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《江西水利科技》2017年第4期

摘要:根據(jù)白云山水庫(kù)所在富田水流域的水文特性，采用新安江(三水源)模型進(jìn)行日徑流過(guò)程模擬，通過(guò)率定模型參數(shù)，將年徑流誤差的最優(yōu)值作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，得出相對(duì)最優(yōu)結(jié)果．在日模型率定期9年和驗(yàn)證期7年中，徑流深合格率均為100%，模擬結(jié)果表明新安江(三水源)模型可用于白云山水庫(kù)，該模型預(yù)報(bào)效果較好、精度高、合理可行，可供借鑒．

關(guān)鍵詞:新安江模型;日模型;參數(shù)率定;最優(yōu)值;徑流深

0引言

新安江模型是1973年由河海大學(xué)的趙人俊教授匯集當(dāng)時(shí)在產(chǎn)匯流理論方面的研究成果，并結(jié)合大流域洪水預(yù)報(bào)的特點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)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(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用新安江模型模擬白云山水庫(kù)壩址以上流域的日徑流過(guò)程，進(jìn)行全年的徑流預(yù)報(bào)，檢驗(yàn)新安江模型在白云山水庫(kù)全年日徑流連續(xù)計(jì)算的精度。

1白云山水庫(kù)概況

白云山水庫(kù)位于江西省吉安市南部青原區(qū)和興國(guó)縣交界處的富田鎮(zhèn)，距吉安市70km。工程座落在贛江二級(jí)支流富田水上，壩址集雨面積464.0km2，水庫(kù)總庫(kù)容10769×104m3，設(shè)計(jì)灌溉面積12173．33hm2，實(shí)際灌溉面積8666．67hm2，是一座以灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、防洪和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的大(2)型水庫(kù)。白云山水庫(kù)樞紐工程主要建筑物有主壩、副壩、引水系統(tǒng)和電站等。白云山水庫(kù)所在水系富田水發(fā)源于興國(guó)縣良村鄉(xiāng)西部的其林坳，自東南向西北流，經(jīng)興國(guó)縣的竹管洞、吉安縣的黃沙水文站、白云山水庫(kù)、富田、云樓、文陂，于青原區(qū)的值夏鎮(zhèn)馬埠從左岸匯入孤江。全流域面積794.0km2，河道全長(zhǎng)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(nèi)水系發(fā)達(dá)，河道蜿蜒曲折，多呈曲線形的連續(xù)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(fēng)氣候區(qū)，氣候溫濕，四季分明，雨量豐沛，光照充足。受季風(fēng)影響，每年4～6月極易形成長(zhǎng)歷時(shí)大范圍的強(qiáng)降水，從而引發(fā)洪災(zāi);7～9月受副高控制，天氣晴熱少雨，但有時(shí)受臺(tái)風(fēng)影響，亦有較短歷時(shí)的強(qiáng)降雨發(fā)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(jiǎn)介

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

3模型在白云山水庫(kù)的應(yīng)用

白云山水庫(kù)所在富田水流域四季分明，雨量豐沛，屬于半濕潤(rùn)地區(qū)，產(chǎn)流機(jī)制符合蓄滿產(chǎn)流規(guī)律，因此白云山水庫(kù)的洪水預(yù)報(bào)模型采用新安江(三水源)模型。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，水文預(yù)報(bào)方案應(yīng)使用不少于10年的水文氣象資料［3］，因此，選用建庫(kù)前的1965～1973年(用于模型參數(shù)的率定)和建庫(kù)后的1977～1984年(其中1979年缺測(cè)，用于模型參數(shù)的檢驗(yàn))共16年資料來(lái)編制預(yù)報(bào)方案。受資料的限制，本次僅對(duì)日模型參數(shù)進(jìn)行率定。

