资料观测精度主要是对不同管理性质的雨量站,维护人员不同观测精度常差距较大,特别是有些委托非专业技术人员代管的雨量站,其管理不规范、维护人员素质差、责任心不强,观测的雨量资料精度常会低些,尽量要避免。
测站的可维护性主要是对新建站点,要求便于管理和维护,对有些深山老林,汽车到不了或无人居住,设备难以管理和日常维护,就不宜设站。
信道的畅通性是对遥测系统而言,要求与外界或中心站或中继站间的信道畅通,否则也不宜建站。
站点密度一般要通过站网论证分析,其确定原则是在满足洪水预报模型精度的要求前提下,考虑上述选站因素,选择尽可能低的雨量站密度。
8.5.3.2 日模资料选择
以日为时段的历史水文资料,主要是用于率定产流参数,并为次洪模型参数率定提供洪水的初始中间变量。日模资料通常包括预报位置的日平均流量、流域蒸发站的日蒸发资料和各雨量站的日雨量资料。如果预报的范围是区间,则还有流域外日平均流量入流资料。
日模资料通常要求是连续的年份系列,最少要12年,其中10年为参数率定和2年模型检验。一般要求有丰水年、枯水年和平水年的代表性,所选年份尽量是最近的12年。如果最近12年的丰、平、枯代表性不好,资料系列要延长;如果最近的年份无观测资料,那也可适当提前。
日模资料选择还要求资料系列前后一致,特别是蒸发和流量资料。如蒸发资料站位置、观测器皿类型在选定时期内的改变会影响蒸发资料的一致性,就要分析资料的一致性,对不一致的资料系列要进行一致性处理后才能为模型参数率定所用。类似地流量资料站点位置改变或流量站控制流域内水库的兴建、农业种植活动的大规模改变、水保措施等都会影响到资料系列的一致性,其处理方法因具体情况而差异很大,但都必须使流量资料系列一致方可。
日模资料选择还要求同步性。即各雨量站、蒸发站和流量站的资料都要同时开始和同时结束,只有同步的资料才能为参数率定所用。
8.5.3.3 洪水资料选择
洪水资料主要用来率定模型的汇流和分水源参数等,对有些流域还要适当的考虑产流参数,如蓄水容量分布曲线指数等。洪水资料主要包括预报点洪水期等时段间隔的流量和流域上各雨量站的时段雨量资料,如果预报的范围是区间,则还有流域入流站时段流量资料。
洪水资料选择要考虑各种不同特点洪水的代表性,主要有:大、中、小洪水尺度代表性,不同季节、不同暴雨类型、不同暴雨中心位置、不同降雨强度、不同暴雨历时和单峰与复式
洪水等的代表性。对大、中、小洪水尺度的代表性考虑,可适当多选择一些最近发生的大洪水,但历史上发生的特大洪水也不能漏,中小洪水代表也要。以使模型率定的参数能反映流域对不同尺度洪水汇流调蓄作用的差异;不同季节的代表性。要考虑汛期与枯季的代表性、夏季与冬季的代表性、汛初与汛末的代表性等。不同季节的洪水,反映了季节性因素对洪水的影响;不同暴雨类型洪水的代表性,如锋面雨洪水、台风雨洪水、雷暴雨洪水等。反映不同暴雨类型引起的洪水特征差异;不同暴雨中心位置的代表性,主要考虑暴雨中心在上游、中游和下游三种情况;另外还有不同降雨强度的代表性、不同暴雨历时的代表性和单峰与复式洪水的代表性等。只有选择了这些不同代表性的洪水后,所率定的模型参数才能代表各种特点的洪水。
类似于日模资料选择,洪水资料也要考虑资料系列前后一致,对不一致的资料系列要进行一致性处理后才能为模型参数率定所用。
