改進(jìn)的API模型在尼爾基洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

楊春輝，張玥，孟祥國(guó)

（嫩江尼爾基水利水電有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

尼爾基水利樞紐控制流域面積達(dá)到6.64萬(wàn)km2，流域多年平均徑流量104.7億m3，流域內(nèi)多年平均降水量400～500 mm，屬于半濕潤(rùn)地區(qū)，因此在水文預(yù)報(bào)的產(chǎn)流部分適用性很強(qiáng)的API模型較為適用。本方法是在API模型的基礎(chǔ)之上，結(jié)合該流域獨(dú)特的產(chǎn)、匯流特性，為了提高流域水文預(yù)報(bào)的精度和API模型的可操作性而進(jìn)行改進(jìn)的一種產(chǎn)流預(yù)報(bào)方法。

1 資料選取

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》要求，在資料的選取上應(yīng)有一定的代表性，即：應(yīng)包括大、中、小、復(fù)式、單峰的洪水。本文中庫(kù)莫屯控制流域選取了石灰窯、庫(kù)莫屯、松嶺、古里、霍龍門、新天、壯志、罕達(dá)氣8個(gè)雨量站1976—2005年的降雨資料作為該控制流域面平均雨量計(jì)算的原始資料，以庫(kù)莫屯水文站1976—2005年的流量資料作為該流域洪水過(guò)程的原始資料。柳家屯控制流域選取了吉文、加格達(dá)奇、柳家屯3個(gè)雨量站1971—2005年的降雨資料作為該控制流域面平均雨量計(jì)算的原始雨量，以柳家屯水文站1971—2005年的流量資料作為該流域洪水過(guò)程的原始資料。科后控制流域選取了科后、新民2個(gè)雨量站1980—2005年的降雨資料作為該控制流域面平均雨量計(jì)算的原始雨量，以科后水文站1971—2005年的流量資料作為該流域洪水過(guò)程的原始資料。選定3個(gè)流域的降雨和流量資料之后分別對(duì)各個(gè)流域內(nèi)的場(chǎng)次洪水進(jìn)行洪水分割和選取等基本工作。

2 預(yù)報(bào)方案

2.1 方案介紹

水文預(yù)報(bào)模型按照產(chǎn)流機(jī)制主要分為物理模型、數(shù)學(xué)模型、黑箱子模型等。API模型屬于黑箱子模型，它是以流域降雨產(chǎn)流的物理機(jī)制為基礎(chǔ)，以主要的影響因素作參變量，建立降雨量P和產(chǎn)流量R之間的定量相關(guān)關(guān)系。常用的參變數(shù)有Pa（前期影響雨量指數(shù)，反應(yīng)前期土濕），k0（Pa折減系數(shù)）等。即

在實(shí)際的預(yù)報(bào)操作中，建立P～Pa～R的關(guān)系曲線，根據(jù)降雨量P以及前期雨量指數(shù)Pa查得相應(yīng)的產(chǎn)流量。尼爾基水利樞紐控制流域面積達(dá)6.64萬(wàn)km2，匯流時(shí)間較長(zhǎng)，且在歷史的降雨和流量資料中很難找到峰后無(wú)雨的洪水過(guò)程，因此增加了該方案建立過(guò)程中洪水分割的難度和誤差。

為了使該方案在尼爾基水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)中的精度更高，結(jié)合該流域的雨洪特性，對(duì)該方案進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，即直接建立前期雨量指數(shù)Pa和綜合產(chǎn)流系數(shù)k的函數(shù)關(guān)系如公式（2）；再通過(guò)產(chǎn)流系數(shù)計(jì)算一個(gè)降雨時(shí)段內(nèi)的產(chǎn)流量R，如公式（3）。以上Pa，K，R均通過(guò)分割洪水得到。這樣既減小了在方案建立過(guò)程中分割場(chǎng)次洪水的難度，又在一定程度上增加了該方案的適用性和精度。

在公式（2）中，Pan為第n個(gè)時(shí)段的前期雨量指數(shù)，其計(jì)算方法如公式（4）所示。

在公式（4）中k0為折減系數(shù)，通過(guò)對(duì)該流域蒸散發(fā)特性的分析和對(duì)歷史洪水預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)，在該流域中取0.98；Pn-1為第n-1個(gè)時(shí)段的降雨；En-1為第n-1個(gè)時(shí)段的蒸發(fā)。

