新安江模型在白云山水庫日徑流模擬的運用范文

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《江西水利科技》2017年第4期

摘要:根據白云山水庫所在富田水流域的水文特性，采用新安江(三水源)模型進行日徑流過程模擬，通過率定模型參數，將年徑流誤差的最優值作為目標函數進行反復調試，得出相對最優結果．在日模型率定期9年和驗證期7年中，徑流深合格率均為100%，模擬結果表明新安江(三水源)模型可用于白云山水庫，該模型預報效果較好、精度高、合理可行，可供借鑒．

關鍵詞:新安江模型;日模型;參數率定;最優值;徑流深

0引言

新安江模型是1973年由河海大學的趙人俊教授匯集當時在產匯流理論方面的研究成果，并結合大流域洪水預報的特點，從而設計出新安江流域水文模型。自新安江模型提出后，新安江模型在濕潤半濕潤地區得到了廣泛的應用。本文采用新安江模型模擬白云山水庫壩址以上流域的日徑流過程，進行全年的徑流預報，檢驗新安江模型在白云山水庫全年日徑流連續計算的精度。

1白云山水庫概況

白云山水庫位于江西省吉安市南部青原區和興國縣交界處的富田鎮，距吉安市70km。工程座落在贛江二級支流富田水上，壩址集雨面積464.0km2，水庫總庫容10769×104m3，設計灌溉面積12173．33hm2，實際灌溉面積8666．67hm2，是一座以灌溉為主，結合發電、防洪和水產養殖等綜合利用的大(2)型水庫。白云山水庫樞紐工程主要建筑物有主壩、副壩、引水系統和電站等。白云山水庫所在水系富田水發源于興國縣良村鄉西部的其林坳，自東南向西北流，經興國縣的竹管洞、吉安縣的黃沙水文站、白云山水庫、富田、云樓、文陂，于青原區的值夏鎮馬埠從左岸匯入孤江。全流域面積794.0km2，河道全長100km，平均比降為2．18‰。流域地形以丘陵盆地為主，森林植被較好。流域內水系發達，河道蜿蜒曲折，多呈曲線形的連續彎曲。富田水流域地處江西省中南部、贛江中游右岸，屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫濕，四季分明，雨量豐沛，光照充足。受季風影響，每年4～6月極易形成長歷時大范圍的強降水，從而引發洪災;7～9月受副高控制，天氣晴熱少雨，但有時受臺風影響，亦有較短歷時的強降雨發生;11月至次年3月受西伯利亞冷高壓控制，氣溫低，雨量少［1］。

2新安江模型簡介

新安江三水源模型主要由四部分組成:(1)蒸散發計算，蒸散發分為上層WUM、下層WLM和深層WDM;(2)產流計算，模型的產流就是蓄滿產流模型;(3)水源劃分，采用自由水蓄水庫進行水源劃分，水源分為地表、壤中、地下三種徑流;(4)匯流計算，匯流分為坡面、河網匯流兩個階段。各個階段所要用到的參數見表1。對劃分好的每塊單元流域分別進行蒸散發計算、產流計算、水源劃分計算和匯流計算，得到單元流域出口的流量過程;對單元流域出口的流量過程進行出口以下的河道匯流計算，得到該單元流域在全流域出口的流量過程;將每塊單元流域在全流域出口的流量過程線線性疊加，即為全流域出口總的流量過程［2］。

3模型在白云山水庫的應用

白云山水庫所在富田水流域四季分明，雨量豐沛，屬于半濕潤地區，產流機制符合蓄滿產流規律，因此白云山水庫的洪水預報模型采用新安江(三水源)模型。根據相關規范要求，水文預報方案應使用不少于10年的水文氣象資料［3］，因此，選用建庫前的1965～1973年(用于模型參數的率定)和建庫后的1977～1984年(其中1979年缺測，用于模型參數的檢驗)共16年資料來編制預報方案。受資料的限制，本次僅對日模型參數進行率定。

