劉 琦，宋 冰

（1．雞西市水文局，黑龍江 雞西158100；2．黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱150001）

1 研究目的與意義

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，人民生活水平逐漸提高，穆棱河地區(qū)人民對(duì)物質(zhì)文化生活的要求也愈來(lái)愈強(qiáng)烈，對(duì)穆棱河水資源的需求也就愈來(lái)愈大，致使穆棱河生態(tài)環(huán)境惡化、災(zāi)害加重、水資源短缺、供需矛盾越來(lái)越突出。事實(shí)上，1960年以后沿河兩岸柳樹(shù)大部分被砍伐，引起河岸坍塌，水土流失，河道淤積。因此，準(zhǔn)確掌握穆棱河研究區(qū)水情情況、洪峰發(fā)生時(shí)間，為合理布局，防汛抗旱，以及水資源優(yōu)化利用提供了寶貴的依據(jù)，最大程度的滿(mǎn)足社會(huì)和人民日益提高的物質(zhì)文化需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

趙人俊教授在二水源［1－2］的基礎(chǔ)上提出三水源劃分新安江產(chǎn)匯流模型。三水源新安江模型是考慮了二水源模型中常遇到降雨時(shí)空分布不均勻和穩(wěn)定下滲參數(shù)隨洪水變化而變化的問(wèn)題提出的，再結(jié)合二水源的其它結(jié)構(gòu)。

2 模型說(shuō)明

2．1 模型結(jié)構(gòu)

新安江水文模型［3］是河海大學(xué)研究組在編制新安江洪水預(yù)報(bào)方案時(shí)，設(shè)計(jì)的完整的流域水文模型，最初提出的是二水源新安江模型。20世紀(jì)80年代中期，借鑒國(guó)外產(chǎn)匯流理論，提出了三水源新安江模型。三水源模型蒸散發(fā)計(jì)算采用三層模型；產(chǎn)流計(jì)算采用蓄滿(mǎn)產(chǎn)流模型；三水源即：地表徑流、壤中流和地下徑流3種；流域匯流計(jì)算采用線型水庫(kù)；河道匯流采用馬斯京根分段連續(xù)演算或之后演算法［4］。每塊單元流域的計(jì)算流程如圖1所示。

2．2 產(chǎn)流計(jì)算

流域蓄水容量－面積分配曲線及其與降雨徑流相互轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)圖2。

對(duì)總徑流R積分：

若PE＋A＜WMM，則局部產(chǎn)流時(shí)

若PE＋A≥WMM，即全流域產(chǎn)流時(shí)

式中：f為產(chǎn)流面積，km2；A為流域平均初始土壤水量最大值，mm；F為全流域面積，km2；W′為流域單點(diǎn)的蓄水量，mm；WMM 為流域單點(diǎn)最大蓄水量，mm；PE為凈降雨量，mm；B為蓄水容量—面積分配曲線的指數(shù)；W0為流域初始土壤蓄水量，mm；WM 為流域平均最大蓄水量，mm。

圖1 三水源新安江模型流程圖

圖2 流域蓄水容量－面積分配曲線與降雨徑流間關(guān)系圖

2．3 水源劃分

自由水蓄水庫(kù)結(jié)構(gòu)考慮了包氣帶的垂向調(diào)蓄作用。按蓄滿(mǎn)產(chǎn)流模型計(jì)算出的總徑流量R，先進(jìn)入自由水蓄水庫(kù)調(diào)蓄，再劃分水源，從圖3可見(jiàn)。產(chǎn)流面積上設(shè)置兩個(gè)出口，旁側(cè)出口形成壤中流RI；向下出口形成地下徑流RG。

2．4 模型參數(shù)

2．4．1 參數(shù)類(lèi)別

可以按對(duì)計(jì)算精度影響程度、在徑流形成過(guò)程起作用程度、參數(shù)的不同物理意義進(jìn)行分類(lèi)，分為：敏感與不敏感參數(shù)、物理與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、時(shí)變和時(shí)不變參數(shù)、三水源和目的參數(shù)。如表1所示：

