陳文蛟

（河南省平頂山水文水資源勘測(cè)局，河南 平頂山 467000）

0 引言

近幾十年來(lái)，現(xiàn)代水文學(xué)建立的高精度水文模型為優(yōu)化水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度，開展水資源合理應(yīng)用提供了有力保證。通常認(rèn)為，把數(shù)學(xué)語(yǔ)言或物理模型運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)水文系統(tǒng)的刻劃或比擬當(dāng)中，依據(jù)一定條件對(duì)水文變量進(jìn)行模擬及預(yù)報(bào)，從而建立起水文模型，以達(dá)到預(yù)報(bào)現(xiàn)實(shí)水文系統(tǒng)的未來(lái)變化的目的。從水文模型的發(fā)展歷程上看，約到14世紀(jì)末水文學(xué)仍處于定性描述水文現(xiàn)象階段，約到19世紀(jì)末形成了水文科學(xué)體系，到20世紀(jì)50 年代興起了應(yīng)用水文學(xué)，從而開始了現(xiàn)代水文學(xué)的發(fā)展?；陬A(yù)報(bào)洪峰的實(shí)踐需要，現(xiàn)代水文模型應(yīng)運(yùn)而生，并蓬勃發(fā)展。常用的可分為三大類：系統(tǒng)理論模型、概念性模型和分布式模型。中國(guó)水文領(lǐng)域的新安江模型屬于概念性模型，20世紀(jì)70 年代由趙人俊團(tuán)隊(duì)對(duì)新安江水庫(kù)作入庫(kù)流量預(yù)報(bào)時(shí)提出，特別適用于濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)陣雨徑流預(yù)報(bào)。

1 新安江模型的基本認(rèn)識(shí)

1.1 新安江模型基本原理

新安江模型特別注重流域內(nèi)降雨到徑流形成的時(shí)空變化過(guò)程，整個(gè)模型系統(tǒng)由功能不同的五個(gè)子模型緊密構(gòu)成，即三層蒸發(fā)子模型、蓄滿產(chǎn)流子模型、三水源劃分子模型、流域匯流子模型和洪水演進(jìn)子模型。各個(gè)子模型間迭代運(yùn)行流程依次遵從三個(gè)階段：①啟動(dòng)三層蒸發(fā)子模型算出蒸發(fā)量，隨后導(dǎo)入蓄滿產(chǎn)流子模型算出徑流總量；②運(yùn)行三水源劃分子模型；③運(yùn)行流域匯流子模型和洪水演進(jìn)子模型，計(jì)算出特征時(shí)段的洪水預(yù)報(bào)量。

模型計(jì)算時(shí)先要進(jìn)行單元流域劃分，綜合考慮自然地理概況、河流水文特征及水文控制站等三因素作為劃分基本原則，把自然水文、流域形狀、降雨特征和水文控制站等主要因素作為指標(biāo)把全流域劃分成多塊單元流域，單元內(nèi)再進(jìn)行分塊。之后，按三階段流程運(yùn)行。

第一階段將多個(gè)時(shí)段的降雨量輸入模型。優(yōu)選一個(gè)特征時(shí)段的降雨量作為參數(shù)傳給三層蒸發(fā)子模型進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算，算出流域內(nèi)降雨的蒸發(fā)量。接著把降雨量和蒸發(fā)量作為參數(shù)導(dǎo)入蓄滿產(chǎn)流子模型進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算得出徑流總量。第二階段以徑流總量為參數(shù)導(dǎo)入三水源劃分子模型，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算后輸出地表徑流（RS）、壤中流（RSS）和地下徑流（RG）三水源。第三階段啟動(dòng)流域匯流和洪水演進(jìn)兩個(gè)子模型，利用洪水演進(jìn)子模型計(jì)算出該特征時(shí)段的洪水預(yù)報(bào)量。同理，依照上述三階段迭代運(yùn)行體系逐次計(jì)算出其余各時(shí)段的洪水預(yù)報(bào)量。

1.2 新安江模型洪水預(yù)報(bào)流程簡(jiǎn)圖

新安江模型輸入降雨（P）和蒸散發(fā)能力（EM），最終輸出流域出口斷面流量（Q）和蒸散發(fā)量（E）。整個(gè)模型運(yùn)行主要經(jīng)過(guò)蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流量計(jì)算、三水源劃分和匯流計(jì)算等四部分。模型洪水預(yù)報(bào)流程見圖1。

圖1 三水源新安江模型流程圖

2 可靠性分析

2.1 誤差計(jì)算

入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)模擬誤差主要來(lái)自于建?；A(chǔ)資料、模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)、流域開發(fā)活動(dòng)（尤其是水利工程）影響及預(yù)見期內(nèi)降雨預(yù)報(bào)等五個(gè)方面誤差。

一般采用對(duì)比模型模擬效果與實(shí)測(cè)資料間的差值關(guān)系，估算出各時(shí)段的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，最后求得平均誤差，以便對(duì)比規(guī)范評(píng)估模型的可靠性。

2.2 原因分析

2.2.1 資料誤差

分析基本資料建立新安江模型時(shí)會(huì)有四方面誤差：①測(cè)驗(yàn)誤差；②洪水流量資料間接由觀測(cè)水位（H）查找H～Q關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的誤差；③資料的空間代表性；④用于率定水文模型的水文資料，充分反映各種流域特性的客觀代表性差異程度引起的必然誤差。