3．1資料的分析

采用本項(xiàng)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(fā)量資料，本次將利用3個(gè)水文站的流量資料、7個(gè)站的雨量資料，并借用鄰近流域測(cè)站的蒸發(fā)資料。(1)流量資料富田站位于白云山水庫(kù)壩址下游約8km，集水面積477.0km2，1958年設(shè)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(kù)入庫(kù)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(jù)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(shù)的率定期和檢驗(yàn)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(gè)雨量站。模型參數(shù)的率定期和檢驗(yàn)期選用了上述7個(gè)雨量站的1965～1973年和1977～1984年的逐日降水量資料。對(duì)各站缺測(cè)的部分資料采用就近移用或相關(guān)移用。(3)蒸發(fā)資料模型參數(shù)的率定和檢驗(yàn)需要相應(yīng)時(shí)間段的逐日蒸發(fā)量資料。贛江中下游測(cè)站無(wú)逐日蒸發(fā)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(yīng)時(shí)間段的蒸發(fā)量資料，婁家村站缺測(cè)部分的日蒸發(fā)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(jì)算

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

3．3模型參數(shù)率定及確定

新安江模型參數(shù)的確定采用人工調(diào)試的手段來(lái)完成，這是一個(gè)優(yōu)選目標(biāo)成果的過(guò)程。在模型中輸入降雨和蒸發(fā)資料，模擬日徑流過(guò)程，將日徑流誤差的最優(yōu)值作為目標(biāo)函數(shù)，從而優(yōu)選出蒸散發(fā)與產(chǎn)流參數(shù)［5］。

3．3．1各參數(shù)初值擬定

(1)蒸散發(fā)參數(shù):K、WUM、WLM、CK為蒸散發(fā)能力折算系數(shù)，為流域蒸散發(fā)能力與實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)值之比。此參數(shù)對(duì)水量計(jì)算較為重要，控制著總水量平衡，是影響產(chǎn)流量最為重要和敏感的參數(shù)［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(fā)育很好的流域，約為20mm;在植被與土壤發(fā)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(fā)計(jì)算中起主要作用的是WUM和WLM。C為深層蒸散發(fā)系數(shù)，它與深根植物占流域面積的比數(shù)有關(guān)，該值越大，深層蒸散發(fā)越困難。在江南濕潤(rùn)地區(qū)C值一般為0．10～0．20。

(2)產(chǎn)流量參數(shù):WM、B、IMWM為流域蓄水容量，是流域干濕程度的指標(biāo)。WM在模型中相對(duì)不敏感，在南方濕潤(rùn)地區(qū)WM值為120～150mm，半濕潤(rùn)地區(qū)WM值為150～200mm。B為蓄水容量分布指數(shù)。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(qū)，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(shù):SM、EX、KI、KGSM為自由水蓄水容量，其對(duì)地面徑流起著決定性作用。當(dāng)用日為時(shí)段長(zhǎng)時(shí)，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(shù)，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(kù)對(duì)壤中流的出流系數(shù)，KG為自由水蓄水庫(kù)對(duì)地下水的出流系數(shù)，這兩個(gè)值是并聯(lián)的，相互影響，KI與KG之和為0．7。

(4)匯流參數(shù):CI、CGCI為壤中流的消退系數(shù)。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。CG為地下水的消退系數(shù)。如以日為時(shí)段長(zhǎng)，此值一般為0．980～0．998。

3．3．2模型參數(shù)率定

根據(jù)率定規(guī)則，調(diào)試時(shí)將相對(duì)誤差最小為目標(biāo)函數(shù)。

3．4日徑流模擬成果與分析

3．4．1日徑流模擬成果

依據(jù)1965～1973年和1977～1984年的逐日流量、降雨量和蒸發(fā)量資料，采用新安江三水源模型模擬日徑流過(guò)程，優(yōu)選模型參數(shù)，并采用表3中的模型參數(shù)對(duì)新安江三水源模型在白云山水庫(kù)中的應(yīng)用進(jìn)行檢驗(yàn)。