圖3 自由水蓄水庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

表1 新安江模型各層次參數(shù)表

2．4．2 參數(shù)率定

模型參數(shù)率定過(guò)程如圖4所示。

圖4 模型參數(shù)率定框圖

模型參數(shù)率定按式（4）、式（5）選擇。

式中：j為整數(shù)，一般取1或2；w為參數(shù)向量；Rn為n維的史書(shū)空間域；Yci為模型計(jì)算值；Yoi為實(shí)測(cè)值。

參數(shù)率定就是選擇一個(gè)參數(shù)向量wp，使得F（wp）達(dá)到最小，即

3 實(shí)例分析

用三水源新安江模型編制密山橋水文站入庫(kù)流量預(yù)報(bào)方案，確定洪峰發(fā)生時(shí)間。

3．1 研究區(qū)概況

密山橋水文站位于黑龍江省雞西市梨樹(shù)鎮(zhèn)。地理位置為東經(jīng)130°41′36″，北緯45°05′27″。是穆棱河中游控制站，距河源211．8km，距河口距離447．6km，集水面積6443km2。多年平均氣溫3．2℃，最高氣溫37．6℃，最低氣溫－44．1℃。多年平均降水量552．9mm，降水量年內(nèi)分布不均，6—9月降水量占全年降水量70%左右，多年平均年徑流量22．67億m3。無(wú)霜期140d，結(jié)冰期150～160d，最大冰厚1．37m。

3．2 方案構(gòu)建

預(yù)報(bào)方案設(shè)置2個(gè)方案輸入：梨樹(shù)鎮(zhèn)（10503010）、區(qū)間（10504410A）（密山橋水文站集水面積13 325km2，梨樹(shù)鎮(zhèn)水文站集水面積6443km2，區(qū)間控制面積6787km2）。梨樹(shù)鎮(zhèn)水文站輸入采用馬斯京根法模型（MSK），區(qū)間輸入采用蓄滿(mǎn)產(chǎn)流模型（SMS＿3）和滯后演算模型（LAG＿3）；雨量站控制權(quán)重采用泰森多邊形法。方案計(jì)算時(shí)段為3h，方案輸出類(lèi)型為是水位流量。其結(jié)構(gòu)圖如圖5。

圖5 密山橋水文站預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)圖

（1）方案定義

模型：馬斯京根法，蓄滿(mǎn)產(chǎn)流模型和滯后演算模型；

方案輸入：梨樹(shù)鎮(zhèn)（10503010）和區(qū)間（10504410A）；

方案輸出：密山橋時(shí)段水位流量過(guò)程。

（2）方案屬性

預(yù)報(bào)站碼：10504410（密山橋）；

時(shí)段長(zhǎng)度：3h；

預(yù)見(jiàn)期：30個(gè)時(shí)段；

預(yù)熱期：30d；

輸出類(lèi)型：河道水位流量；

輸入個(gè)數(shù)：2個(gè)；

輸入類(lèi)型：1個(gè)河道輸入和1個(gè)流域輸入。

（3）圈化流域邊界

圈化流域邊界見(jiàn)圖6。

圖6 密山橋站流域邊界

3．3 資料選取

雨量站選用：經(jīng)雨量資料分析，密山橋水文站以上區(qū)間共有雞西、密山橋、團(tuán)山子水庫(kù)、八楞山水庫(kù)、哈達(dá)水庫(kù)、金生村、林村屯和半截河水庫(kù)，共8個(gè)站雨量資料。其中三棱通鄉(xiāng)、和平村、鉛礦村、大同水庫(kù)、東保村和民主村6個(gè)雨量站資料不全，其余2個(gè)站具有1h雨量摘錄資料，具備編制洪水預(yù)報(bào)方案的要求。

