MSKLOSS河道洪水演算模型参数敏感性分析

摘要：模型参数的敏感性分析是洪水预报的基础性工作。以中国洪水预报系统为平台，采用局部分析法，对MSK-LOSS河道洪水演算模型参数进行敏感性分析，以提高洪水预报的精度。为提高MSKLOSS河道洪水演算模型的应用效率，考虑模型适用性、模拟分析方便性，选取海河南系河道下垫面接近现状条件的滹沱河黄壁庄-北中山、南运河岳城-蔡小庄“96・8”和大清河东茨村-新盖房“12・7”三场洪水资料对模型参数进行分析。分析表明：河道分段数、初始下渗率、下渗曲线指数和湿周等参数的敏感性较高，稳定下渗率的敏感性在洪水量级较小时相对较高，在参数优选和实时作业预报时需注意其初始范围的设定。

关键词：MSKLOSS；河道洪水演算模型；参数；优选；敏感性；海河南系

中图分类号：P343.1 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0073-07

MSKLOSS河道洪水演算模型需要资料较少，可操作性强，适合于河道决口、分洪等突况下的应急洪水预报工作，特别是适用于下垫面变化大、洪水沿程损失严重的北方河道。水文模型参数取值的准确与否直接影响着模型模拟精度，然而在参数繁多的水文模型中，往往只有少数参数对模型模拟精度起关键作用，因此对模型参数进行敏感性分析以识别对模型模拟精度具有重要影响的参数，对于提高模型效率具有重要作用。本文以中国洪水预报系统为平台，选取海河南系平原河道为研究对象，对MSKLOSS河道洪水演算模型参数进行敏感性分析。

1MSKLOSS河道洪水演算模型基本原理

天然河道里的洪水波运动属于非恒定流，可用连续方程式和动力方程式来描述。1871年，圣维南提出了河道非恒定流的基本微分方程组，并简化为河段水量平衡方程和槽蓄方程：

为考虑河道洪水的沿程渗漏损失，入流量用净入流量（I'=I-F）代替，其中F为河段入渗流量（m3/s）。则式（1）、式（2）分别变为

由式（3）、式（4）可推导出考虑渗漏损失的马斯京根河道洪水演算方法，计算公式如下？

在实际应用中，关键是如何计算河段的入渗水量。霍顿饱和入渗理论能较好地反映干涸河段过水时水量损失的实际情况，可用来计算河段的入渗水量。霍顿下渗曲线经验公式为

MSKLOSS河道洪水演算模型计算时，首先利用霍顿下渗曲线经验公式计算河道入渗水量，求出河段净入流量，再用马斯京根法进行河道流量演算。

2模型参数整体优选

模型参数敏感性分析分为局部分析法和全局分析法。由于MSKLOSS河道洪水演算模型参数相互独立性相对较高，本次模型参数敏感性分析采用局部分析法。首先对所有参数进行整体优选，在此基础上，分析参数在其定义域内取值，其他参数值保持不变，分别进行洪水模拟计算，以确定性系数（DC）作为模型模拟精度的指标，分析DC值随参数值变化的规律、以此判断参数的敏感性程度。

2.1分析资料选择

考虑模型适用性、模拟分析方便性，本次分析资料选取遵循以下原则：河道下垫面变化大，下渗损失严重；上、下游有较好的控制断面；区间无大的入流，降水影响小。

鉴于海河南系相对北系下垫面变化较大，平原河道下渗损失明显大于山区河道的实际情况，本次选取海河南系平原河道为研究对象。海河南系“96・8”、“12・7”暴雨洪水为1963年以来的最大暴雨洪水，河道下垫面接近现状条件，本次选取滹沱河黄壁庄-北中山、南运河岳城-蔡小庄“96・8”洪水资料和大清河东茨村-新盖房“12・7”洪水资料。对三场洪水上、下游断面的水量进行统计（表1）可知，本次分析所选择的洪水过程沿程损失均超过20%，上、下游水量严重不平衡。

2.2模型参数整体优选

2.2.1预报方案构建

以中国洪水预报系统为平台，采用MSKLOSS河道洪水演算模型，对北中山、蔡小庄、新盖房分别构建预报方案，预报方案均设置1个输入，分别为黄壁庄、岳城、东茨村断面实测流量；区间无汇流，且区间降雨产流量可忽略不计。计算时段为1h，方案输出类型为河道流量。

