新安江产流和TANK汇流耦合模型在南方湿润地区的应用

邱文怡，朱永军，湛忠宇

(江苏省水文水资源勘测局南京分局，江苏 南京 210008)

中国水资源[1-3]分布存在着南多北少的特点，在南方湿润地区，降水偏丰，但是由于南方降雨年内分配不均，雨季易发生洪涝灾害，枯水期河道干涸，水资源利用率不高，水资源浪费尤为突出。随着中国筑坝技术的日臻完善，在流域内合适的位置修建水利工程，合理地分配天然河道的径流，既能解决雨季洪水泛滥成灾的问题，又能摆脱枯水期河道的干涸现象，同时拦蓄的库水还能满足灌溉、供水等生活需求。然而有些地区因为径流资料匮乏或者径流资料可靠性不高等问题不能为水利工程的修建提供可靠的技术支撑，因此如何解决无资料地区的长系列的径流问题变得尤为重要。新安江模型是由赵人俊等[4-5]于1973年提出的降雨径流模型，因其参数物理意义明确，且适用性较好，通过不断完善，在中国南方湿润地区广泛应用。TANK模型[6-7]为日本菅原正巳博士于1961年提出，通过水箱串联或并联结构可以很好地模拟降雨径流关系，因其概念简单，且弹性较大，在国内广为使用。因新安江模型参数均具有物理意义，在参数范围的选择上具有很大的局限性，但TANK模型为纯粹的数学模型，可以很好地适用于计算复杂地区径流。两者的结合可以很大程度上既能保证参数的物理意义，又能更好地适用于复杂地区的径流计算。鉴于此，本文提出了一种基于新安江产流和TANK汇流结合的新型径流分析方法，并在衢州市铜山源溪进行了实例计算，通过研究计算成果的合理性和精度，探究研究方法在铜山源溪的适用性，以期为南方湿润无资料地区径流分析的研究提供新的思路。

1 研究方法

基于新安江产流和TANK汇流的径流分析方法利用附近水文资料较为丰富且下垫面相似流域，结合新安江产流[8]和“TANK汇流”[9-10]通过优化参数的方式来模拟附近流域实际径流变化过程，并将优化的参数成果应用到无资料流域得到计算径流成果。其耦合方式主要是在考虑了下垫面、蒸散发、土壤蓄水能力和前期含水量等因素后运用新安江产流模型得到流域的净雨，并通过TANK汇流模型将该净雨按照流域的特征从地表到地下，完成净雨的进一步分配得到实际的径流过程。该方法分析计算步骤如下。

a) 选取参证流域。所年选取的参证流域要有相似的下垫面，且要有连续5 a以上的水文观测资料，如降雨、蒸发、流量等。

b) 参证流域产流分析。选用水文站控制断面以上的雨量站按照泰森多边形法则求其面雨量。将面雨量和蒸发量按照新安江模型中产流部分，考虑流域的初期含水量(包含上层、下层和深层含水量)、夏秋和冬春的蒸散发系数、流域上层、中层和深层的蓄水平均容量等各种因素推求流域的产流过程。

c) 参证流域汇流分析。根据产流的成果按照TANK汇流来模拟参证流域的汇流过程，并将水文站控制断面的汇流径流成果与实测径流进行对比分析，通过对TANK汇流中的水箱侧孔出流的系数和高度进行优选，以径流总量、径流过程的拟合误差最小为目标得到最优的参数，其中优选的目标函数为：

S=min[∑(Ric-Rir)2]

(1)

|V-U|≤0.001

(2)

式中S——径流拟合过程，i为天数；Ric——计算径流深成果；Rir——实际径流深成果；V——计算径流系数；U——实测径流系数。

d) 无资料流域径流成果确定。考虑本流域的降雨和蒸发，通过参证流域新安江产流和TANK汇流优选分析出的参数，按照产汇流分析方法得到计算的径流成果。

2 实例分析

铜山源溪是衢江在衢州境内左岸一条较大支流，主流全长45 km，流域面积246.5 km2。铜山源溪流域属于亚热带季风气候区，温暖湿润，四季分明，受季风影响明显，多年平均降雨量1 918 mm，为典型的南方湿润地区。铜山源溪上建有铜山源水库，坝址以上集水面积180 km2，河长27.21 km，河道比降9.70‰，河道平均高程227.9 m。

铜山源溪流域主要设有杜泽、银坑、溪滩、庙前、铜山源5个雨量站，一个水文站为铜山源水库站，但是水文站径流系列较短，可为分析计算成果合理性提供依据。其水系分布及水文测站分布见图1。

图1 流域水系及水文测站分布

2.1 参证流域选取

衢江同侧铜山源溪邻近为芝溪流域，流域面积为350 km2，其下垫面与铜山源溪相似，本次选用芝溪流域为铜山源溪流域的参证流域，参证流域中设有严村水文站和上坪田、仙洞、赤岸、茶坪雨量站，其中严村水文站测流断面集水面积为180 km2。本次选取1983—1987年共计5年逐日水文系列来优选模型参数。

