鐘 栗，姚 成，李致家，黃鵬年

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京210098)

應(yīng)用新安江-海河模型研究下墊面變化對設(shè)計洪水的影響*

鐘 栗，姚 成，李致家**，黃鵬年

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京210098)

為了探明流域產(chǎn)匯流參數(shù)變化特征及其演變機理，分析流域下墊面條件變化對設(shè)計洪水的影響.通過新安江-海河模型研究衛(wèi)河流域代表區(qū)下墊面變化情況，采用綜合線性權(quán)重法對元村集站設(shè)計洪水資料系列進(jìn)行一致性修正.結(jié)果表明： 自由水蓄水容量、河網(wǎng)水流退水系數(shù)、地表填洼蓄水能力和地下水庫出流初始水深這4個參數(shù)在1980年后都變大，可見代表區(qū)下墊面1980年前、后發(fā)生了明顯的變化，導(dǎo)致流域內(nèi)徑流量大幅減少；合河—新村—五陵區(qū)間在1980年前15場洪水和1980年后32場洪水的預(yù)報徑流深合格率都超過80%，達(dá)到乙等精度；元村集站最大5日洪量修正后比修正前平均減小27.1%；最大15日洪量修正后比修正前平均減小25.4%；最大30日洪量修正后比修正前平均減小23.0%.本研究可為水利工程的建設(shè)規(guī)模的確定提供科學(xué)依據(jù)，保障地區(qū)的防洪安全，滿足人民生活和生產(chǎn)用水需求.

下墊面；新安江-海河模型；設(shè)計洪水；徑流深

洪水資料是設(shè)計洪水頻率計算的基礎(chǔ)，是決定成果精度的關(guān)鍵[1]，必須對洪水資料的可靠性、一致性和代表性進(jìn)行審查和分析，判斷樣本是否滿足統(tǒng)計上獨立同分布的要求，保證頻率分析的前提成立.衛(wèi)河是海河的最大支流，兼有飲用水、漁業(yè)、灌溉、排澇、航運和美化環(huán)境6大功能，隨著經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展及人口的增加，衛(wèi)河流域水資源開發(fā)利用量大幅度增加，水資源的過度開發(fā)以及建設(shè)活動已對本流域的下墊面條件產(chǎn)生了顯著影響，破壞了資料的“一致性”或“同分布性”，洪水的概率分布也發(fā)生了改變，因此需要對設(shè)計洪水進(jìn)行一致性修訂.

目前，流域下墊面變化對徑流的影響是一個熱點問題，流域下墊面變化對洪水的影響及機理研究更是一個難點問題.Bronstert等利用WASIM-ETH 模型研究了德國西部一個中尺度流域土地利用變化對暴雨洪水的定量影響，認(rèn)為土地利用變化對產(chǎn)流量的影響取決于降雨特征[2]; Naef 等的研究結(jié)果表明，土地利用變化對短歷時、高強度降雨產(chǎn)生的洪水影響較大[3];丁杰等通過HEC模型對伊河上游東灣流域采用歷史反演法的模擬結(jié)果表明，東灣流域在1964-2000年近40年來下墊面的調(diào)蓄作用有所增大，次洪徑流相對于往年來說偏小約35.11%，次洪洪峰偏小約12.30%[4].

一般研究洪水系列變化有兩種方法：一種是考慮產(chǎn)匯流條件機理變化的水文模型方法[5-10]，另一種是通過統(tǒng)計比較分析的常規(guī)經(jīng)驗方法[6]，本研究采用水文模型法.

相比經(jīng)驗方法，水文模型方法由于構(gòu)筑了反映產(chǎn)匯流機理的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)，模型中反映蒸散發(fā)、產(chǎn)流及匯流過程的參數(shù)均能在一定程度上體現(xiàn)下墊面變化的影響，因此可得到較高的模擬預(yù)報精度[11].本研究以新安江模型為基礎(chǔ)，針對海河流域半濕潤、半干旱且受人類活動影響嚴(yán)重的特點，提出了新安江-海河模型[12]，并通過模型研究1980年前、后人類活動對下墊面的影響程度.由于1980年后模型參數(shù)可一定程度地表達(dá)1980年后人類活動影響下的流域下墊面特性，因此采用1980年后的參數(shù)統(tǒng)一處理1980年前、后的降雨資料，可得到現(xiàn)狀條件下的洪水系列.