2.2.2参数标识及物理意义

在中国洪水预报系统中，各参数标识及物理意义如下。

X：流量比重系数，反映了楔蓄的大小和河段的调蓄能力，无量纲；

KK：为蓄量常数，恒定流时为河段的平均传播时间（h）；

MP：马斯京根洪水演算分段数，反映洪水过程平移的程度，无量纲；

Fo：初始下渗率，其值大小与土壤特性和初始含水量有关（mm/h）。

Fc：稳定下渗率（mm/h）；

Fk：下渗曲线指数，与土壤物理特性有关，通常根据实测资料作图推求无量纲。

L：上、下游断面间的河段长（km）；

W：为行洪断面湿周，不同洪水量级值大小不同，同一洪水过程不同时段值有差异（m）。

2.2.3参数范围、优选次数确定原则

MSKLOSS河道洪水演算模型在KK、X均未知时取KK=t，本次预报时段长取1h；L有明_物理意义，取其实际值。故在模型参数优选时L、KK不作率定，本次对其它6个参数做敏感性分析。

对有明确物理意义，无准确值的参数，给其相对准确的参数取值范围，如W暂取河宽的数倍。对无法确定取值范围的参数，取模型理论值范围，如Fk取0～1。X取1～0.5。

试验数据表明模型参数优选次数达到300次后，确定性系数会趋于平稳，本次选定500次。

2.2.4模拟成果

采用MSKLOSS河道洪水演算模型对三个断面的洪水进行模拟，模拟成果详见图1，其参数取值详见表2。经分析，模拟洪水过程与实际洪水过程吻合程度高，DC值均达到0.95以上，模拟精度为甲级。

3参数敏感性分析

3.1流量比重系数X敏感性分析

固定除X之外的其它参数的取值，计算X不同取值时洪水模拟过程的DC值，分析得到X和DC相关关系，详见图2。

由图2（a）可知，黄壁庄-北中山段1996年洪水，当X在-1～0.5间变化时，DC的变化幅度为0.105（0.872-0.977），当X在0附近时，DC值最大，为0.977；当X取0.5盹DC值最小，为0.872。X取值对DC值有一定的影响，但参数X的敏感度较低。

由图2（b）可知，岳城-蔡小庄段1996年洪水，当X在-1～0.5间变化时，DC的变化幅度为0.015（0.938～0.953），当X在0附近时，DC值最大，为0.953；当X取0.5时，DC值最小，为0.938。X取值对DC值影响较小，参数X的敏感度较低。

由图2（c）可知，东茨村-新盖房段2012年洪水，当X在-1～0.5间变化时，DC的变化幅度为0.22（0.751～0.971），当X=-1时，DC值最大，为0.971；当X取0.5时，DC值最小，为0.751。X取值对DC值有一定的影响，但参数X的敏感度较低。

3.2马斯京根洪水演算分段数MP敏感性分析

固定除MP之外的其它参数的取值，计算MP不同取值时洪水模拟过程的DC值，分析得到MP和DC相关关系，见图3所示。

由图3（a1可知，黄壁庄-北中山段1996年洪水，当MP在1～30间变化时，DC的变化幅度大，当MP=16时，DC值最大为0.977；当MP23时，DC值

由图3（b）可知，岳城一蔡小庄段1996年洪水，当MP在1～30间变化时，DC的变化幅度大当MP=9时，DC值最大为0.953；当MP17时，DC值

由D3（c）可知，东茨村-新盖房段2012年洪水，当MP在1～30间变化时，DC的变化幅度大，当MP=22时，DC值最大为0.971；当MP29时，DC值

综上所述MP敏感性较高，洪水模拟过程的DC值随MP的变化而变化明显；MP值会影响洪水过程的平移程度，在参数优选和实际预报中需根据上、下游断面的距离和洪水传播特性限定合理的初始参数范围。

3.3初始下渗率F0敏感性分析

固定除F0之外的其它参数的取值，计算F0不同取值时洪水模拟过程的DC值，分析得到F0和DC相关关系，详见图4。

由图4（a1可知，黄壁庄-北中山段1996年洪水，当F0为970 mm时，DC值最大，为0.977；当F01300 mm时，D C值

由图4（b）可知，岳城一蔡小庄段1996年洪水，当F0在1130 mm附近时，DC值最大为0.953；当F01800 mm时，DC值

由图4（c1可知，东茨村-新盖房段2012年洪水，当F0在950 mm左右时，DC值最大，为0.971；当F01300 mm时。DC值

综上所述，F0敏感性较高，洪水模拟的DC值随F0的变化而呈明显变化，F0会影响洪水过程损失水量计算，F0过大或者过小，会导致过程损失水量偏大或偏小，进而影响整个洪水过程洪量和洪峰流量计算。

