陸玉忠，陸寶宏，陸桂華

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇南京 210098;2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038)

在高緯度地區(qū)或高山帶，降雪、積雪及冰雪凍融過程是流域水文的重要特征.由于冰雪的介入，流域水文過程同時受水量平衡和熱量平衡的控制，熱量或溫度成為必須考慮的水文因素[1-2].SRM(snowmelt-runoff model)[3-7]是專門用于模擬和預報山區(qū)流域融雪徑流的水文模型.該模型采用相對簡單的度?時系數(shù)法計算融雪徑流;模型參數(shù)取決于流域地理、氣候和水文特征，因而適用于氣候變換條件下的徑流預報，是一類確定性、概念性、分布式和基于物理原理的水文模型[8-11].由于遙感積雪監(jiān)測技術(shù)的迅猛發(fā)展，解決了SRM積雪覆蓋的輸入問題[12].

丹麥水力研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)研發(fā)的Mike11洪水預報系列模型中，降雨徑流模型(NAM)是一個集總式的確定性概念模型，主要用來模擬降雨產(chǎn)流和匯流.它將土壤含水量分成積雪儲水層(snow storage)、地表儲水層(surface storage)、淺層或根區(qū)儲水層(lower zone storage)和地下水儲水層(ground water storage)3個部分，分別進行連續(xù)計算，以模擬流域中各種相應的水文過程.

本文基于NAM融雪徑流計算的思路，將SRM改進后再加入三水源新安江流域預報模型，構(gòu)建冰雪融水與雨水混合洪水預報模型;并運用實測水位(流量)資料進行實時校正，以進一步提高洪水預報精度，彌補積雪量、氣溫等相關(guān)實測資料的不足，實現(xiàn)冰雪融水與雨水混合產(chǎn)流的模擬.

1 冰雪融水與雨水混合洪水預報模型

1.1 預報模型的構(gòu)建

預報模型是洪水預報系統(tǒng)的核心，預報精度和預見期始終是功能研發(fā)的第一目標，因此，本文降雨徑流的預報選用三水源新安江流域預報模型.三水源新安江流域預報模型屬準分布式模型，考慮到降雨在空間上分布的不均勻問題，將全流域分成許多小流域單元，對每個流域單元單獨進行產(chǎn)匯流計算.冰雪融水與雨水混合洪水預報選用SRM模型，具體組合構(gòu)建時需要做較大的改進.

1.2 SRM的改進

SRM可根據(jù)高程的不同分不同的帶區(qū)，采用分布計算模式，主要考慮不同帶區(qū)氣溫及積雪量的差異.SRM原理是分別計算每天的融雪和降水所產(chǎn)生的水量，并將這些水量疊加到計算的退水流量上，得到每天的日徑流量.與利用能量平衡法計算融雪的模型相比，SRM采用度?時系數(shù)法，大大簡化了模型在融雪方面的計算.

根據(jù)洪水預報的功能目標、實際要求、實時資料及三水源新安江流域預報模型的結(jié)構(gòu)，本文構(gòu)建的冰雪融水與雨水混合洪水預報模型需對SRM進行以下幾方面的改進:

a.將日模型調(diào)整為時段計算模型.SRM是用來模擬融雪徑流的日模型，難以模擬中小流域的洪水過程.因此將日模型調(diào)整為時段計算模型，計算時長可以適應中小流域洪水陡漲陡落的特性，滿足水庫洪水調(diào)度的實際需要.

b.降雨產(chǎn)流部分計算采用三水源新安江流域預報模型.SRM用降雨徑流系數(shù)推算降雨產(chǎn)流量，過于簡單.降雨徑流系數(shù)是隨時間不斷變化的，與降雨強度、下墊面條件等有關(guān)，很難確定.因此采用已經(jīng)得到廣泛應用、相對成熟的三水源新安江流域預報模型替代SRM降雨產(chǎn)流部分的預報.

c.增加降雨融雪度?時系數(shù).SRM沒有考慮降雨條件下增加的融雪量.在同樣的溫度條件下，降雨、產(chǎn)流對積雪的沖刷，會消融更多的積雪.降水條件下增加的融雪量可按照NAM的公式進行計算:

式中:Crain——降雨融雪度?時系數(shù);P——降水量;T——時段平均溫度;T0——用戶設(shè)置的融雪臨界溫度.

d.設(shè)置降水及晴天條件下不同的氣溫調(diào)整參數(shù).氣溫是計算融雪量最直接的參數(shù)，但流域上布置的氣溫站點較少，尤其是坡度較大的流域，氣溫垂向變化明顯，需采用溫度修正值調(diào)整.根據(jù)NAM融雪徑流的計算思路，降水及晴天條件下垂直方向上氣溫的變化程度是不同的，設(shè)置不同的氣溫調(diào)整參數(shù)可減小計算誤差.

e.融雪總水量到流域出口的匯流計算運用單位線法.SRM采用流量計算公式顯式遞推，只能預報1個時段的流量，難以滿足洪水預報的實際需要.將日模型改為時段模型，運用單位線法進行匯流計算，可預報多個時段的融雪流量.

1.3 模型結(jié)構(gòu)與流程

將三水源新安江流域預報模型與改進的SRM組合，構(gòu)建冰雪融水與雨水混合洪水預報模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1中，模型參數(shù)B為蓄水容量曲線的方次;WM為流域蓄水容量;K為蒸散發(fā)能力折算系數(shù); WUM為上層蓄水容量;WLM為中層蓄水容量;C為深層蒸散發(fā)系數(shù);IMP為不透水面積占全流域面積之比;EX為自由水蓄水容量曲線指數(shù);SM為流域平均自由水蓄水容量;KG為自由水蓄水庫對地下徑流出流系數(shù);KSS為自由水蓄水庫對壤中流的出流系數(shù);KKSS為壤中流水庫的消退系數(shù);KKG為地下水庫的消退系數(shù);UH為匯流單位線.整個模型的輸入包括流域上各雨量測站的降雨過程、蒸發(fā)站的蒸發(fā)過程、氣溫站的溫度變化過程、按高程所分帶區(qū)的積雪覆蓋率過程.

圖1 冰雪融水與雨水混合洪水預報模型結(jié)構(gòu)與流程Fig.1 Structure and flow chart of hybrid model of Xin'anjiang model and modified snowmelt runoff model

2 模型應用

2.1 應用流域概況

新疆伊犁的喀什河為伊犁河的第二大支流，吉林臺一級水電站位于喀什河流域中部的吉林臺峽谷中.峽谷以上河段為喀什河的上游段，河道平均比降為0.8%左右.喀什河流域森林遍布，人口稀少，受人類活動影響較小.流域形狀呈狹長的柳葉形，為羽狀水系，沿途有40余條支流匯入，北岸多于南岸.喀什河流域總面積9578km2，河長297km，其中吉林臺一級水電站壩址以上流域面積6163km2，河長204km.喀什河徑流是以冰川積雪融水補給為主，降雨補給為輔，地下水補給次之的混合型補給.喀什河多年平均降水量353.4mm，多年平均蒸發(fā)量1471.8mm，吉林臺一級水電站壩址多年平均流量117m3/s.

吉林臺一級水電站水情自動測報系統(tǒng)于2004年7月安裝并試運行.水電站遙測站網(wǎng)由施工期水情自動測報的站網(wǎng)以及壩前水位站、壩后水位站、中心站組成，共計站點13個，其中雨量氣溫站3個，雨量水位站4個，純雨量站5個，中心站1個，其分布如圖2所示.由于水情自動測報系統(tǒng)運行以來，遙測資料及水位流量資料的短缺和不完整，本文只能有選擇地采用該遙測資料，對模型參數(shù)調(diào)試的準確性有較大影響.

圖2 吉林臺水庫流域水系及測站分布Fig.2 River systems in Jilintai Reservoir basin and distribution of observation stations

2.2 模型的建立

根據(jù)資料情況、吉林臺水庫流域洪水過程及水庫特性，計算時段長取為3h.按新安江分散模式的要求，將吉林臺水庫控制流域面積6163km2劃分為4大塊，即喬爾瑪以上、喬爾瑪-巴拉克鐵、巴拉克鐵-烏拉斯臺、烏拉斯臺-吉林臺，各單元塊的有關(guān)面積、測站及權(quán)重等特征資料見表1.