3．1資料的分析

采用本項研究需要利用富田水流域的逐日降雨、逐日流量和逐日蒸發量資料，本次將利用3個水文站的流量資料、7個站的雨量資料，并借用鄰近流域測站的蒸發資料。(1)流量資料富田站位于白云山水庫壩址下游約8km，集水面積477.0km2，1958年設站，1975年撤消，具有1965～1973年完整的逐日流量資料。黃沙站和東固站均為白云山水庫入庫站，集雨面積分別為202.0km2和93.1km2，分別具有1972～1992年，1976～1992年徑流系列。根據黃沙+東固站徑流系列采用水文比擬法(面積比的一次方)可將其換算得到富田站逐日流量。模型參數的率定期和檢驗期選用富田站1965～1973年和1977～1984年的逐日平均流量資料。(2)雨量資料富田水文站以上流域具有富田、安壇、白竹前、六渡、楓邊、南龍和東固等7個雨量站。模型參數的率定期和檢驗期選用了上述7個雨量站的1965～1973年和1977～1984年的逐日降水量資料。對各站缺測的部分資料采用就近移用或相關移用。(3)蒸發資料模型參數的率定和檢驗需要相應時間段的逐日蒸發量資料。贛江中下游測站無逐日蒸發量資料，故需借用同緯度、氣候條件相似的鄰近流域婁家村站相應時間段的蒸發量資料，婁家村站缺測部分的日蒸發資料需移用鄰站(撫州站或廖家灣站)資料。

3．2流域面雨量計算

根據以上雨量站點的分布情況，采用泰森多邊形法確定每個雨量站所占的權重。泰森多邊形法首先采用直線連接相鄰雨量站，由此構成若干個三角形，再作每個三角形各邊的垂直平分線，流域被垂直平分線分成n個多邊形，流域邊界處的多邊形以流域邊界為界，這樣每個多邊形內有一個雨量站，由此確定各個雨量站所占的權重。

3．3模型參數率定及確定

新安江模型參數的確定采用人工調試的手段來完成，這是一個優選目標成果的過程。在模型中輸入降雨和蒸發資料，模擬日徑流過程，將日徑流誤差的最優值作為目標函數，從而優選出蒸散發與產流參數［5］。

3．3．1各參數初值擬定

(1)蒸散發參數:K、WUM、WLM、CK為蒸散發能力折算系數，為流域蒸散發能力與實測水面蒸發值之比。此參數對水量計算較為重要，控制著總水量平衡，是影響產流量最為重要和敏感的參數［2］。一般K＜1.00。WUM為上層蓄水容量，它包括植物截留量。在植被與土壤發育很好的流域，約為20mm;在植被與土壤發育較差的流域，其值要小些。WLM為下層蓄水容量，其值一般為60～90mm。在蒸散發計算中起主要作用的是WUM和WLM。C為深層蒸散發系數，它與深根植物占流域面積的比數有關，該值越大，深層蒸散發越困難。在江南濕潤地區C值一般為0．10～0．20。

(2)產流量參數:WM、B、IMWM為流域蓄水容量，是流域干濕程度的指標。WM在模型中相對不敏感，在南方濕潤地區WM值為120～150mm，半濕潤地區WM值為150～200mm。B為蓄水容量分布指數。它反映單元流域上張力水蓄水分布的不均勻性，流域越大，B值也越大。在山丘區，很小面積的B為0.10左右，中等面積的B為0.20～0.30。IM為不透水面積占全流域面積之比，IM為0．01～0．02。

(3)水源劃分參數:SM、EX、KI、KGSM為自由水蓄水容量，其對地面徑流起著決定性作用。當用日為時段長時，一般流域的SM值為10～50mm。EX為表層自由水蓄水容量曲線指數，它表示自由水容量分布的不均勻性。EX值在1．0～1．5之間。KI為自由水蓄水庫對壤中流的出流系數，KG為自由水蓄水庫對地下水的出流系數，這兩個值是并聯的，相互影響，KI與KG之和為0．7。

(4)匯流參數:CI、CGCI為壤中流的消退系數。如無深層壤中流時，CI趨于零。當深層壤中流很豐富時，CI趨于0．9。CG為地下水的消退系數。如以日為時段長，此值一般為0．980～0．998。

