新安江模型在白云山水库日径流模拟的运用范文

《江西水利科技》2017年第4期

摘要:根据白云山水库所在富田水流域的水文特性，采用新安江(三水源)模型进行日径流过程模拟，通过率定模型参数，将年径流误差的最优值作为目标函数进行反复调试，得出相对最优结果．在日模型率定期9年和验证期7年中，径流深合格率均为100%，模拟结果表明新安江(三水源)模型可用于白云山水库，该模型预报效果较好、精度高、合理可行，可供借鉴．

关键词:新安江模型;日模型;参数率定;最优值;径流深

0引言

新安江模型是1973年由河海大学的赵人俊教授汇集当时在产汇流理论方面的研究成果，并结合大流域洪水预报的特点，从而设计出新安江流域水文模型。自新安江模型提出后，新安江模型在湿润半湿润地区得到了广泛的应用。本文采用新安江模型模拟白云山水库坝址以上流域的日径流过程，进行全年的径流预报，检验新安江模型在白云山水库全年日径流连续计算的精度。

1白云山水库概况

白云山水库位于江西省吉安市南部青原区和兴国县交界处的富田镇，距吉安市70km。工程座落在赣江二级支流富田水上，坝址集雨面积464.0km2，水库总库容10769×104m3，设计灌溉面积12173．33hm2，实际灌溉面积8666．67hm2，是一座以灌溉为主，结合发电、防洪和水产养殖等综合利用的大(2)型水库。白云山水库枢纽工程主要建筑物有主坝、副坝、引水系统和电站等。白云山水库所在水系富田水发源于兴国县良村乡西部的其林坳，自东南向西北流，经兴国县的竹管洞、吉安县的黄沙水文站、白云山水库、富田、云楼、文陂，于青原区的值夏镇马埠从左岸汇入孤江。全流域面积794.0km2，河道全长100km，平均比降为2．18‰。流域地形以丘陵盆地为主，森林植被较好。流域内水系发达，河道蜿蜒曲折，多呈曲线形的连续弯曲。富田水流域地处江西省中南部、赣江中游右岸，属亚热带季风气候区，气候温湿，四季分明，雨量丰沛，光照充足。受季风影响，每年4～6月极易形成长历时大范围的强降水，从而引发洪灾;7～9月受副高控制，天气晴热少雨，但有时受台风影响，亦有较短历时的强降雨发生;11月至次年3月受西伯利亚冷高压控制，气温低，雨量少［1］。

2新安江模型简介

新安江三水源模型主要由四部分组成:(1)蒸散发计算，蒸散发分为上层WUM、下层WLM和深层WDM;(2)产流计算，模型的产流就是蓄满产流模型;(3)水源划分，采用自由水蓄水库进行水源划分，水源分为地表、壤中、地下三种径流;(4)汇流计算，汇流分为坡面、河网汇流两个阶段。各个阶段所要用到的参数见表1。对划分好的每块单元流域分别进行蒸散发计算、产流计算、水源划分计算和汇流计算，得到单元流域出口的流量过程;对单元流域出口的流量过程进行出口以下的河道汇流计算，得到该单元流域在全流域出口的流量过程;将每块单元流域在全流域出口的流量过程线线性叠加，即为全流域出口总的流量过程［2］。

3模型在白云山水库的应用

白云山水库所在富田水流域四季分明，雨量丰沛，属于半湿润地区，产流机制符合蓄满产流规律，因此白云山水库的洪水预报模型采用新安江(三水源)模型。根据相关规范要求，水文预报方案应使用不少于10年的水文气象资料［3］，因此，选用建库前的1965～1973年(用于模型参数的率定)和建库后的1977～1984年(其中1979年缺测，用于模型参数的检验)共16年资料来编制预报方案。受资料的限制，本次仅对日模型参数进行率定。