1 流域概況

1.1 自然地理

圖1 合河—新村—五陵區(qū)間水系及站點分布Fig.1 Distribution of rivers and stations of Hehe-Xincun-Wuling

合河—新村—五陵區(qū)間(圖1)屬于衛(wèi)河流域，面積約2468 km2.主要支渠有西孟姜女河、東孟姜女河、淇河、人民勝利渠、共產(chǎn)主義渠、思德河、滄河等.本區(qū)間大致以京廣鐵路為界，分成東西兩大地貌類型，西部以山地丘陵為主，東部為廣闊平原.

1.2 水文氣象

合河—新村—五陵區(qū)間流域?qū)倥瘻貛О霛駶櫚敫珊导撅L(fēng)氣候，氣候較溫和，年平均氣溫一般在13～14℃之間，且由南向北遞減.區(qū)內(nèi)多年平均降水量為500～800 mm，由南向北、由東向西遞減，受東南季風(fēng)影響，年內(nèi)降雨量極不平均，降水量的60%～70%集中在7—9月.

1.3 資料搜集

該區(qū)間的日雨量資料源于道口、新村、淇門等9個站點1965-2011年逐日降水量表，時段雨量資料源于道口、新村、淇門等9個站點1965-2011年降水量摘錄表；蒸發(fā)資料源于合河水文站1965-2011年的逐日水面蒸發(fā)量表，采用E601型蒸發(fā)器；實測日流量資料源于合河(共)、合河(衛(wèi))、新村、五陵水文站點1965-2011年逐日平均流量表，時段流量資料采用合河(共)、合河(衛(wèi))、新村、五陵水文站1965-2011年洪水水文要素摘錄表*資料由水利部海河水利委員會科技咨詢中心提供..

2 研究方法

2.1 新安江-海河模型簡介

新安江模型主要適用于我國長江、淮河及以南濕潤流域，但海河流域地處北方半干旱半濕潤地區(qū)，產(chǎn)匯流條件與濕潤地區(qū)有較大差異.因此，新安江-海河模型考慮了下墊面變化如地下水位下降的影響，在新安江模型三水源劃分模塊中，增加了兩個地下水庫補給參數(shù)，分別是地下水庫補給比例系數(shù)、地下水庫出流初始水深，前者較為敏感；同時，也考慮了地表小型水利工程建設(shè)的影響，對于小型蓄水塘壩以及谷坊、魚鱗坑、梯田等水土保持工程，在模型中增加了地表徑流填洼參數(shù)，分別是地表填洼蓄水能力(RVM)、小型蓄水工程控制面積比例(IMF)、地表洼地出流系數(shù)(IIA)，其中地表洼地出流系數(shù)較為敏感；對于山丘區(qū)地下水開采額外增加的包氣帶蓄水容積，可以按兩種方式處理，一是通過加大流域平均張力水容量(WM)數(shù)值來體現(xiàn)，二是在模型中增加地下水開發(fā)引起的附加容量參數(shù)，存儲部分徑流匯流損失量；對于植被變化引起的蒸散發(fā)變化，增加了反映植被生物量多少的歸一化植被指數(shù)參數(shù)(NDVI)，并構(gòu)建了NDVI與現(xiàn)有分層蒸散發(fā)模型的相關(guān)計算模式[12].新安江-海河模型的流程見圖2.圖中各參數(shù)的意義見表1.

圖2 新安江-海河模型流程Fig.2 Flow chart of the Xin’anjiang-Haihe Model

2.2 新安江-海河模型法修訂介紹

模型法修訂方法是先用新安江-海河模型分別模擬1980年前、后的洪水，然后用1980年前、后率定得到的2套模型參數(shù)統(tǒng)一模擬1980年前的洪水，得到2個預(yù)報徑流深系列，從而計算：

Y=(R80前-R80后)/R80前

(1)

然后將1980年前的洪水實測徑流深進(jìn)行無因次化，得到：

X=R實測/R實測max

(2)

最后畫出X與Y相關(guān)關(guān)系曲線圖，然后查圖求出相應(yīng)修訂比例.式中，Y為修訂比例，R80前為1980年前參數(shù)模擬的預(yù)報徑流深，R80后為1980年后參數(shù)模擬的預(yù)報徑流深，R實測為實測徑流深，R實測max為最大實測徑流深，X為(0，1].