2.2 新安江产流参数分析

新安江模型是一个概念性分散式降雨径流模型[11]，主要分为4部分：蒸散发计算、产流计算、水源划分以及汇流计算。产流模块[12]主要包括蒸散发计算和产流计算，模型利用3层蒸散发模型[13]计算蒸发量；采用蓄满产流方法[14]计算产流量。共计12个参数，且每个参数都具有实际的物理意义，每个参数的所属类别、物理意义和优化结果见表1。本次参证流域芝溪控制断面选择为严村水文站测流断面，控制断面以上流域的面雨量通过上坪田、仙洞、赤岸、茶坪雨量站泰森多边形求得，蒸发站选择为衢州站，位于衢江干流上，距离芝溪流域不远，代表性较好。

表1 新安江产流模型参数及优化取值

2.3 TANK汇流参数分析

TANK模型又称水箱模型[15-17]，其使用过程中的灵活性和可靠性在长期发展中已经广泛应用于世界各个国家，是一种典型的概念性降雨径流流域模型。串联型结构[18-20]是TANK模型中最常用的一种，该结构特别适用于南方湿润地区，产流成果通过串联型结构的水箱再分配实现模拟流域汇流的过程。本次采用的双层串联结构水箱模型示意见图2，通过侧孔的出流方式来模拟坡面汇流和壤中流，底孔主要考虑模拟地下基流部分的出流，侧孔的个数来模拟不同的坡面汇流和壤中流的种类，出流系数则为满足不同汇流方式的汇流速度的要求，模型参数优化结果见表2。

a) 坡面汇流和壤中流模拟图2 TANK汇流模型结构示意

b) 地下径流模拟续图2 TANK汇流模型结构示意

表2 TANK汇流模型参数及优化取值

2.4 参证流域计算成果对比分析

通过芝溪流域模型优化参数得到的芝溪流域的径流数据(1983—1987年)与实测径流资料对比分析见图3。

图3 芝溪流域模型与实测年径流成果对比

芝溪流域通过新安江产流模型和TANK汇流模型优化得到的径流深(1983—1987年)和实测年径流成果基本一致，由图3中可以看出模型和实测值历年年径流深相差均不超过2%，径流深年际变化规律与实际发生情况一致，可以很好地反映出本年度的丰、平、枯状况。结合图4可以看出，模型计算得出的历年各月的径流分配变化基本与实测一致，能将年内各月枯水期和汛期的分配很好地体现出来。基于新安江产流和TANK汇流的径流分析方法以径流过程的拟合误差和径流总量最小为目标优化的最优参数得到的径流成果在年际变化和年内分配上均与实测变化规律相同，可以很好地反映出芝溪流域的径流特性。

a) 实测

b) 模型成果图4 芝溪流域模型和实测径流历年逐日情况

2.5 铜山源溪流域径流成果确定

铜山源溪流域位于芝溪流域附近，且下垫面相似，通过将参证流域芝溪流域产、汇流的优化参数结合铜山源溪流域的逐日降雨和逐日蒸发 (水文资料系列长度为1962—2017年)应用到铜山源溪流域，分析得到铜山源溪的计算径流成果。

由图5、6可以看出，铜山源溪流域的年径流深在1962—2017年中，既有连续丰水年，如1992—1995年、1997—1999年，也包含连续枯水年，如1978—1982年、1963—1968年，同时也包含丰枯交替年份，如1973—1978、1985—1990、2008—2014年，与该地区各年份的丰、平、枯实际情况一致。由图7分析，铜山源溪流域的年内月分配占比可以看出，年内的主汛期主要在4—7月，10月至次年2月水量偏枯，其年内分配与该地区主要受梅雨控制的规律也一致。

图5 铜山源溪流域年径流深差积曲线

图6 铜山源溪流域长系列年径流深变化(1962—2017年)

2.6 铜山源溪径流合理性分析及方法评价

铜山源溪上现建有铜山源水库，设有水文站，但是建站后测流较晚，资料系列较短，但可为新安江产流和TANK汇流得到的径流计算成果的合理性提供参考，铜山源水文站目前有2005—2016年共计12 年实测径流资料。统计12年径流成果显示，铜山源溪多年平均径流深为1 138 mm，选取2005—2016年计算径流成果，铜山源溪多年平均径流深为1 121.9 mm，误差不到2%。由图8可知，2005—2016年计算和实测径流成果变化规律保持一致，计算成果表现出较高的精度。

图8 铜山源溪径流实测和计算对比

综合铜山源溪流域的年际变化规律和年内月分配规律和与部分年份的实测径流成果对比分析，认为本次铜山源溪流域径流计算的成果是合理的。

新安江产流和TANK汇流模型结合了新安江和TANK 2种径流计算分析方法的优点，计算时既能够保证了产流部分的参数被赋予的物理意义，同时在汇流的时候通过TANK水箱的不同连接形式可以增大计算参数选择的弹性，从而使得计算成果能更好地拟合实际。虽然在汇流部分参数概念较为简单，数学概念较强，可物理意义并不明确，但这种新安江产流和TANK汇流相结合的研究方式可以很大程度上增加了计算分析的灵活性和可操作性。

3 结语

本文提出了基于新安江产流和TANK汇流的径流计算分析方法，并在铜山源溪流域进行了验证计算分析，该流域在4—7月主汛期期间，其径流量占全年的58.9%，多年平均径流深为1 198 mm，经与铜山源水文站实测12年径流成果对比分析，认为计算成果是合理的。基于新安江产流和TANK汇流的径流计算分析方法既满足了成果合理性的需要，又能补齐地区水文资料匮乏的短板，在降水丰沛或地区水文环境较差地区均具有较好的可操作性。