洪水资料选择要考虑不同资料间的相应性。即要求各雨量站时段雨量与流量站的洪水资料都要相应,引起本场洪水的雨量都要。由于不同雨量站降雨的开始与结束时间不同,一般以本次洪水降雨的最早开始时间作为雨量摘录的开始时间,最迟结束时间作为雨量摘录的结束时间,只有相应的洪水资料才能为次模参数率定所用。
洪水场次要湿润地区不低于50场,干旱地区不少于25次。在资料和计算条件允许的情况下,选择尽可能多的洪水。
8.5.4 建模过程
建模过程或称预报方案建立,
模型选择 类似于模型参数确定,主要涉及模型选择、模型参数确定、模型分析
参数确定 检验和模型结构改进,可由图8-22
结构改进 流程图表示。
很不满意 分析检验 不太满意 满意 结束
图8-22 建模流程
8.5.4.1 模型选择
模型选择主要考虑气候、洪水、植被、地貌、地质、和人类活动等因素,从蒸发、产流、分水源、坡面汇流和河网汇流五方面来选择。
蒸发对于我国绝大多数流域可采用三层蒸发模型。有些南方湿润地区流域,第三层蒸发作用不大,可简化为二层;蒸发折算系数可是常数也可变数,在南方湿润地区,通常只考虑汛期和枯季的差异即可,而在高寒地区,还要考虑冬季封冻带来的差异。因此蒸发折算系数的季节变化要视具体流域的蒸发特征而定。
产流主要据流域的气候特征,湿润地区选择蓄满产流、干旱地区选择超渗产流、干旱半干旱地区采用混合产流。在理论上讲,混合产流模型要优于其他两者,但在湿润地区,蓄满产流与混合产流两种方法计算结果除少数洪水外很接近,而蓄满产流结构相对简单些、应用检验充分些、方法成熟些、使用起来也方便些,通常可优先选择;干旱半干旱地区流域,混合产流模型效果常好于其他两者,可作为首选模型。另外如果流域地处高寒地区,产流结构中应考虑冰川积雪的融化、冬季的流域封冻等;如果流域内岩石、裂隙发育,喀斯特溶洞广布或甚至存在地下河的不封闭流域,产流要采用相应的特殊结构;还有一些人类活动作用强烈的流域,都不能一概而论。例如,流域内中小水库或水土保持措施作用大时,应考虑这些水利工程对水流的拦截作用等。
分水源可用稳定下渗率、下渗曲线、自由水箱和下渗曲线与自由水箱的结合等划分结构。稳定下渗率和下渗曲线划分结构,通常适用于两水源;自由水箱和下渗曲线与自由水箱的结合划分结构可用于三水源及更多水源的划分。
坡面汇流通常分三水源进行,汇流结构可是线性水库、单位线、等流时线等。有些流域地面径流汇流参数随洪水特点不同而变化,可考虑参数的时变性;有些流域地下径流丰富、汇流机理复杂,还可考虑四水源。这水源的划分是相对的,在目前技术和方法条件下不宜划分过多种的水源,随着技术的发展、信息利用水平的提高,也可划分更多种水源。
河网汇流结构选择相对简单些,通常用分河段的马斯京根法汇流,也可采用其他方法,差别不会太大。只是汇流参数有时随洪水大小变化较大,要采用时变汇流参数。
8.5.4.2 参数确定
参数确定就是据历史水文资料,采用水文分析法或数学最优化方法确定模型参数,这个过程的重点是确定一组模型参数,既能较好的模拟、反演历史水文事件,又能稳定、可靠地预测未来的水文事件。
8.5.4.3 分析检验
对历史水文资料检验系列,用选择的结构、确定的模型参数进行模拟计算,比较计算与实测流量的误差,可以分析检验模型结构和确定参数的合理性与所选结构对历史资料模拟的有效性。如果通过比较分析误差系列,模型模拟效果好,则说明结构合理有效,建模就结束,否则要分析效果差的原因,找出不合理的结构加以改进;如果效果很不满意,还应考虑重新选择模型。
