻問(wèn)題。所謂張力水蓄水容量面積分布曲線是：部分產(chǎn)流面積隨張力水蓄水容量而變化的累計(jì)頻率曲線。

蓄滿產(chǎn)流模式：

在滿足田間持水量以前不產(chǎn)流，所有降雨都被土壤吸收（補(bǔ)充張力水，最終耗于蒸發(fā)）；在滿足田間持水量以后產(chǎn)流，所有降雨（扣除同期蒸發(fā)，變成自由水）都產(chǎn)流。

輸入：降雨量與蒸發(fā)量之差PE

參數(shù)：流域平均張力水蓄水容量WM

流域張力水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)B

流域不透水面積所占比例IM

輸出：流域產(chǎn)流量R

流域土壤含水量W（即張力水含量）

3.1.3 水源劃分

由于產(chǎn)流面積是不斷變化的，而且在產(chǎn)流面積上自由水蓄水容量分布也是不均勻的。因此，采用類似流域張力水蓄水容量面積分布曲線的流域自由水蓄水容量面積分配曲線來(lái)考慮上述不均勻性。所謂流域自由水蓄水容量面積分配曲線是指：部分產(chǎn)流面積隨自由水蓄水容量而變化的累計(jì)頻率曲線。

水源劃分方法：

自由水蓄水庫(kù)結(jié)構(gòu)劃分。自由水蓄水庫(kù)有兩個(gè)出口，一個(gè)底孔形成地下徑流RG，一個(gè)邊孔形成壤中流RI，其出流規(guī)律均按線性水庫(kù)出流（出流量=蓄水量×某一常數(shù)）。

輸入：產(chǎn)流量R

參數(shù)：自由水蓄水容量SM

地下水出流系數(shù)KG

壤中流出流系數(shù)KI

輸出：地面徑流RS

壤中流RI

地下徑流RG

3.1.4 匯流計(jì)算

RS：忽略坡面匯流時(shí)間，直接進(jìn)入河網(wǎng)形成TRS；

RI：進(jìn)入壤中流水庫(kù)，按線性水庫(kù)的退水規(guī)律流出（消退系數(shù)CI），為壤中流對(duì)河網(wǎng)壤中流總?cè)肓鱐RI；

RG：進(jìn)入地下徑流水庫(kù)，并按線性水庫(kù)的退水規(guī)律流出（消退系數(shù)CG），為地下徑流對(duì)河網(wǎng)總?cè)肓鱐RG。

3.1.5 參數(shù)

3.1.5.1 K：流域蒸散發(fā)能力折算系數(shù)，是指流域蒸散發(fā)能力與實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)值之比?？刂浦偟乃科胶?，對(duì)蒸散發(fā)計(jì)算進(jìn)而對(duì)產(chǎn)流量計(jì)算的影響最為重要和敏感。包括蒸發(fā)皿到真實(shí)水面蒸發(fā)、水面蒸發(fā)到土壤蒸發(fā)能力、蒸發(fā)觀測(cè)地點(diǎn)到流域平均蒸發(fā)能力的折算。若采用E601 型蒸發(fā)皿測(cè)的蒸發(fā)ES，則可作為EM 的初始值，K 則需要根據(jù)高程適當(dāng)修訂，一般隨高程增加而減小。由于蒸發(fā)觀測(cè)站多在流域出口斷面，一般取0.8～1.2。其率定一般需要至少4 年以上資料，且應(yīng)先固定其余參數(shù)，單獨(dú)率定此參數(shù)，目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為多年水量平衡計(jì)算。

3.1.5.2 流域平均張力水蓄水容量，為氣候參數(shù)，反映流域干旱程度。WM=WUM+WLM+WDM。

WM 率定范圍：濕潤(rùn)地區(qū)80～150mm、半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)150～200mm，也可不率定直接給定（濕潤(rùn)120，半濕潤(rùn)170）。WUM 一般5～20mm，植被很好20mm，植被很差5mm。對(duì)蒸發(fā)量計(jì)算進(jìn)而對(duì)產(chǎn)流量計(jì)算有些影響，系統(tǒng)中WUMx 為WUM 占WM 的比例，視具體情況選定率定范圍，一般取0.10～0.15。WLM、WDM 影響很小，WLM 一般60～90mm。WLMx 率定范圍0.60～0.90（WLMx 為WLM 占（WM-WUM）的比例）。

3.1.5.3 C：深層蒸散發(fā)系數(shù)，取決深根植物覆蓋面積占流域面積的比例。植被根系越發(fā)達(dá)深層蒸發(fā)越大，一般取0.1～0.2。

3.1.5.4 B：張力水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)，為地形地質(zhì)參數(shù)，反映流域張力水蓄水分布的不均勻程度，一般取0.1～0.5。流域內(nèi)地形地貌地質(zhì)情況差異越大，值越大；流域越大，值越大。很小流域（幾km2）值為0.1 左右，中等流域（100～1000km2）的為0.2～0.3 左右，較大面積（數(shù)千km2）的值為0.4 左右。

3.1.5.5 IM：為不透水面積占全流域面積之比。干旱期降一場(chǎng)小雨，所產(chǎn)生的小洪水認(rèn)為完全是不透水面積上產(chǎn)生的，其徑流系數(shù)即IM。天然流域0.01～0.02，城市區(qū)、水面沼澤區(qū)較大，一般取0.01～0.05。