2.2.2 模型的結(jié)構(gòu)誤差

水文模型都是實(shí)際水文流域的概化，建模過(guò)程中就需要大量的簡(jiǎn)化處理，由此必然會(huì)帶來(lái)一些誤差。

2.2.3 率定模型參數(shù)誤差

水文模型模擬時(shí)，存在著用水文資料率定的預(yù)報(bào)誤差。

2.2.4 流域開發(fā)活動(dòng)（尤其是水利工程）影響誤差

流域開發(fā)活動(dòng)（尤其是水利工程建設(shè)）會(huì)改變流域下墊面與河道的天然狀況，導(dǎo)致水文模型建立的前提條件嚴(yán)重偏離。從而帶來(lái)水文模型參數(shù)率定的困難，甚至?xí)绊懙侥Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)。

2.2.5 降雨預(yù)見期內(nèi)的預(yù)報(bào)誤差

洪水預(yù)報(bào)在預(yù)見期內(nèi)較為準(zhǔn)確，考慮天氣預(yù)報(bào)因素，引起洪水預(yù)報(bào)誤差和不確定性。

3 案例分析

3.1 歷史典型洪水模擬分析

利用新安江模型對(duì)某水庫(kù)歷史上有記錄的洪水進(jìn)行模擬，分析模型模擬洪水的效果，對(duì)模型預(yù)報(bào)洪水發(fā)生的可能性和誤差情況綜合評(píng)估，為水庫(kù)洪水調(diào)度提供參考依據(jù)。

3.1.1 歷史典型入庫(kù)洪水實(shí)測(cè)資料選擇

選擇某水庫(kù)歷史典型入庫(kù)洪水實(shí)測(cè)資料為分析依據(jù)，見表1。

表1 某水庫(kù)歷史典型入庫(kù)洪水實(shí)測(cè)資料表（實(shí)測(cè)峰值）

3.1.2 新安江模型對(duì)典型入庫(kù)實(shí)測(cè)洪水模擬分析

運(yùn)用新安江模型對(duì)上述典型入庫(kù)實(shí)測(cè)洪水24個(gè)時(shí)段進(jìn)行模擬分析，得出預(yù)報(bào)入庫(kù)流量值，見表2第（3）欄所示。

3.1.3 新安江模型模擬與實(shí)測(cè)資料對(duì)比分析

在同一坐標(biāo)系內(nèi)，分別點(diǎn)繪出新安江模型模擬與實(shí)測(cè)資料流量過(guò)程線，進(jìn)行對(duì)比分析，見圖2。

圖2 某水庫(kù)典型入庫(kù)實(shí)測(cè)洪水與模型洪水預(yù)報(bào)模擬結(jié)果對(duì)比圖

3.2 可靠性評(píng)估

3.2.1 誤差估算

誤差估算分別從絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差兩方面進(jìn)行。絕對(duì)誤差是用模型預(yù)報(bào)模擬值減去相應(yīng)時(shí)段的典型入庫(kù)實(shí)測(cè)洪水值所得的差值即Q模擬-Q實(shí)測(cè)=Q絕對(duì)誤差，相對(duì)誤差是用各時(shí)段的差值除以實(shí)測(cè)值所得百分比即Q誤差/Q實(shí)測(cè)=Q相對(duì)誤差。表2 中時(shí)段1：00～2：00 的Q絕對(duì)誤差=0.92-1.25=-0.33 m3/s，Q相對(duì)誤差=-0.33/1.25=-26%；2：00～3：00的Q絕對(duì)誤差=1.12-1.25=-0.13 m3/s，Q相對(duì)誤差=-0.13/1.25=-10%；依此類推，持續(xù)算到第24個(gè)時(shí)段0：00～1：00，見表2中（4）（5）兩欄所示。

從表2中（4）（5）兩欄可知，洪水預(yù)報(bào)模擬結(jié)果絕對(duì)誤差的最大值為8.97 m3/s，算術(shù)平均誤差值為2.50 m3/s，從絕對(duì)誤差的平均值來(lái)看模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)誤差并不大，然而其相對(duì)誤差平均值卻達(dá)到27.33%，接近1/3，略顯較大。對(duì)比表2 中的24 個(gè)時(shí)段的實(shí)測(cè)值與模擬值可以看出，平均誤差較大主要是由于預(yù)報(bào)峰值出現(xiàn)時(shí)刻（16：00～17：00）有偏差（實(shí)測(cè)峰值出現(xiàn)在15：00～16：00）所致，當(dāng)來(lái)水過(guò)程降雨量相對(duì)偏大時(shí)就會(huì)使平均誤差變大。

3.2.2 模型模擬可靠性評(píng)估

查詢《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范（SL250—2000）》有關(guān)規(guī)定可知，模擬許可誤差應(yīng)控制在實(shí)測(cè)資料變幅的20%以內(nèi)。上述案例分析24 個(gè)時(shí)段中有15 個(gè)模擬預(yù)報(bào)相對(duì)誤差絕對(duì)值≤20%,在許可誤差范圍內(nèi)（見表2 相對(duì)誤差一欄），預(yù)報(bào)合格率為62.50%，符合規(guī)范丙等級(jí)別要求的60%≤合格率＜70%指標(biāo)區(qū)間，可以相信新安江模型在預(yù)報(bào)模擬效果的可能性、許可誤差等方面都有足夠的可靠性。

表2 模型對(duì)歷史典型實(shí)測(cè)入庫(kù)洪水模擬誤差估算表（取絕對(duì)值的算術(shù)平均值）

4 結(jié)語(yǔ)

①新安江模型是概念性水文模型的典型代表，非常適用于流域內(nèi)降雨徑流預(yù)報(bào)。②實(shí)證分析顯示，新安江模型對(duì)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)模擬效果有足夠的可靠性。③實(shí)踐中選取基礎(chǔ)資料對(duì)模型參數(shù)率定時(shí)要注重正確處理方法和要求。