水文站選用：密山橋水文站資料經(jīng)過(guò)整編，能滿(mǎn)足編制洪水預(yù)報(bào)方案要求。密山橋水文站1979年建站，建站以來(lái)最大流量為4440m3／s，根據(jù)雨量資料系列，流量資料選用2013年分析。

蒸發(fā)資料選用：選用密山橋水文站蒸發(fā)資料。

3．4 率定結(jié)果

（1）率定的目標(biāo)函數(shù)值為0．846。

（2）模型參數(shù)選取

①馬斯京根法模型（MSK）參數(shù)

10504410 10503010 MSK

PARAMETER

＆PARA＿TABLE

X＝－0．990

KK＝3

MP＝14

／

②三水源蓄滿(mǎn)產(chǎn)流模型（SMS＿3）參數(shù)

10504410 105044104A SMS＿3

PARAMETER

＆PARA＿TABLE

WM＝120．000

WUMx＝0．200

WLMx＝0．600

K＝0．892

B＝0．300

C＝0．100

IM＝0．010

SM＝67．950

EX＝1．500

KG＝0．300

KI＝0．537

ES＝9．3 16．5 46．3 100．5 115 106．9 103 94．9 76．7 55．3 23．7 10．5

／

③三水源滯后演算模型（LAG＿3）參數(shù)

10504410 105044104A LAG＿3

PARAMETER

＆PARA＿TABLE

F＝6882

CI＝0．805

CG＝0．994

CS＝0．757

LAG＝16．000

X＝0．391

KK＝3

MP＝0

／

（3）場(chǎng)次洪水統(tǒng)計(jì)

根據(jù)密山橋站2006年、2008年、2009年的數(shù)據(jù)資料，經(jīng)新安江模型率定后，得到洪峰發(fā)生情況。率定結(jié)果與實(shí)際情況詳見(jiàn)表2。

表2 密山橋站預(yù)報(bào)方案率定場(chǎng)次洪水統(tǒng)計(jì)表

（4）方案評(píng)定

所有參數(shù)取值符合條件要求，分別選取2006年、2008年、2009年三年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本結(jié)果，測(cè)試結(jié)果0．846，再取2013年數(shù)據(jù)測(cè)試，得到目標(biāo)函數(shù)值0．711，符合水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范［5］的規(guī)定，并評(píng)定等級(jí)為乙級(jí)。

圖7為2013年資料驗(yàn)證結(jié)果，可以看出洪水過(guò)程擬合效果較好，水量基本平衡，各參數(shù)符合該地區(qū)的洪水特性，5場(chǎng)場(chǎng)次洪水誤差大于20%不在允許范圍內(nèi)，其他場(chǎng)次洪水合格，根據(jù)確定性系數(shù)0．846評(píng)定該洪水預(yù)報(bào)方案為乙級(jí)。

圖7 2013年率定結(jié)果圖

4 結(jié) 論

本文主要介紹了新安江模型的基本理論知識(shí)，以新安江模型為基礎(chǔ)研究方法，針對(duì)穆棱河研究區(qū)的特殊地形、水系特征和氣候條件，調(diào)整模型參數(shù)后得到洪水預(yù)報(bào)方案評(píng)定等級(jí)為乙級(jí)。

［1］趙人?。饔蛩哪Ｐ停掳步Ｐ团c陜北模型［M］．北京：水利電力出版社，1984．

［2］趙人俊．流域水文模型的比較分析研究［J］．水文，1989（6）：1－3．

［3］芮孝芳，蔣成煜，張金存．流域水文模型的發(fā)展［J］．水文，2006（3）：22－26．

［4］華舒愉，顧圣平，賀軍，等．三水源新安江模型參數(shù)優(yōu)化及其應(yīng)用［J］．水電能源科學(xué)，2013（2）：23－26＋242．

［5］水利部水利信息中心．SL250－2000水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范［S］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2000．