新安江模型在紫荆关流域的应用

车云竹

(河北省保定水文勘测研究中心,河北 保定 071051)

新安江模型是河海大学赵人俊老师团队提出的概念性的分布式降雨径流模型,普遍适用于我国南方湿润及半湿润地区[1]。大清河属于海河流域,地处北方半干旱半湿润地区,文章选取大清河流域拒马河上游控制站紫荆关站为例,运用赵人俊老师团队提出的新安江模型[2]分年代、分量级对紫荆关流域大中洪水分别率定计算,分析其敏感参数取值的不同,摸清其规律,最后实际应用预报,提高预报精度,为进一步提高北方半干旱半湿润山区洪水预报做贡献。

1 流域概况

紫荆关属于海河流域,地处北方半干旱半湿润山区,为大清河北支拒马河上游的控制站。拒马河是大清河北支主要河流之一,北与永定河,西与唐河,南与中易水、北易水,东北与琉璃河相邻。该河发源于河北省涞源县境,流经易县、涞水、房山等县。石门以上为涞源盆地,石门至紫荆关之间为开阔谷地,紫荆关以下流经山峡,至张坊始出山区。主要河道纵坡比为3.1%,而支沟坡度均>4%,故在各支沟汇入干流河口处均有冲积区。河床覆盖物为砂砾、块石。

紫荆关水文站上游有北屯河、西神山河、狮子峪沟、乌龙沟、黄台院沟和王安镇沟等支流汇入。有大型灌渠五一渠(跨流域引水至安格庄水库)和小盘石水电站1座,南上屯水库(小型)1座。紫荆关以上流域集水面积为1760km2。主河长81.5km,河道纵坡5.5‰,流域平均宽度25.4km。

本流域气候季节性差别较大,冬季多西北风,干旱少雨,夏季炎热多雨。7、8月雨量约为400mm左右,占全年雨量的62%(年雨量约为650mm)。经统计资料可知,紫荆关站于1963年8月8日出现最大洪峰流量4490m3/s,历史排位第一。 近30a来,紫荆关流域流量最大值为2012年7月21日2130m3/s。

2 研究方法与选用资料

2.1 研究方法

新安江模型由河海大学赵人俊教授团队1973年提出,在中国南方湿润和半湿润地区得以应用,后来实践中对模型结构和部分参数继续改善,于1981年新安江三水源模型问世,得到国际上的普遍认可,目前广泛应用于中国南方湿润和半湿润地区,参数值较稳定,预报精度也比较高[2]。

新安江模型是一种概念性的分布式降雨径流模型。新安江三水源模型由蒸散发计算、产流量计算、分水源计算和汇流计算4部分组成[3]。其中流域蒸散发量采用3层蒸发模式计算,将土壤划分为上、中、下三层;产流量计算采用蓄满产流机制,在满足田间持水量以后产流;分水源计算是通过线性水库将总径流量分为地表径流、壤中流和地下径流三部分;汇流计算是通过马斯京根法或是滞后演算法计算[4]。

紫荆关属于海河流域,地处北方半干旱半湿润山区,降雨和径流相对充沛。文章结合紫荆关流域的具体特点,选用新安江三水源模型对紫荆关流域大、中洪水进行率定计算,分析其敏感参数,探究其规律,并应用于实际预报。

2.2 选用资料分析

文章采用紫荆关流域14个雨量站、1个水文站。14个雨量站点有:紫荆关、艾河村、涞源、插箭岭、雀儿岭、石门、团圆村、斜山、胡子峪、狮子峪、东团堡、乌龙沟、王安镇和平顶山[5];水文站点选用:紫荆关。紫荆关水文站为出流站。蒸发资料采用安各庄站的实测蒸发资料。

由于大规模经济建设,大清河流域在20世纪80年代前后下垫面有明显变化,结合当前历史洪水整编资料情况和历史洪水实际代表意义,选用紫荆关流域1955—2021年间11场中大洪水实测资料。同时,考虑到下垫面条件的变化以及人类活动的影响,将上述阶段人为划分为1980年前与1980后两个阶段,对大、中洪水分别进行率定[6]。1980年前共采用了6场历史洪水,1980年后共采用了5场实测洪水资料。紫荆关流域历史洪水场次选取情况,见表1。

表1 紫荆关流域历史洪水场次选取情况

3 方案构建

文中预报方案模型选用新安江模型。方案输入为紫荆关站(30805301)时段流量过程;区间(控制面积1760km2)包括14 个雨量站时段降雨过程,面雨量控制权重采用泰森多边形法;区间产汇流模型分别采用新安江模型(SMS-3)和滞后演算模型(LAG-3)[7]。方案输出为紫荆关站时段流量过程。

4 模型参数及方案评定

4.1 模型敏感参数成果

新安江模型共有17个参数,每个参数均有各自的物理意义,有些参数比较敏感,稍有调整,对预报结果影响比较大;有些参数反映不明显[8]。依据模型结构与作用划分为产流、汇流两个阶段,产流阶段包括蒸散发计算、产流量计算和三水源计算3部分;汇流阶段主要涉及汇流计算,分为坡面汇流、河网汇流和河道汇流3类。对17个参数的意义与敏感情况进行分析,新安江模型参数说明表,见表2。

