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新安江模型在牡丹江流域上的应用

来源:万方期刊网  时间:2017-10-10 09:25:05  点击:

作者:张强

  
  摘要:本文以牡丹江流域牡丹江水文站近20年连续降雨、径流、蒸发数据为依托,采用时段间隔为1的新安江模型理论方法,模拟并预测牡丹江水文站夏汛期洪峰流量及洪峰发生时间。有效的为水情预报工作提供理论支撑。
  关键词:新安江模型;径流;洪峰时间;预报
  中图分类号:TV121文献标识码:A
  ApplicationofXinanjiangModleinMudanjiangRiverbasin
  Abstract:Mudanjianghydrologicalstationinmudanjiangriverbasinfornearly20yearsofcontinuousrainfall,runoffandevaporationdataasthebacking.Byusingthetimeintervalis1oftheXinanjiangmodeltheory.Simulateandpredictmudanjianghydrologicalstationinthesummerfloodseasonfloodpeakdischargeandfloodpeaktime.Providetheoreticalsupportforforecastworkeffectively.
  Keywords:Xinanjiangmodle;Runoff;timeofpropagationoffloodpeak;forecast.
  1研究区概况
  牡丹江为松花江第二大支流,发源于长白山牡丹岭,河流大致呈南北走向,全长725km,平均坡降1.4‰,总落差为1007m,流域面积为37600km2[1]。在该河流上的牡丹江水文站集水面积为22194km2,上游的石头水文站集水面积为13771km2,距牡丹江站约85km。其左支流海浪河上的长汀子水文站集水面积为2424km,长汀子站距牡丹江站约为90km。整个流域呈南北狭长形,地跨吉、黑两省,本流域以南为图们江、第二松花江流域;东部为穆棱河流域,西部以张广才岭为界,有拉林河、蚂蚁河流域,北临松花江干流。[2]
  本站测验河段处于牡-宁段铁路桥与公路桥之间,顺直部分长达1500m左右,测验断面下游800m处有海浪公路大桥,上游1700m处有牡-宁铁路大桥。左岸为牡丹江防洪大堤,右岸为牡-宁公路。基本水尺断面上游2100m处海浪河从左岸汇入,海浪河系牡丹江第一支流,也是牡丹江中下游洪水来源的主要地区,牡丹江干流在与海浪河汇合口处,水流流向由南向北变成自西向东,流经市区,在热电厂处转折向北流去。由于上游是山区,因此洪水期,特别是大洪水在涨水阶段,河中漂浮物较多,多为树木和杂草。河床为细沙和卵石组成,主槽为沙砾石组成,滩地为沙壤土。河床呈周期性冲淤变化,左岸稳定,右岸有部分坍塌情况。本站测流断面位于牡-宁铁路大桥和海浪公路大桥之间,洪水时,测流断面受冲刷影响,落水时,水位流量关系线右移,水位流量关系多为两条线。中、低水时受下游桥梁和浅滩控制,水位流量关系稳定,呈单一线。近几年低水受人工采沙影响,水位流量关系逐渐向右偏移。
  2模型方法介绍
  新安江(三水源)模型[3]结构可分为4个部分[4]:分别是蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算。本文按照一层蒸散发模式计算流域蒸散发,按蓄满产流概念计算降雨产生的总径流量,采用流域蓄水曲线处理不均匀下垫面对产流面积变化的影响。在径流成分划分上,将三水源的总径流划分成饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流。在汇流计算上,采用瞬时单位线转换成时段单位线进行单位面积上的地表径流汇流计算,壤中水径流和地下水径流的汇流则采用线性水库法,河网汇流一般采用分段连续演算的Muskingum法[5]或滞后演算法[6-7]。(见图1-图3)
  图1三水源新安江模型流程图
  图2流域蓄水容量-面积分配曲线与降雨径流间关系图
  图3自由水蓄水库结构图
  3实例分析
  3.1资料选取
  雨量站选用:经雨量资料分析,牡丹江水文站以上区间共有石头、长汀子、海林、横道河子、新城、小双峰林场、密江村、三合村8个雨量站。
  水文站的选用:根据影响牡丹江水文站流量的实际情况,本次选取牡丹江水文站上游站石头水文站、长汀子水文站、桦树川水库作为牡丹江水文站流量预报的输入因子。牡丹江水文站1934年建站,建站以来最大流量为6230m3/s,石头水文站1955年建站,建站以来最大流量为3320m3/s,长汀子水文站1952年建站,建站以来最大流量为2500m3/s,根据雨量资料系列,流量资料选用2006年、2008年至2013年7年17场次洪水分析,由于春季来水主要为融雪径流,对率定结果影响较大,故率定开始时间选定为每年的6月1日,个别年份春季气温偏低适当推后。
  蒸发资料选用:选用牡丹江水文站蒸发资料。
  3.2新安江模型预报方案
  3.2.1方案构建
  预报方案设置3个方案输入:石头水文站(11100900)、长汀子水文站(11104300)、桦树川水库(11103600)和111011104A(牡丹江集水面积22194km2,石头站集水面积13771km2,长汀子站集水面积2424km2,桦树川水库集水面积505km2,区间控制面积5494km2)。石头站、长汀子站、桦树川水库输入采用马斯京根河道分段连续演算模型(MSK),区间输入采用蓄满产流模型(SMS_3)和滞后演算模型(LAG_3);雨量站控制权重采用泰森多边形法。方案计算时段为1小时,方案输出类型为水位流量。其结构图如图4。
  图4牡丹江站预报结构图
  3.2.2方案定义及属性
  (1)方案定义
  模型:马斯京根河道分段连续演算模型、新安江三水源蓄满产流、滞后演算;
  方案输入:石头水文站(11100900)、长汀子站(11104300)、桦树川水库(11103600)和区间(111011104A);
  方案输出:牡丹江水文站时段水位流量过程。
  (2)方案属性
  预报站码:11101110(牡丹江站);
  时段长度:1小时;
  预见期:24个时段;
  预热期:30天;
  输出类型:河道水位流量;
  输入个数:3个;
  输入类型:2个河道输入、1个水库输入和1个流域输入。