3．1资料的分析

采用本项研究需要利用富田水流域的逐日降雨、逐日流量和逐日蒸发量资料，本次将利用3个水文站的流量资料、7个站的雨量资料，并借用邻近流域测站的蒸发资料。(1)流量资料富田站位于白云山水库坝址下游约8km，集水面积477.0km2，1958年设站，1975年撤消，具有1965～1973年完整的逐日流量资料。黄沙站和东固站均为白云山水库入库站，集雨面积分别为202.0km2和93.1km2，分别具有1972～1992年，1976～1992年径流系列。根据黄沙+东固站径流系列采用水文比拟法(面积比的一次方)可将其换算得到富田站逐日流量。模型参数的率定期和检验期选用富田站1965～1973年和1977～1984年的逐日平均流量资料。(2)雨量资料富田水文站以上流域具有富田、安坛、白竹前、六渡、枫边、南龙和东固等7个雨量站。模型参数的率定期和检验期选用了上述7个雨量站的1965～1973年和1977～1984年的逐日降水量资料。对各站缺测的部分资料采用就近移用或相关移用。(3)蒸发资料模型参数的率定和检验需要相应时间段的逐日蒸发量资料。赣江中下游测站无逐日蒸发量资料，故需借用同纬度、气候条件相似的邻近流域娄家村站相应时间段的蒸发量资料，娄家村站缺测部分的日蒸发资料需移用邻站(抚州站或廖家湾站)资料。

3．2流域面雨量计算

根据以上雨量站点的分布情况，采用泰森多边形法确定每个雨量站所占的权重。泰森多边形法首先采用直线连接相邻雨量站，由此构成若干个三角形，再作每个三角形各边的垂直平分线，流域被垂直平分线分成n个多边形，流域边界处的多边形以流域边界为界，这样每个多边形内有一个雨量站，由此确定各个雨量站所占的权重。

3．3模型参数率定及确定

新安江模型参数的确定采用人工调试的手段来完成，这是一个优选目标成果的过程。在模型中输入降雨和蒸发资料，模拟日径流过程，将日径流误差的最优值作为目标函数，从而优选出蒸散发与产流参数［5］。

3．3．1各参数初值拟定

(1)蒸散发参数:K、WUM、WLM、CK为蒸散发能力折算系数，为流域蒸散发能力与实测水面蒸发值之比。此参数对水量计算较为重要，控制着总水量平衡，是影响产流量最为重要和敏感的参数［2］。一般K＜1.00。WUM为上层蓄水容量，它包括植物截留量。在植被与土壤发育很好的流域，约为20mm;在植被与土壤发育较差的流域，其值要小些。WLM为下层蓄水容量，其值一般为60～90mm。在蒸散发计算中起主要作用的是WUM和WLM。C为深层蒸散发系数，它与深根植物占流域面积的比数有关，该值越大，深层蒸散发越困难。在江南湿润地区C值一般为0．10～0．20。

(2)产流量参数:WM、B、IMWM为流域蓄水容量，是流域干湿程度的指标。WM在模型中相对不敏感，在南方湿润地区WM值为120～150mm，半湿润地区WM值为150～200mm。B为蓄水容量分布指数。它反映单元流域上张力水蓄水分布的不均匀性，流域越大，B值也越大。在山丘区，很小面积的B为0.10左右，中等面积的B为0.20～0.30。IM为不透水面积占全流域面积之比，IM为0．01～0．02。

(3)水源划分参数:SM、EX、KI、KGSM为自由水蓄水容量，其对地面径流起着决定性作用。当用日为时段长时，一般流域的SM值为10～50mm。EX为表层自由水蓄水容量曲线指数，它表示自由水容量分布的不均匀性。EX值在1．0～1．5之间。KI为自由水蓄水库对壤中流的出流系数，KG为自由水蓄水库对地下水的出流系数，这两个值是并联的，相互影响，KI与KG之和为0．7。

(4)汇流参数:CI、CGCI为壤中流的消退系数。如无深层壤中流时，CI趋于零。当深层壤中流很丰富时，CI趋于0．9。CG为地下水的消退系数。如以日为时段长，此值一般为0．980～0．998。

