肖興濤，張鵬遠(yuǎn)，張淑霞

(1. 黑龍江省水文局，哈爾濱150001;2. 哈爾濱水文局，哈爾濱150010;3. 佳木斯水文局，黑龍江 佳木斯154002)

1 新安江模型簡介

20 世紀(jì)60年代初，華東水利學(xué)院( 現(xiàn)為河海大學(xué)) 水文系趙人俊等開始研究蓄滿產(chǎn)流模型，配合一定的匯流計算，可以用于水文預(yù)報和水文設(shè)計。1973年，他們在對新安江水庫做入庫流量預(yù)報的工作中，把他們的經(jīng)驗歸納成一個完整的降雨徑流流域模型——新安江模型，可用于濕潤地區(qū)與半濕潤地區(qū)。

最初的新安江模型為兩水源模型——地表徑流、地下徑流，由于存在穩(wěn)定下滲不是常數(shù)，單位線有多條等問題，到80年代初，又提出了新安江三水源模型——地面徑流、壤中流、地下徑流，在1984—1986年，又提出了四水源新安江模型——地面徑流、壤中流、快速地下徑流和慢速地下徑流。由于模型產(chǎn)流采用蓄滿產(chǎn)流的概念，適用于濕潤和半濕潤地區(qū)，黑龍江省屬于半濕潤地區(qū)，理論上此模型適用本地區(qū)。

2 模型的結(jié)構(gòu)和原理

2.1 模型的結(jié)構(gòu)

新安江模型是一個分散性模型，把流域分成多塊，對每塊分別計算產(chǎn)匯流，總和后求得出口斷面流量過程。模型由蒸發(fā)、產(chǎn)流分水源和匯流4個模塊組成。

2.2 模型原理和計算公式

新安江三水源模型由產(chǎn)流、蒸散發(fā)、分水源和匯流4個模塊組成。

2.2.1 產(chǎn)流模塊

模型的產(chǎn)流部分采用蓄滿產(chǎn)流概念，直到包氣帶蓄水量達(dá)到田間持水量時才能產(chǎn)流。產(chǎn)流后，超滲部分成為地面徑流，下滲部分成為壤中流和地下徑流。

由于土壤濕度在面上分布不均勻，產(chǎn)流面積是變化的。為此在新安江模型中引進(jìn)了張力水蓄水容量曲線，并以B 次方拋物線來表示。據(jù)此可求得降雨徑流關(guān)系。

2.2.2 蒸散發(fā)模塊

用3個土層的模型，其參數(shù)為上層張力水容量UM，下層張力水容量LM，深層蒸散發(fā)系數(shù)C，蒸散發(fā)折算系數(shù)K，所用公式為:

當(dāng)上層張力水蓄量足夠時，上層蒸散發(fā)EU 為:

當(dāng)上層已干，而下層蓄量足夠時，下層蒸散發(fā)EL 為:

當(dāng)下層蓄量亦不足，要涉及到深層時，蒸散發(fā)為ED 為:

2.2.3 分水源模塊

分3 種水源，即地面徑流RS、地下徑流RG 和壤中流RI。參數(shù)為表層土自由水容量SM，表層自由水蓄水容量曲線的方次EX，表層自由水蓄水容量對地下水的出流系數(shù)KG 及對壤中流的出流系數(shù)KI，所用公式為:

2.2.4 匯流模塊

匯流分為3個階段進(jìn)行: 坡地匯流階段、河網(wǎng)匯流階段和河道匯流。坡地匯流是指水體在坡面上的匯集過程，坡地匯流采用線性水庫方法。地表徑流在坡地階段一般時間很短，坦化可以忽略。

地面徑流的坡地匯流時間不計，直接進(jìn)入河網(wǎng):

3 模型的參數(shù)和率定

3.1 模型參數(shù)

若河網(wǎng)匯流采用滯后演算法，單元流域的新安江模型有15個參數(shù)，具體見表1。

表1 新安江模型參數(shù)表

3.2 模型的率定

模型率定有人工試錯法、客觀優(yōu)選法及數(shù)學(xué)最優(yōu)化方法。目前各種概念性流域水文模型，主要依靠經(jīng)驗的人工試錯法來確定參數(shù)，結(jié)果不太客觀。這里說一下參數(shù)調(diào)試的客觀優(yōu)化法。

流域水文現(xiàn)象按其性質(zhì)可分幾個層次。對于濕潤地區(qū)，一般可分為蒸散發(fā)、產(chǎn)流、分水源、匯流等4個層次。第1 層蒸散發(fā)主要由氣候因素決定，最為穩(wěn)定，能決定長時段內(nèi)的產(chǎn)流總量，但對產(chǎn)流過程的作用很小。第2、3 層決定產(chǎn)流量在水源上與時間上的分配，與降雨過程及流域條件的關(guān)系很密切，變化比蒸散發(fā)敏感得多。第4 層把流域面上的各種水源的產(chǎn)流過程匯集成為流域出口的出流過程，流量變化十分敏感。每一層次中有一定的公式與參數(shù)，以實現(xiàn)模擬計算。這種計算方法的前提是下一層次的參數(shù)值對上一層的計算結(jié)果影響很小。

如全流域分塊計算，則需要進(jìn)行河道演算，也增加XE、KE 及河道匯流段數(shù)N，這幾個參數(shù)可根據(jù)河段特性用水力學(xué)法求出，一般不需要優(yōu)選。參數(shù)WM、UM、LM、B、C、IM 都不敏感，按一般經(jīng)驗定值即可，不需要優(yōu)選。EX 的變化范圍不大，一般在1 ～2，可令EX=1.5，KG+KI=0.7。因此，在優(yōu)選參數(shù)時待定的參數(shù)有K、SM、KG/KI、CG、CI、CS 共6個。其余參數(shù)在必要時可單獨作調(diào)整。在這6個參數(shù)中，層次1 中有1個，層次3 中有2個，層次4 中有3個。