表1 新安江-海河模型參數(shù)

2.3 元村集站洪水修訂方法介紹

元村集站是由楚旺站在1979年遷到河南省南樂縣元村集改名而來，因此缺乏1980年前的實測洪水資料. 同時，元村集站受上游漫溢分洪、平原積澇、坡洼滯洪、河槽調(diào)蓄等影響，實測資料代表性較差，因此本文對元村集站的洪水修訂采用綜合線性權(quán)重法，具體方法如下：

對于元村集站以上流域，可劃分為4個子流域，分別是合河流域、新村流域、安陽流域、合河—新村—五陵區(qū)間.元村集站的修正比例采用每個子流域相對應(yīng)的修正比例乘以每個子流域洪量所占權(quán)重相加得到.本文以衛(wèi)河流域中合河—新村—五陵為代表區(qū)間，研究流域下墊面變化對徑流深的影響，并求出此區(qū)間的修訂比例和洪量.另外筆者前期也已獲得其他3個子流域，即合河流域、新村流域、安陽流域的修訂比例以及洪量情況，因此可對衛(wèi)河元村集水文站的設(shè)計洪水資料進(jìn)行一致性修訂，具體簡化修訂公式為：

(3)

W元村集(修)=W元村集·(1-Y元村集)

(4)

式中，Y元村集為元村集的修訂比例，Y合河為合河的修訂比例，Y新村為新村的修訂比例，Y安陽為安陽的修訂比例，Y區(qū)間為區(qū)間的修訂比例，W元村集為元村集的洪量，W合河為合河的洪量，W新村為新村的洪量，W安陽為安陽的洪量，W區(qū)間為區(qū)間的洪量，W元村集(修)為元村集修訂后的洪量.

2.4 無因次化法簡介

元村集、合河、新村、安陽水文站以及區(qū)間的洪水系列分別有最大5日洪量(W5)、最大15日洪量(W15)、最大30日洪量(W30).為了簡化計算工作量，采用將各個時間段洪量經(jīng)行無因次化，即：

Y=Wi/Wi,max(i=5、10、15)

(5)

統(tǒng)一到區(qū)間(0，1]之間，然后通過前文所述的X與Y相關(guān)關(guān)系曲線圖，查出相對應(yīng)的修訂比例，從而進(jìn)行修正.式中，Wi為最大i日洪量；Wi,max為最大i日洪量中的最大值.

3 結(jié)果與分析

3.1 模型參數(shù)率定及分析

新安江模型參數(shù)的率定及不確定性分析是新安江模型研究與應(yīng)用的難點問題[13].新安江-海河模型有21個參數(shù)，若所有參數(shù)均參加率定，則增加了率定的不確定性和成果的不可靠性.因此，應(yīng)對敏感的參數(shù)仔細(xì)鑒別，不敏感的可粗略一些，甚至可根據(jù)一般經(jīng)驗固定下來，不參加鑒別[14].

運行新安江-海河次洪模型，需要知道某些變量的初始值，主要是土壤含水量的初始值，這可以通過運行新安江-海河日模型獲得.1980年前選取1965-1975年11場洪水資料來率定次洪模型參數(shù)，剩余1976-1979年4場洪水來驗證；1980年后選取1980-2002年23場洪水資料率定次洪模型參數(shù)，剩余2003-2011年9場洪水來驗證.

對比1980年前、后兩套參數(shù)，SM、CS、RVM、RRDO這4個參數(shù)都不同程度變大(表1).

SM表示流域表土蓄水能力，在水源劃分結(jié)構(gòu)中起著主導(dǎo)作用[13].表土可分為淺層與深層兩部分.若表土蓄水能力小，則自由水多蓄于淺層，易溢出形成地面徑流；反之，則自由水蓄水除淺層外尚及于深層，產(chǎn)生較多的地下徑流.淺層土質(zhì)決定于植被條件，深層土質(zhì)則決定于基巖性質(zhì).海河流域1980s以后，特別是近20年來，農(nóng)民收入水平提高，原來生活所必須的薪柴多數(shù)已由燃?xì)夂兔禾咳〈?，加上禁牧措施的實施，流域植物量大大增加，植被狀況明顯改善.植被良好，則淺層土質(zhì)下滲能力增強，地面徑流減少，自由水蓄滲由淺層向深層轉(zhuǎn)移，SM增大.

CS表示河網(wǎng)調(diào)蓄能力，大小取決于洪水流速及河網(wǎng)蓄量[13].天然狀態(tài)下，CS決定于河網(wǎng)地貌，主要考慮河底比降、河道糙率、水面寬度、河網(wǎng)密度等影響因素；隨著人類活動日趨強烈，也需考慮水利工程及水土保持工程的影響.海河流域1980s以后修建了大量的水庫、淤地壩等蓄水工程.這些工程減緩了水流流速，延長了匯流時間，增加了河網(wǎng)蓄量，進(jìn)而增強了河網(wǎng)調(diào)蓄能力，消減了洪峰流量.因此，CS值增大.