3.1.5.6 SM：流域平均自由水蓄水容量，反映表層土（即腐植土層）的蓄水能力，植被越好土層越厚，值越大。但受降雨資料時(shí)段均化影響明顯，時(shí)段越短SM 越大，因?yàn)闀r(shí)段越短越不容易產(chǎn)生地表徑流。其不但決定了地表徑流的多少，影響洪峰形態(tài)，且對(duì)地表徑流與地下徑流的比重起決定作用。日模一般取10～20，次模一般取20～50。

3.1.5.7 EX：自由水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)，反映流域自由水蓄水分布的不均勻程度，大體反映了飽和坡面流產(chǎn)流面積的發(fā)展過(guò)程。其值一般取1.0～1.5，由于不敏感且變幅不大，可取定值1.5。

3.1.5.8 KG、KI：自由水蓄水庫(kù)對(duì)地下徑流和壤中流的出流系數(shù)，是并聯(lián)的。KG 反映基巖和深層土壤的滲透性，KI 反映表層土的滲透性。KG+KI 代表自由水出流的快慢，KG/KI 代表地下徑流與壤中流之比（RG/RI），對(duì)具體流域一般都為固定值。

一般雨止到洪水消退歷時(shí)為3 天，則[1-（KG+KI）]3≈0 可得KG +KI=0.7。當(dāng)歷時(shí)超過(guò)3 天時(shí)，表示深層壤中流在起作用，則不需要調(diào)整KG+KI 值，而用壤中流消退系數(shù)CI 來(lái)處理。

3.1.5.9 CI：深層壤中流水庫(kù)消退系數(shù)，控制壤中流退水形態(tài)，決定洪水尾部退水的快慢。如無(wú)深層壤中流時(shí)，CI 趨于零。當(dāng)深層壤中流很豐富時(shí)，CI 趨于0.9，相當(dāng)匯流時(shí)間約為10 天。

其作用是彌補(bǔ)KG+KI =0.7 的不足，對(duì)整個(gè)洪水過(guò)程的影響，遠(yuǎn)不如SM、KG/KI 明顯。一般取0.1～0.9。

CG：地下水庫(kù)消退系數(shù)，反映地下水退水的快慢?？筛鶕?jù)枯季地下徑流的退水規(guī)律推求，CG =Qt+△t/Qt。一般取0.950～0.999，相當(dāng)于退水歷時(shí)20～500 天。

3.2 方案建立

預(yù)報(bào)方案設(shè)置以姑老河水文站以上區(qū)間作為計(jì)算區(qū)域，產(chǎn)匯流模型分別采用蓄滿產(chǎn)流模型和滯后演算模型，采用三水源蓄滿產(chǎn)流模型（SMS_3）和三水源滯后演算匯流模型（LAG_3）[2]，演算至姑老河站，得到姑老河站流量過(guò)程。方案計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)分別為1h、2h、3h、4h、6h，方案輸出類型為流量[3]。模型參數(shù)率定選用2014 年實(shí)時(shí)資料，雨量采用姑老河等55 個(gè)雨量站進(jìn)行計(jì)算；蒸發(fā)為本站多年實(shí)測(cè)蒸發(fā)資料，率定出K 值，水量平衡。模型不同時(shí)段長(zhǎng)率定的平均確定性系數(shù)分別為0.941、0.944、0.940、0.936、0.933，洪水過(guò)程擬合較好，參數(shù)取值在合理范圍之內(nèi)[4]。

4 典型大水描述

資料選取南汀河姑老河站2014 年汛期5 月1 日～10 月30日資料進(jìn)行參數(shù)率定，最高水位和最大流量均發(fā)生在7 月22日，水位為518.40m，流量902m3/s，為1959 年6 月建站以來(lái)第三大洪水。第一大洪水發(fā)生在2007 年7 月20 日。第二大洪水發(fā)生在2001 年6 月2 日。

5 不同時(shí)間步長(zhǎng)參數(shù)對(duì)比

固定參數(shù)WM=115.183、K=1.500、B=0.375、C=0.103、IM=0.047、EX=1.500、KG+KI＜0.90、CI=0.891、CG=0.985 后，共5 種步長(zhǎng)的參數(shù)對(duì)比如表1 所示，CS 理論值與CS 模擬值對(duì)比如表2 所示。

表1 南汀河姑老河水文站不同步長(zhǎng)參數(shù)對(duì)比表

表2 CS 理論值與CS 模擬值對(duì)比表

6 討論

為研究短期水文預(yù)報(bào)時(shí)間尺度對(duì)預(yù)報(bào)精度的影響，采用新安江三水源模型不同時(shí)間尺度對(duì)洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)影響，選取南汀河姑老河水文站2014 年汛期5 月1 日～10 月30 日資料，時(shí)段長(zhǎng)分別為1h、2h、3h、4h、6h 進(jìn)行參數(shù)率定，經(jīng)過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間尺度增大，水文預(yù)報(bào)精度先提高后降低，呈現(xiàn)前面精度高后面精度低的趨勢(shì)。這種趨勢(shì)可能與徑流序列的相關(guān)性、周期性及資料序列對(duì)干擾因素的綜合作用有關(guān)。結(jié)果表明：模型不同時(shí)段長(zhǎng)率定的平均確定性系數(shù)分別為0.941、0.944、0.940、0.936、0.933，CS 值隨時(shí)段長(zhǎng)增加而減小，SM 值隨時(shí)段長(zhǎng)增加而遞減，洪水過(guò)程擬合較好，參數(shù)取值在合理范圍之內(nèi)，所選洪水預(yù)報(bào)模型較適合南汀河流域。