2.2 方案的構(gòu)造

尼爾基水利樞紐控制流域內(nèi)庫(kù)莫屯、柳家屯、科后3個(gè)水文站總的控制流域面積達(dá)到5.92萬(wàn)km2，占整個(gè)樞紐控制流域面積（6.64萬(wàn)km2）的89%。因此，可以分別預(yù)報(bào)以上3個(gè)斷面的洪水過(guò)程，再通過(guò)河道匯流演算，演算至尼爾基入庫(kù)流量。這樣分區(qū)域可以將整個(gè)流域不同地理位置的產(chǎn)流特性細(xì)化，進(jìn)而增加尼爾基入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)的精度。

將庫(kù)莫屯以上流域、柳家屯以上流域、科后以上流域3個(gè)區(qū)域的降雨和流量資料分別進(jìn)行場(chǎng)次洪水分割，計(jì)算每個(gè)區(qū)域各個(gè)場(chǎng)次洪水的產(chǎn)流系數(shù)K和它所對(duì)應(yīng)的前期雨量指數(shù)Pa，按照不同的降雨量級(jí)繪制相應(yīng)的產(chǎn)流系數(shù)曲線，見(jiàn)圖1-3。

圖1 庫(kù)莫屯以上流域降雨產(chǎn)流系數(shù)曲線

圖2 柳家屯以上流域降雨產(chǎn)流系數(shù)曲線

通過(guò)分析圖1—3，各個(gè)斷面控制以上流域內(nèi)產(chǎn)流系數(shù)（K）與前期雨量指數(shù)（Pa）均成較好的對(duì)數(shù)分布，因此可以利用對(duì)數(shù)曲線來(lái)代替各個(gè)流域的產(chǎn)流系數(shù)曲線。

在此利用相關(guān)系數(shù)r來(lái)說(shuō)明K和R的線性相關(guān)程度，相關(guān)系數(shù)（r）越大說(shuō)明兩個(gè)變量的相關(guān)程度越高，當(dāng)｜r｜＞0.8時(shí)認(rèn)為兩個(gè)變量高度相關(guān)，通過(guò)計(jì)算，各個(gè)區(qū)域K和R的線性相關(guān)系數(shù)如表1所示。

圖3 科后以上流域產(chǎn)流系數(shù)曲線

表1 各區(qū)域相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)分析表1，各流域的綜合產(chǎn)流系數(shù)K和Pa均成較好的對(duì)數(shù)相關(guān)。

2.3 方案精度評(píng)定

利用上述各個(gè)流域的綜合產(chǎn)流系數(shù)曲線預(yù)報(bào)其歷史來(lái)水過(guò)程中部分場(chǎng)次洪水的產(chǎn)流量，并與實(shí)際產(chǎn)流量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其進(jìn)行誤差計(jì)算，其對(duì)比及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-4。

《根據(jù)水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》對(duì)預(yù)報(bào)許可誤差的要求，以實(shí)測(cè)值的20%作為徑流量預(yù)報(bào)許可誤差。按照此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)庫(kù)莫屯、柳家屯、科后3個(gè)斷面控制流域的預(yù)報(bào)徑流量精度進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果：庫(kù)莫屯控制流域?yàn)?00%，柳家屯控制流域?yàn)?4.3%，科后控制流域?yàn)?00%。根據(jù)《根據(jù)水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》對(duì)預(yù)報(bào)項(xiàng)目合格率評(píng)定等級(jí)（合格率QR≥85%為甲級(jí)，85%＞QR≥70%為乙級(jí)，70%＞QR≥60%為丙級(jí)）的要求，除柳家屯斷面控制流域的徑流量預(yù)報(bào)合格率（84.3%）為乙等預(yù)報(bào)水平外，其余兩個(gè)斷面控制流域的預(yù)報(bào)合格率均為甲等預(yù)報(bào)水平。分析柳家屯斷面控制流域的預(yù)報(bào)合格率相對(duì)較低的原因：在資料選取時(shí)該流域只選取3個(gè)雨量站（吉文、加格達(dá)奇、柳家屯）的雨量數(shù)據(jù)作為面平均雨量計(jì)算的原始數(shù)據(jù)，而該流域面積達(dá)到1.97萬(wàn)km2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了《水文站網(wǎng)規(guī)范的要求》，因此其預(yù)報(bào)精度相對(duì)較低。