  3.2.3圈化流域边界(见图5)
  图5牡丹江站流域边界示意图
  (1)目标函数统计见下表:
  表1牡丹江站率定目标函数值统计表
  方案名称方案一
  确定性系数0.921
  (3)场次洪水统计
  表2牡丹江站预报方案率定场次洪水统计表
  洪号时间名称计算值实测值绝对误差相对误差合格判断
  12006-06-1308:00~2006-06-1808:00洪峰流量382472-89.618.99%是
  峰现时间2006/6/1618:002006/6/1618:000
  22006-06-2408:00~2006-07-1808:00洪峰流量416490-73.715.04%是
  峰现时间2006/6/279:002006/6/278:001
  32006-08-0708:00~2006-08-1808:00洪峰流量859907-48.35.32%是
  峰现时间2006/8/1211:002006/8/1212:001
  42008-08-0108:00~2008-08-0708:00洪峰流量61255557.510.35%是
  峰现时间2008/8/214:002008/8/215:001
  52008-08-0908:00~2008-08-1508:00洪峰流量6276224.80.78%是
  峰现时间2008/8/1216:002008/8/1217:001
  62009-07-1908:00~2009-07-2808:00洪峰流量603762-158.720.83%否
  峰现时间2009/7/2212:002009/7/2220:008
  72009-08-1808:00~2009-08-2408:00洪峰流量55351042.58.34%是
  峰现时间2009/8/215:002009/8/213:002
  82010-08-0808:00~2010-08-1508:00洪峰流量727619107.717.40%是
  峰现时间2010/8/159:002010/8/1213:0068
  92010-08-2008:00~2010-08-2808:00洪峰流量74370636.65.18%是
  峰现时间2010/8/2516:002010/8/2510:006
  102011-06-0208:00~2011-06-0613:00洪峰流量492577-84.814.69%是
  峰现时间2011/6/516:002011/6/519:003
  112011-06-0708:00~2011-06-1308:00洪峰流量712796-83.910.54%是
  峰现时间2011/6/100:002011/6/100:000
  122011-06-2204:00~2011-06-2708:00洪峰流量531505265.15%是
  峰现时间2011/6/248:002011/6/247:001
  132012-08-2808:00~2012-09-0308:00洪峰流量47045712.62.76%是
  峰现时间2012/8/3017:002012/8/3016:001
  142012-09-1608:00~2012-09-2208:00洪峰流量72361610717.37%是
  峰现时间2012/9/1813:002012/9/199:0020
  152013-06-2708:00~2013-07-0308:00洪峰流量1003988151.51%是
  峰现时间2013/7/16:002013/7/17:001
  162013-07-2308:00~2013-08-0708:00洪峰流量18102170-360.116.59%是
  峰现时间2013/7/2613:002013/7/2617:004
  172013-08-0808:00~2013-08-1508:00洪峰流量1073103042.84.16%是
  峰现时间2013/8/121:002013/8/121:000
  4结论
  本方案以率定结果进行评定。由上述参数率定结果可知,洪水过程拟合效果较好,水量基本平衡,各参数符合该地区的洪水特性,16场场次洪水误差小于20%在允许范围内,根据确定性系数0.921评定该预报方案为甲级。根据率定的参数我们选取2014年2场次洪水进行了模型检验,检验目标函数值为0.829,检验结果见图13及表3。
  主要参数值选取遵循研究区特点,经试验得出最拟合参数取值:K=1.176;SM=37.476;KG=0.464;CI=0.500;CG=0.999;CS=0.875;LAG=8。其中CI<CS<CG,符合新安江(三水源)模型原理要求。
  综上所述,新安江模型在牡丹江流域可以较为准确的预测夏汛期洪峰出现的时间,可以为水情情报预报工作提供有利帮助,也可为水资源优化配置提供有效依据。
  图132014-06-01至2014-09-30模型检验图
  表3牡丹江站预报方案率定检验场次洪水统计表
  洪号时间名称计算值实测值绝对误差相对误差合格判断
  12014-06-0608:0~2014-06-1208:00洪峰流量379426-46.610.95%是
  峰现时间2014/6/83:002014/6/88:005
  22014-07-2208:0~2014-07-2708:00洪峰流量27926514.15.34%是
  峰现时间2014/7/2223:002014/7/249:0034
  水位单位:米、流量单位:立方米/秒、洪量单位:百万立方米、绝对误差时间单位:计算时段
  参考文献
  [1]牡丹江流域中游牡丹江城区段水文特性分析[J].黑龙江水利科技,2013,08:48-49.
  [2]黑龙江省水文年鉴[M].哈尔滨:黑龙江省水文总站,黑龙江省水文局,1934-2009.
  [3]流域水文模型-新安江模型与陕北模型.北京:水利电力出版社,1984.[4]赵人俊.流域水文模型的比较分析研究.水文,1989,(6).
  [5]梁晖.河道洪水演进马斯京根模型参数及最优参数估计方法研究[D].广西大学,2015.
  [6]芮孝芳,康权,孙祥燕,罗伯昆.论滞后演算法的原理、应用和比较[J].水利学报,1988,11:69-73.
  [7]章坚民,孙红星,朱再福,童玉田,陈其远.山溪性流域滞后演算汇流模型[J].水文,1996,06:37-40.
  联系电话:18646202866

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