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(kù)之前的年份，檢驗(yàn)期為建庫(kù)之后的年份，將率定期的參數(shù)應(yīng)用于檢驗(yàn)期，率定期和檢驗(yàn)期的成果誤差均在20%以下，滿足規(guī)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(duì)誤差為132mm，相對(duì)誤差有2年超過(guò)10%，占總年數(shù)20%;檢驗(yàn)期年徑流深的最大絕對(duì)誤差為166mm，相對(duì)誤差有4年超過(guò)10%，占總年數(shù)50%。在率定期的9年成果中，實(shí)測(cè)徑流和計(jì)算徑流兩者的大值交替出現(xiàn);在檢驗(yàn)期的7年成果中，基本上是計(jì)算徑流較實(shí)測(cè)徑流值大。

(3)從表5中的檢驗(yàn)成果看，依據(jù)1965～1973年資料優(yōu)選的模型參數(shù)，采用新安江三水源模型進(jìn)行白云山水庫(kù)日徑流過(guò)程的預(yù)報(bào)，存在一定的誤差。經(jīng)分析，主要原因如下:①白云山水庫(kù)預(yù)報(bào)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(tǒng)一;②白云山水庫(kù)流域的雨量站的密度不夠;③建庫(kù)后在一定程度上會(huì)造成產(chǎn)匯流條件改變，水庫(kù)建成后水面面積增加，在模型中未考慮水面產(chǎn)流和陸面產(chǎn)流的區(qū)別。

3．5參數(shù)調(diào)試的初淺體會(huì)

在日模型參數(shù)率定的過(guò)程中，K值即蒸散發(fā)能力折算系數(shù)是最為敏感的參數(shù)，在調(diào)試過(guò)程中需要不斷地對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，本次率定在值為0．5、0．6、0．7以及0．8中反復(fù)試算，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)換，但是對(duì)徑流結(jié)果的影響不是特別明顯;自由水蓄水容量SM參數(shù)變化范圍也較大，同時(shí)需要和KG、KI進(jìn)行聯(lián)合調(diào)節(jié)。還有一點(diǎn)值得注意的是，在調(diào)試過(guò)程中需要仔細(xì)比對(duì)每一次調(diào)試成果的變化，在本次調(diào)試中就出現(xiàn)個(gè)別年份成果差異較大，通過(guò)對(duì)成果及數(shù)據(jù)的分析，降雨量和徑流量的計(jì)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(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)及成果進(jìn)行反復(fù)的分析和比較，切勿盲目調(diào)試。

4結(jié)論

(1)根據(jù)白云山水庫(kù)流域特性，通過(guò)新安江模型對(duì)白云山水庫(kù)徑流進(jìn)行模擬，從率定成果上來(lái)看，率定期和檢驗(yàn)期的成果都能滿足規(guī)范［3］要求，合格率達(dá)到100%，說(shuō)明該水庫(kù)流域可使用新安江模型。

(2)本次的率定期和檢驗(yàn)期分別為建庫(kù)前和建庫(kù)后，建庫(kù)前的參數(shù)與建庫(kù)后一致，率定期和檢驗(yàn)期的成果誤差均小于20%，但大于10%的比例較高，需要進(jìn)一步對(duì)誤差進(jìn)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(diǎn)分布、資料序列長(zhǎng)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(duì)徑流進(jìn)行預(yù)報(bào)，下一步欲搜集并完善更多的資料開(kāi)展次洪模型的預(yù)報(bào)，進(jìn)一步優(yōu)化模型參數(shù)，驗(yàn)證優(yōu)化成果，最終將成果應(yīng)用于白云山水庫(kù)。

參考文獻(xiàn):

［1］江西省吉安市白云山水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］．南昌:江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2011．

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［5］劉金濤，馮杰．基于DEM的分布式匯流模型及其在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］．水電能源科學(xué)，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(xué)研究院，2．江西省水工程安全工程技術(shù)中心，3．江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，4．河海大學(xué)水利水電學(xué)院