3．3．2模型參數率定

根據率定規則，調試時將相對誤差最小為目標函數。

3．4日徑流模擬成果與分析

3．4．1日徑流模擬成果

依據1965～1973年和1977～1984年的逐日流量、降雨量和蒸發量資料，采用新安江三水源模型模擬日徑流過程，優選模型參數，并采用表3中的模型參數對新安江三水源模型在白云山水庫中的應用進行檢驗。

3．4．2日徑流模擬成果分析

(1)從表4和表5可知，率定期為建庫之前的年份，檢驗期為建庫之后的年份，將率定期的參數應用于檢驗期，率定期和檢驗期的成果誤差均在20%以下，滿足規范［3］要求，從而證明本次成果基本合理。

(2)從表4和表5成果可以看出，日模型率定期年徑流深的最大絕對誤差為132mm，相對誤差有2年超過10%，占總年數20%;檢驗期年徑流深的最大絕對誤差為166mm，相對誤差有4年超過10%，占總年數50%。在率定期的9年成果中，實測徑流和計算徑流兩者的大值交替出現;在檢驗期的7年成果中，基本上是計算徑流較實測徑流值大。

(3)從表5中的檢驗成果看，依據1965～1973年資料優選的模型參數，采用新安江三水源模型進行白云山水庫日徑流過程的預報，存在一定的誤差。經分析，主要原因如下:①白云山水庫預報方案受資料限制，部分雨量站資料不全，采取了移用資料的方法，造成資料不統一;②白云山水庫流域的雨量站的密度不夠;③建庫后在一定程度上會造成產匯流條件改變，水庫建成后水面面積增加，在模型中未考慮水面產流和陸面產流的區別。

3．5參數調試的初淺體會

在日模型參數率定的過程中，K值即蒸散發能力折算系數是最為敏感的參數，在調試過程中需要不斷地對其進行調試，本次率定在值為0．5、0．6、0．7以及0．8中反復試算，同時發現，相近的值的成果仍相差較大;WM即流域蓄水容量在120、125、130之間不斷轉換，但是對徑流結果的影響不是特別明顯;自由水蓄水容量SM參數變化范圍也較大，同時需要和KG、KI進行聯合調節。還有一點值得注意的是，在調試過程中需要仔細比對每一次調試成果的變化，在本次調試中就出現個別年份成果差異較大，通過對成果及數據的分析，降雨量和徑流量的計算成果并不匹配，可能是由于部分年份的資料是移用他站所致，此時需要對數據及成果進行反復的分析和比較，切勿盲目調試。

4結論

(1)根據白云山水庫流域特性，通過新安江模型對白云山水庫徑流進行模擬，從率定成果上來看，率定期和檢驗期的成果都能滿足規范［3］要求，合格率達到100%，說明該水庫流域可使用新安江模型。

(2)本次的率定期和檢驗期分別為建庫前和建庫后，建庫前的參數與建庫后一致，率定期和檢驗期的成果誤差均小于20%，但大于10%的比例較高，需要進一步對誤差進行分析，查找原因。模擬精度受眾多因素影響及限制，如流域的水文站點分布、資料序列長度及完整性、流域的下墊面等方面的影響。

(3)本次受資料的限制，僅對徑流進行預報，下一步欲搜集并完善更多的資料開展次洪模型的預報，進一步優化模型參數，驗證優化成果，最終將成果應用于白云山水庫。

參考文獻:

［1］江西省吉安市白云山水庫除險加固工程初步設計報告［R］．南昌:江西省水利規劃設計院，2011．

［2］包為民．水文預報［M］．北京:中國水利水電出版社，2009．

［3］水利部水文局．水文情報預報規范(GB/T22482－2008)［S］．北京:中國標準出版社，2009．

［4］詹道江，葉守澤．工程水文學［M］．北京:中國水利水電出版社，2000．

［5］劉金濤，馮杰．基于DEM的分布式匯流模型及其在洪水預報中的應用［J］．水電能源科學，2005，23(5):11～13.

作者：虞慧1，2；李友輝3；孔瓊菊1；洪文浩1，2；喻蔚然1，2；譚幸4 單位：1．江西省水利科學研究院，2．江西省水工程安全工程技術中心，3．江西省水利規劃設計研究院，4．河海大學水利水電學院