表1 吉林臺水庫流域單元劃分Table 1 Division of Jilintai Reservoir basin and code weight of rainfall stations

建立流域面積-高程曲線劃分吉林臺水庫流域帶，以得到分帶區(qū)面積和平均高程.SRM一般以某一等高距進行流域分帶，然后在每個分帶內(nèi)選一條平分該分帶面積的等高線作為平均高程，即帶內(nèi)平均高程以上和以下的面積相等.得到平均高程后，把流域測站的氣溫根據(jù)溫度直減率(或修正值)插值到平均高程上使用，采用GIS空間分析功能分析流域DEM可以方便地得到面積-高程曲線，進而求得各帶區(qū)平均高程所對應的區(qū)域面積.吉林臺水庫控制流域按照流域高程分成10個區(qū)域，各區(qū)域平均高程從1500m按等高300m遞增至4200m.

2.3 模型參數(shù)確定

2.3.1 帶區(qū)積雪覆蓋率衰減曲線

在融雪期，積雪的不斷消融和流域積雪覆蓋率的不斷縮小是一個非常顯著的特征.作為重要的基本輸入驅(qū)動變量，每日積雪覆蓋率的準確計算關(guān)系到模型模擬效果的好壞.理論上，積雪覆蓋率可以利用每天衛(wèi)星過境得到的遙感圖像經(jīng)過積雪制圖得到，但由于傳感器、云層等因素的干擾，積雪覆蓋率要進行最大化合成才能得到.吉林臺水庫控制流域積雪覆蓋率分析采用中巴資源衛(wèi)星CBERS遙感影像，將流域高程分帶圖和流域積雪分類圖疊加，并運用GIS信息提取功能分帶提取.

2.3.2 融雪模型參數(shù)

流域各塊所采用的溫度代表測站、溫度修正系數(shù)、臨界氣溫、降雨融雪修正系數(shù)見表2.由于降雨融雪度?時系數(shù)與融雪度?時系數(shù)采用同一參數(shù)，因此增加了降雨融雪修正系數(shù).其中溫度修正系數(shù)可根據(jù)測站高程、帶區(qū)中心線高程及溫度直減率進行調(diào)整.臨界氣溫值在融雪徑流模型中相當關(guān)鍵，SRM中的降水根據(jù)臨界氣溫值判斷某次降水為雪還是為雨，當氣溫高于臨界氣溫值時為降雨，反之為降雪.臨界氣溫值的確定直接影響產(chǎn)流.一般融雪徑流模型中臨界氣溫值高于0℃，而隨著積雪的融化，臨界氣溫值逐漸接近0℃.降雨融雪修正系數(shù)是用來修正根據(jù)融雪度?時系數(shù)計算降雨產(chǎn)生的融雪量，需通過產(chǎn)流量分析及模型參數(shù)調(diào)試確定.

融雪度?時系數(shù)在模型中是用來計算融雪水深的一個核心參量，它的獲取有2種途徑:(a)用雪枕、雪槽實地觀測;(b)用經(jīng)驗公式計算.融雪度?時系數(shù)需要在不同的流域及不同的融雪時期進行適當調(diào)整，吉林臺水庫流域各子流域融雪徑流模型每月融雪度?時系數(shù)見表3.

表2 吉林臺水庫流域各子流域融雪模型基本參數(shù)Table 2 Basic model parameters of each sub-basin of Jilintai Reservoir basin

表3 吉林臺水庫流域各子流域融雪徑流模型每月度?時系數(shù)Table 3 Monthly model positive degree-hour factors of each sub-basin of Jilintai Reservoir basin

平均高程氣溫調(diào)整值關(guān)系到測站點的氣溫插值到平均高程的氣溫，進而影響每個分帶積雪消融量的計算，是一個重要的模型參數(shù).吉林臺水庫流域水情自動測報系統(tǒng)在不同海拔高度建了3個氣溫站點，根據(jù)站點氣溫與高程關(guān)系的分析，得到降雨與無雨條件下溫度直減率每100m分別為0.4℃和0.7℃.吉林臺水庫流域各子流域融雪徑流模型區(qū)域面積、溫度修正值見表4.