3．3．2模型参数率定

根据率定规则，调试时将相对误差最小为目标函数。

3．4日径流模拟成果与分析

3．4．1日径流模拟成果

依据1965～1973年和1977～1984年的逐日流量、降雨量和蒸发量资料，采用新安江三水源模型模拟日径流过程，优选模型参数，并采用表3中的模型参数对新安江三水源模型在白云山水库中的应用进行检验。

3．4．2日径流模拟成果分析

(1)从表4和表5可知，率定期为建库之前的年份，检验期为建库之后的年份，将率定期的参数应用于检验期，率定期和检验期的成果误差均在20%以下，满足规范［3］要求，从而证明本次成果基本合理。

(2)从表4和表5成果可以看出，日模型率定期年径流深的最大绝对误差为132mm，相对误差有2年超过10%，占总年数20%;检验期年径流深的最大绝对误差为166mm，相对误差有4年超过10%，占总年数50%。在率定期的9年成果中，实测径流和计算径流两者的大值交替出现;在检验期的7年成果中，基本上是计算径流较实测径流值大。

(3)从表5中的检验成果看，依据1965～1973年资料优选的模型参数，采用新安江三水源模型进行白云山水库日径流过程的预报，存在一定的误差。经分析，主要原因如下:①白云山水库预报方案受资料限制，部分雨量站资料不全，采取了移用资料的方法，造成资料不统一;②白云山水库流域的雨量站的密度不够;③建库后在一定程度上会造成产汇流条件改变，水库建成后水面面积增加，在模型中未考虑水面产流和陆面产流的区别。

3．5参数调试的初浅体会

在日模型参数率定的过程中，K值即蒸散发能力折算系数是最为敏感的参数，在调试过程中需要不断地对其进行调试，本次率定在值为0．5、0．6、0．7以及0．8中反复试算，同时发现，相近的值的成果仍相差较大;WM即流域蓄水容量在120、125、130之间不断转换，但是对径流结果的影响不是特别明显;自由水蓄水容量SM参数变化范围也较大，同时需要和KG、KI进行联合调节。还有一点值得注意的是，在调试过程中需要仔细比对每一次调试成果的变化，在本次调试中就出现个别年份成果差异较大，通过对成果及数据的分析，降雨量和径流量的计算成果并不匹配，可能是由于部分年份的资料是移用他站所致，此时需要对数据及成果进行反复的分析和比较，切勿盲目调试。

4结论

(1)根据白云山水库流域特性，通过新安江模型对白云山水库径流进行模拟，从率定成果上来看，率定期和检验期的成果都能满足规范［3］要求，合格率达到100%，说明该水库流域可使用新安江模型。

(2)本次的率定期和检验期分别为建库前和建库后，建库前的参数与建库后一致，率定期和检验期的成果误差均小于20%，但大于10%的比例较高，需要进一步对误差进行分析，查找原因。模拟精度受众多因素影响及限制，如流域的水文站点分布、资料序列长度及完整性、流域的下垫面等方面的影响。

(3)本次受资料的限制，仅对径流进行预报，下一步欲搜集并完善更多的资料开展次洪模型的预报，进一步优化模型参数，验证优化成果，最终将成果应用于白云山水库。

参考文献:

［1］江西省吉安市白云山水库除险加固工程初步设计报告［R］．南昌:江西省水利规划设计院，2011．

［2］包为民．水文预报［M］．北京:中国水利水电出版社，2009．

［3］水利部水文局．水文情报预报规范(GB/T22482－2008)［S］．北京:中国标准出版社，2009．

［4］詹道江，叶守泽．工程水文学［M］．北京:中国水利水电出版社，2000．

［5］刘金涛，冯杰．基于DEM的分布式汇流模型及其在洪水预报中的应用［J］．水电能源科学，2005，23(5):11～13.

作者：虞慧1，2；李友辉3；孔琼菊1；洪文浩1，2；喻蔚然1，2；谭幸4 单位：1．江西省水利科学研究院，2．江西省水工程安全工程技术中心，3．江西省水利规划设计研究院，4．河海大学水利水电学院