表2 新安江模型参数说明表

文中运用新安江模型分别对1980年前与1980后两个阶段的大、中洪水分别进行率定,最后选取较为敏感的参数对比分析,探究其在预报中的影响程度多少,摸清规律,以便应用于实际作业中。新安江模型参数说明表,见表3。

表3 紫荆关历史洪水场次模型参数选用情况

由表2可知,敏感参数主要是产流参数K、WM、SM。其中WM表示张力水容量,即流域张力水最大缺水量,反映流域的干旱程度。南方湿润地区WM取值一般为100～150mm、北方半湿润地区一般为150～200mm。文章选取的洪水场次均在主汛期,受前期降雨量影响,张力水蓄水容量应基本符合其取值范围,但率定后两个年代参数取值均偏大,违背其本身的物理意义,尤其1980年之后,大水年份时,WM取值明显偏大,说明1980年代后本流域明显受人类活动的影响。

SM表示流域平均自由水蓄水容量,反映土壤包气带的调蓄作用,决定地表径流多少,主要影响过程线洪峰形态,且对地表径流与地下径流的比重起决定作用[9]。SM越大,意味着地面径流少,相应洪峰变低;相反则相应洪峰越高,两者成负相关关系。SM取值范围是20～80。紫荆关流域位于拒马河上游,以山地为主,植被覆盖率<80%。经近3a对本流域勘察资料可知,紫荆关上游河道为天然河道,涞源县城至紫荆关段常年有水,河床稳定。汇入拒马河的分支团圆沟、斜山沟、狮子峪沟、王安镇沟、乌龙沟、黄台院沟,除王安镇沟有小溪流汇入、其他支流干涸。本流域内共有拦水橡胶坝四座,分别为:涞源石门橡胶坝、紫荆关漂流橡胶坝、磐石电站橡胶坝、紫荆关五一渠橡胶坝。受其影响,增加了流域拦蓄,土壤包气带相应发生变化。因此,分年代率定参数可知,1980年之后较1980年之前SM值偏小,均处于合理范围。分量级分析,在降雨量基本相同的情况下,大水较中水率定的SM均偏小,符合物理意义和规律。

汇流参数中敏感参数是CS、LAG。其中CS为河网蓄水消退系数,反映洪水过程坦化的程度。CS越小,洪峰越高,呈负相关。由表2可知,从年代分析,同一量级的洪水,80年代后CS取较80年代前偏小;从量级分析,两个年代中,大水较中水CS均偏小。

4.2 方案评定

经对紫荆关流域的11场历史洪水进行率定,紫荆关站1963年洪水模拟结果示意图,见图1;紫荆关站1964年洪水模拟结果示意图,见图2;紫荆关站1982年洪水模拟结果示意图,见图3;紫荆关站1996年洪水模拟结果示意图,见图4。紫荆关流域分年代分量级历史洪水率定成果,见表4。结果表明,运用新安江模型对于紫荆关流域历史洪水的洪量的模拟效果较好,两个年代的合格率算数平均值达到80%以上,要优于两个年代的洪峰预报效果70%。

图1 紫荆关站1963年洪水模拟结果示意图

图2 紫荆关站1964年洪水模拟结果示意图

图3 紫荆关站1982年洪水模拟结果示意图

图4 紫荆关站1996年洪水模拟结果示意图

表4 紫荆关流域分年代分量级历史洪水率定成果

由表4可知,在1980年前的历史洪水场次模拟中,大水的洪量合格率为100%,洪峰合格率70%,中水的洪量合格率和洪峰合格率均为70%;1980年后的历史洪水场次模拟,大水的洪量和洪峰合格率为100%,中水的洪量合格率为100%,洪峰合格率70%。因此,根据《水文情报预报规范》(GBT 22482—2008)的要求,分年代分量级模拟的确定性系数均在0.75左右,合格率均在70%以上,达到或超过乙级精度,预报效果比较好,适用于紫荆关流域洪水预报。

5 结 论

1)文章紫荆关站为山区站,属于降雨径流型,流域输入只有一个区间,运用新安江模型分年代分量级对紫荆关流域洪水进行模拟,合格率均在70%以上,达到或超过乙级精度,相对来说预报效果比较好,因此,新安江模型适用于北方半干旱半湿润山区。

2)通过分年代分量级模拟紫荆关流域洪水可知,大、中水方案,无论1980年之前还是之后,模拟精度均高于不分量级和年代时的精度,更适用于实际工作。

3)实际作业预报中,对于紫荆关流域,产流参数中主要是根据降雨量调整SM,汇流参数中主要调整CS,LAG,优先调整CS。

4)由于洪水资料有限,率定资料年份不足,未按照水文情报预报规范完成洪水检验,今后实际工作中待有洪水资料后继续完善率定检验,进一步修订方案参数,更好地服务预报[10]。