3.4稳定下渗率Fc敏感性分析

固定除Fc之外的其它参数的取值计算Fc不同取值时洪水模拟过程的DC值分析得到Fc和DC的相关关系，见图5。

由图5（a）可知，黄壁庄-北中山段1996年洪水，当Fc在0～30 mm间变化时，DC的变化幅度不大，为0.067（0.910-0.977），当Fc在18 mm左右时，DC值较大，为0.977；在其它参数最优的情况下，DC值均>0.90。参数Fc的敏感度低。

由图5（b）可知，岳城一蔡小庄段1996年洪水，当Fc在0～20 mm间变化时，DC的变化幅度不大，为0.053（0.900～0.953），当Fc在10 mm左右时，DC值较大，为0.953；在其它参数最优的情况下，DC值均>0.90。参数F。的敏感度低。

由图5（c）可知，东茨村-新盖房段2012年洪水，当Fc在0～20 mm间变化时，DC的变化幅度大当Fc在2 mm左右时，DC值最大为0.971；当Fc>6.5 mm时，DC值

综上所述，在大洪水时，Fc敏感性不高，但当洪水量级不大时，稳定下渗水量所占的比重增大，Fc敏感性会提升。

3.5下渗曲线指数Fk敏感性分析

固定除Fk之外的其它参数的取值，计算Fk不同取值时洪水模拟过程的DC值分析得到Fk和DC相关关系，见图6。

由图6（a）可知，黄壁庄一北中山段1996年洪水，当Fk在0.01～1问变化时，DC的变化幅度大当Fk在0.138左右时，DC值最大为0.97；当Fk0.2时，DC值

由图6（b）可知，岳城一蔡小庄段1996年洪水，当Fk在0.01～1间变化时，DC的变化幅度大当Fk在0.48左右时，DC值最大，为0.953；当Fk0.95盹DC值

由图6（c）可知，东茨村一新盖房段2012年洪水，当Fk在0.01-1间变化时，DC的变化幅度大，当Fk在0.617左右时，DC值最大，为0.971；当Fk0.8时，DC值

综上所述，Fk敏感性较高，在F0、Fc一定的情况下，Fk值的大小影响下渗过程中到达到稳渗的时间，进而影响下渗水量和洪峰流量的计算。

3.6湿周W敏感性分析

固定除W之外的其它参数的取值计算W不同取值时洪水模拟过程的DC值分析得到W和DC相关关系，详见图7。

由图7（a1可知，黄壁庄-北中山段1996年洪水，当W在0～600 m间变化时，DC的变化幅度大W在420 m左右时，DC值最大为0.977；当W550 m时，DC值

由图7（b）可知，岳城一蔡小庄段1996年洪水，当W在0～700 m间变化时，DC的变化幅度较大，当W在490 m左右时，DC值最大为0.953；当W700 m时，DC值

由图7（c1可知，东茨村一新盖房段2012年洪水，当W在0～500 m间变化时，DC的变化幅度较大，当W在365 m左右时，DC值最大，为0.971；当W490 m时，DC值

综上所述，W取值对DC值影响较大，参数W的敏感度较高。在F0、Fc、Fk一定的情况下，W值的大小影响整个过程下渗水量的计算，进而影响洪量和洪峰流量的计算。

4结论

选择滹沱河黄壁庄-北中山段、南运河漳河岳城-蔡小庄段1996年洪水以及大清河东茨村-新盖房段2012年洪水共三场，采用局部敏感性分析方法，分析了M SKLOSS河道洪水演算模型参数的敏感性，得出以下结论。

（1）马斯京根河道分段数MP、初始下渗率F0、下渗曲线指数Fk、湿周W的敏感性较高；在大洪水时，稳定下渗率Fc敏感性不高，但当洪水量级不大时其敏感性会提升。在参数优选和实时作业预报时，需要根据不同河段的实时情况限定合理的初始参数范围。

（2）流量比重系数X的敏感性较低，但洪峰流量误差在沿程损失量较大时会随着X值的增加而增大。建议在参数优选和实时作业预报时，控制其值0.2以下。