各子流域融雪匯流采用無因次單位線法，參數(shù)調(diào)試的結(jié)果見表5.

2.3.3 三水源新安江流域預報模型參數(shù)

經(jīng)過參數(shù)調(diào)試，各塊三水源新安江流域預報模型參數(shù)、各塊河網(wǎng)匯流單位線及相應河道匯流曲線見表6～8.從各模型參數(shù)表可以看出，各塊同一參數(shù)變化不大，只略有差異，反映了各塊流域內(nèi)河道、流域下墊面及土壤覆蓋、巖石裸露小有差別，參數(shù)基本合理可靠.

2.3.4 結(jié)果分析

因融雪徑流模型參數(shù)增多，且資料缺乏，本文構(gòu)建的冰雪融水與雨水混合洪水預報模型參數(shù)調(diào)試、率定采用人機交互方法進行，并對待定參數(shù)變化范圍給予符合一定物理概念的可行性約束.對流域內(nèi)4大塊面積用2007年連續(xù)汛期(時段長3h)實測資料進行模型參數(shù)調(diào)試，其中2007年最大一場洪水吉林臺水庫流域各控制站流量的預報過程與實測過程的對比如圖3所示.由圖3可見，巴拉克鐵與吉林臺站缺實測流量資料，無法對比顯示，但從上下游流量相關(guān)度分析看是合理的.上游控制站喬爾瑪、巴拉克鐵站流量受氣溫影響變化較明顯，主要原因是7月底這2塊面積有相對較大的積雪覆蓋率，氣溫融雪所占比例相對較大;而烏拉斯臺、吉林臺站的流量中氣溫融雪量所占比例相對較小，流量過程受氣溫的影響不很明顯，擬合過程與實際情況基本相符.由于實測資料的局限性，沒有進行場次洪水及合格率的統(tǒng)計分析.

表4 吉林臺水庫流域各子流域融雪徑流模型區(qū)域面積、溫度修正值Table 4 Correction of model areas and temperatures of each sub-basin of Jilintai Reservoir basin

表5 吉林臺水庫流域各子流域融雪匯流單位線Table 5 Snowmelt unit lines of each sub-basin of Jilintai Reservoir basin

表6 吉林臺水庫流域三水源新安江流域預報模型參數(shù)Table 6 Parameters of three-water-source Xin'anjiang model of Jilintai Reservoir basin

表7 吉林臺水庫流域各子流域河網(wǎng)單位線Table 7 River unit lines of each sub-basin of Jilintai Reservoir basin

表8 吉林臺水庫流域各單元及子流域間河道匯流單位線Table 8 Channel unit lines of each unit and sub-basin of Jilintai Reservoir basin

3 結(jié) 語

在分析融雪水文模型最新研究進展、高山融雪水文特性的基礎(chǔ)上，基于NAM融雪徑流計算思路，改進了SRM融雪徑流模型，使SRM與三水源新安江流域預報模型形成一個統(tǒng)一整體，構(gòu)建冰雪融水與雨水混合洪水預報模型.運用衛(wèi)星遙感圖及GIS系統(tǒng)工具，結(jié)合模型參數(shù)調(diào)試，確定模型參數(shù)，最終實現(xiàn)冰雪融水與雨水混合實時洪水預報功能.研究結(jié)果表明:

圖3 各控制站洪水模擬結(jié)果Fig.3 Simulated results of various observation stations

a.SRM在進行了將日模型調(diào)整為時段計算模型、降雨產(chǎn)流部分計算采用三水源新安江流域預報模型、增加降雨融雪度?時系數(shù)、設(shè)置降水及晴天條件下不同的氣溫調(diào)整參數(shù)、融雪總水量到流域出口的匯流計算運用單位線法等改進后，冰雪融水與雨水混合洪水預報模型擬合過程與實際情況基本相符.

b.采用改進的SRM與三水源新安江流域預報模型整合的預報模型，建立實時洪水預報系統(tǒng)，不僅可直接用于降雨徑流的常規(guī)洪水預報，也可推廣到地處高寒的山區(qū)用于實時冰雪融水與雨水混合洪水預報.

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