4 模型應(yīng)用實例

新安江的參數(shù)率定包括日模型與次洪模型，相應(yīng)的包括日模型與次洪兩個程序，參數(shù)率定采用人機對話方式，包括有客觀優(yōu)化及單純形優(yōu)化算法。現(xiàn)以松花江水系湯旺河流域五營水文站為例，說明在參數(shù)率定中采用客觀優(yōu)化及單純形優(yōu)化算法的分析過程。從理論上來說，客觀優(yōu)化方法是數(shù)學(xué)優(yōu)化與人工試錯結(jié)合起來，可以得到唯一的解。單純形優(yōu)化算法是局部優(yōu)化方法。全局優(yōu)化方法可以得到全局最優(yōu)參數(shù)，但實際上有時也得不到，而且優(yōu)化時間太長。相比之下，改正的單純形法效率較高，且全局優(yōu)化方法中使用的基本方法就是在單純形法上發(fā)展起來的，為此一般概念性水文模型的參數(shù)率定多采用單純形法。

4.1 流域概況

湯旺河流域?qū)儆谒苫ń?，位于黑龍江省境?nèi)，發(fā)源于小興安嶺南坡，伊春市烏伊嶺區(qū)桔源林場43 林班，湯旺河由北向南貫穿小興安嶺腹地。五營水文站為湯旺河干流上游控制站，控制流域面積4 160 km2，流域形狀為橢圓狀，至河口距離319 km，河長87 km，比降為8‰ ～10‰。流域內(nèi)植被良好，多為針、闊葉森林覆蓋，兩岸有少量耕地。年降水量633 mm，徑流深259.4 mm。洪水來源為降雨徑流，年最大洪峰一般出現(xiàn)在汛期7—9月份，尤其以7—8月份最為集中，年內(nèi)徑流分配7—9月份為56%，4—6月為31%。五營站以上流域水系見圖1。

圖1 五營站上流域水系圖

4.2日模型參數(shù)的率定和檢驗

4.2.1 率定

模型率定所需資料，對于日模型一般需要6 ～8 a，這里選用7 a，本次選用有實測資料以來前10 位洪水作為率定年份，結(jié)合模型中主要參數(shù)調(diào)試進(jìn)行參數(shù)的率定，平均確定性系數(shù)0.75 左右。流域內(nèi)5個雨量站為湯旺、五營、東升林場、新春、永豐林楊。在率定新安江模型時，采用日模型。模擬和實測流量過程見圖2 ～圖4。

4.2.2 檢驗

模型檢驗一般需要4 a左右。本次選用1991年、2006年、2009年、2010年較大洪水年進(jìn)行模型的檢驗，確定性系數(shù)為0.72 左右。具體模擬過程見圖5、圖6。

圖2 五營站1972年模擬和實測流量對比圖

圖3 五營站1978年模擬和實測流量對比圖

圖4 五營站1985年模擬和實測流量對比圖

圖5 五營站2006年模擬和實測流量對比圖

圖6 五營站2010年流量過程檢驗與實測對比圖

按照《水文情報預(yù)報規(guī)范》對日模型的率定和檢驗進(jìn)行評定，徑流模擬的相對誤差都＜20%，各個年份的徑流模擬都合格，洪峰模擬中只有2009年誤差＞20%，由于模擬過程中，不能調(diào)節(jié)模型初始狀態(tài)，在實際預(yù)報中不會出現(xiàn)此類情況，預(yù)報精度符合情報預(yù)報規(guī)范中的發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)。具體詳見表2。

表2 洪水模型率定、檢驗與實測結(jié)果對比表 m3/s

5 誤差分析

主要有以下4個方面的影響: ①水文資料采用日過程，雨量資料時間分布過程均化，對洪峰過程預(yù)報會產(chǎn)生較大影響;②模型在率定和檢驗過程中，不能調(diào)整模型初始狀態(tài)，影響了預(yù)報精度，在實際預(yù)報中會解決這個問題; ③流域雨量控制站點密度不夠，雨量的代表性差; ④部分模型參數(shù)值是通過實測流量資料率定優(yōu)化求得，不能直接測得，與實際情況還存在一定差別。

6 結(jié) 語

新安江模型在東北地區(qū)應(yīng)用時間不長，且范圍不大，積累的經(jīng)驗不多，尤其是模型參數(shù)調(diào)試過程及靈敏性還有待進(jìn)一步去驗證，本次也是僅僅用日模型率定，可能對一些小流域預(yù)報精度有影響，需要用場次洪水模型率定，隨著水文自動測報系統(tǒng)建設(shè)日趨完善，雨量站網(wǎng)站密度增加，新安江模型在洪水預(yù)報中的精度也會不斷提高，能夠為各級防汛指揮部門科學(xué)決策提供有力技術(shù)支撐。

［1］黑龍江省水文局. 黑龍江省洪水預(yù)報系統(tǒng)使用手冊［S］. 哈爾濱:黑龍江省水文局，2005.

［2］水利部水文局. 水文情報預(yù)報技術(shù)手冊［S］. 北京: 中國水利水電出版社，2010.

［3］林三益. 水文預(yù)報:第2 版［M］. 北京: 中國水利水電出版社，2001.

［4］水利部水利信息中心. GB/T 22482－2008 水文情報預(yù)報規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，2000.