2.4 方案檢驗(yàn)

利用上述方法進(jìn)行產(chǎn)流量計(jì)算，單位線匯流的方法進(jìn)行匯流計(jì)算，對(duì)3個(gè)流域控制斷面的洪水過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào)，再利用現(xiàn)有的短期洪水預(yù)報(bào)方案的計(jì)算方法將其演算至尼爾基入庫(kù)流量。為了更能體現(xiàn)該產(chǎn)流方案在流域所發(fā)生的不同量級(jí)洪水適用性，在此對(duì)特大洪水年1998年，水庫(kù)建成之后2006—2012年的入庫(kù)洪水過(guò)程進(jìn)行了預(yù)報(bào)，其中2007年為特別枯水年，全年來(lái)水量較少，沒(méi)有對(duì)其來(lái)水過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖4。

3 結(jié)論與建議

改進(jìn)的API模型用于尼爾基水利樞紐控制以上流域，滿足《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》中對(duì)產(chǎn)流量預(yù)報(bào)精度的要求，其中庫(kù)莫屯和科后為甲等預(yù)報(bào)水平，柳家屯為乙等預(yù)報(bào)水平；在1998年6月的歷史特大洪水的洪水過(guò)程預(yù)報(bào)中，峰現(xiàn)時(shí)間和洪量均與實(shí)測(cè)值形成了良好的一致性，1998年8月的洪水過(guò)程擬合程度不高可能是由于在匯流部分出現(xiàn)問(wèn)題（如單位線選擇不夠合理等），在今后的工作中還需要進(jìn)一步的改進(jìn)和完善；在水庫(kù)建成之后（2006—2012年）的預(yù)報(bào)洪水過(guò)程和實(shí)測(cè)洪水過(guò)程擬合程度較好。因此，改進(jìn)的API模型可以考慮應(yīng)用于尼爾基水利水利樞紐洪水預(yù)報(bào)中。

表2 庫(kù)莫屯以上流域徑流量預(yù)報(bào)成果表

表3 柳家屯以上流域徑流量預(yù)報(bào)成果表

續(xù)表3 柳家屯以上流域徑流量預(yù)報(bào)成果表

表4 科后以上區(qū)域徑流預(yù)報(bào)成果表

合適的水文預(yù)報(bào)方法可以提高流域內(nèi)的水文預(yù)報(bào)精度，必要的水文基礎(chǔ)設(shè)施在提高水文預(yù)報(bào)的精度上也起到了決定性的作用。在本文中，柳家屯斷面控制以上流域由于雨量站的不足導(dǎo)致其預(yù)報(bào)方案的精度相對(duì)較低，因此建議適當(dāng)?shù)脑黾佑炅空镜拿芏纫蕴岣吣釥柣畮?kù)水文預(yù)報(bào)精度，滿足水庫(kù)調(diào)度要求。

圖4 各年預(yù)報(bào)入庫(kù)洪水過(guò)程線

尼爾基水利樞紐控制流域有其獨(dú)特的自然地理特性，因此以需要在今后的工作中不斷研究和探索，尋找適合它的產(chǎn)匯流方法?？梢詫?guó)內(nèi)外已經(jīng)成形的水文預(yù)報(bào)方法拿來(lái)試用，也可以根據(jù)流域的特性將其進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)，以達(dá)到提高洪水預(yù)報(bào)的精度，延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期的目的，使尼爾基水利樞紐更好地發(fā)揮其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］包為民.水文預(yù)報(bào)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社.

［2］水利部水利信息中心.SL250-2000，水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范［S］.

［3］尼爾基水庫(kù)調(diào)度處.水庫(kù)調(diào)度手冊(cè)［R］.

［4］水利部水文局，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局.水文情報(bào)預(yù)報(bào)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.