8.5.4.4 结构改进分析
结构改进主要是对原模型选择结构不够完善的地方,结合历史资料模拟误差情况进行改进。这改进的关键是分析模拟系统性偏差与模型结构的关系。
所谓系统偏差,就是模拟特征量系统的偏大(或偏小)于实测特征量。例如大洪水的计算洪峰系统偏小于实测洪峰,而小洪水的又系统偏大于实测值,这系统偏差反映模型汇流参数还没有考虑随洪水特征不同而变化。因为通常流域大洪水地面径流汇集速度会比小洪水快,受到的流域相对调蓄作用比小洪水小些,如果采用常参数汇流结构,会引起这类系统偏差,可以考虑采用参数随洪水量级而变化的汇流结构;又如采用蓄满产流计算产流时,对夏季久旱后由大强度的对流型暴雨形成的洪水,如果计算的次洪产流量系统偏小于实测的次洪径流量,就要考虑产流结构的改进。因为夏季久旱后流域土壤缺水量很大,遇大强度暴雨不易蓄满就由于雨强大于下渗能力而产生地面径流,导致计算次洪径流量系统偏小,这种情况宜采用混合产流结构;另外同样对于夏季久旱后的洪水,假如计算的次洪产流量系统偏大于实测的次洪径流量,就要考虑地表面的截流作用。因为流域上地表面坑坑洼洼,还有农田、山塘、水坝和中小型水库等,夏季久旱后,由于蒸发、农业灌溉、城市生活和工业供水等,使这些具有一定蓄水库容的设施蓄水量减少或干枯,降雨落在这些设施控制的流域面积上产生的径流首先受到这些水利工程设施的截流拦蓄,导致实测的径流量小于实际的产流。所以这时应考虑增加地面坑洼截流的结构,以模拟这因素作用;还有如高寒封冻与融化、岩溶调蓄、流域不闭合、参数值确定不合理等因素,都会引起不同特征的系统偏差,需要不同的问题分别处理。
8.5.5 模型应用
新安江模型在全国已有大量的推广应用,而且在湿润地区应用效果基本都能达到水利部颁标准甲等方案,在半湿润半干旱地区流域,大部分能达到水利部颁标准乙等方案。这里举一应用例子,分析其模型特点与效果。
8.5.5.1 流域概况
东溪水库流域地处崇阳溪上游——武夷山市吴屯乡冲自然村下游,距城关7km。水库流域集雨面积554km2,主河道长44.5km,总库容1.018亿m3。下游有支流西溪汇入,城关以上坝下区间面积为526平方公里。流域水系分布如图8-23所示。
图8-23 流域水系分布图
水库流域的年径流主要靠降水补给,多年平均降水量为1980mm,多年平均径流深为1450mm,多年平均蒸发量为530 mm,年平均径流系数为0.73,属典型的湿润地区。流域位于武夷山暴雨中心,上游在东蓬、洋氏、坑口的分界线处,降雨强度大,为华东地区的暴雨中心,历史上曾有15分钟百余毫米的降雨记录,洪水来得快、峰高量大、洪水频繁,常给武夷山市带来灾害。
8.5.5.2 模型参数率定
模型采用结构、参数及其率定的参数值如下
1.蒸发。蒸发计算采用三层蒸发模式,以雨量站控制面积为单元,分单元算蒸发,主要参数有蒸发折算系数K,通过对12年日模资料的分析率定得K=0.9;
2.产流。产流计算采用蓄满产流,以雨量站控制面积为单元,分单元算产流,主要参数有流域平均蓄水容量WM、上层平均蓄水容量WUM、下层平均蓄水容量WLM、流域蓄水容量分布曲线指数B和流域蒸发扩散系数C。通过对12年日模资料的分析率定得
WM=150mm,WUM=20mm,WLM=80mm,B=0.43,C=0.16;
3.分水源。分水源计算采用自由水箱结构,以雨量站控制面积为单元,分单元划分径流,