RVM表示地表填洼蓄水能力，地表填洼能力包括塘壩、谷坊壩等的蓄水能力，天然洼地的蓄水能力以及灌溉耕地(含梯田)畦埂的蓄水能力等[12].天然流域最大填洼量一般不大，可納入張力水蓄水容量曲線一并考慮；海河流域人類活動影響強烈，因此有必要將此因素提取出來，單獨考慮.流域RVM從5mm增加到30mm，反映出海河流域1980s后攔水、取水設(shè)施急劇增多，用水量急劇增大，因而徑流及洪水量也大大減小.

RRDO表示地下水庫出流初始水深[12].海河流域地下水資源相對豐富，但是1980年后人類活動加劇，農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水大大增加，對淺層地下水與深層地下水的混合過度開采使得地下水水位下降，這樣使得河流系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)的水頭差變大，地表水則會補給地下水，從而導(dǎo)致地表徑流量大大減少，洪峰也變小.

3.2 模型模擬結(jié)果及分析

根據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范》(GB/T 22482—2008)可知：五陵站1980年前模擬了15場洪水(表2)，徑流深合格率為86.67%，洪峰合格率為53.3%；五陵站1980年后模擬了32場洪水(表3)，徑流深合格率為81.25%，洪峰合格率為46.9%.1980年前、后徑流深合格率都超過了80%，達(dá)到乙等精度；但洪峰合格率相對不高，可能是由于衛(wèi)河流域存在超滲產(chǎn)流，模型沒有考慮全面.通過以上分析可知，模型模擬徑流深精度較高，可作為設(shè)計洪水系列修正的依據(jù)[15].

3.3 一致性修訂成果

采用新安江-海河模型對1980年前、后洪水分別率定，并對元村集站洪水系列進(jìn)行一致性修正，結(jié)果見表4.W5修正后比修正前平均減少27.1%,W15修正后比修正前平均減小25.4%,W30修正后比修正前平均減小23.0%.

表2 1980年前五陵站徑流深和洪峰模擬結(jié)果

表3 1980年后五陵站徑流深和洪峰模擬結(jié)果

表4 元村集站洪水資料修訂

3.4 頻率分析結(jié)果

從表5中可以看出：(1)修正后的頻率曲線的Cv值大于修正前；(2)元村集站在1980年后，由于下墊面的變化導(dǎo)致其設(shè)計洪量都減小，減少幅度隨著設(shè)計頻率的增大而增大；(3)相同頻率下，設(shè)計洪量的減少幅度隨時間段增長而增大.

4 結(jié)語

本文以合河—新村—五陵為代表區(qū)間，對1965-2011年的天然年降雨徑流系列進(jìn)行模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)新安江-海河模型的SM、CS、RVM、RRDO這4個參數(shù)都不同程度變大，因而通過參數(shù)的變化可以反映：1980s后，衛(wèi)河流域下墊面條件發(fā)生顯著變化，流域調(diào)蓄作用明顯增強，地表攔蓄和持水能力增強，地下水位下降嚴(yán)重，從而造成了在相同降雨情況下，流域產(chǎn)生的徑流量不同程度減小，因此對衛(wèi)河流域設(shè)計洪水進(jìn)行一致性修正是必要的.本文通過修訂元村集站洪水資料，并進(jìn)行頻率分析，為確定水利工程有關(guān)建筑物尺寸，以使該工程符合指定的防洪安全標(biāo)準(zhǔn)提供了設(shè)計依據(jù)，有利于保障地區(qū)防洪安全和運行期工程安全.

本文在采用新安江-海河模型進(jìn)行參數(shù)率定時，存在異參同效性，對參數(shù)的不確定性也存在缺陷；筆者提出采用綜合線性權(quán)重法計算元村集站的修訂比例，此方法簡單明晰，但是對成果可靠性還需要進(jìn)一步驗證；可深入探討分析下墊面變化對不同特征頻率洪水的影響，并開展如何進(jìn)行資料還原或設(shè)計洪水成果修正的理論以及方法技術(shù)的評價分析；人類活動變化包括人口的增長、城市化水平發(fā)展、植被增減變化、水利設(shè)施對截留的影響等，都有可能導(dǎo)致流域下墊面的變化，在后續(xù)研究中將進(jìn)一步區(qū)分人類活動對徑流變化的影響等.

表5 元村集站洪量頻率分析修正前后對比*

*Cv、Cs無單位.

致謝：感謝李巧玲老師，劉開磊博士，王白陸、張夢婕師姐對本研究提供的幫助和寶貴建議.

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Effect of land surface changes on design flood using Xin’anjiang-Haihe Model

ZHONG Li ， YAO Cheng， LI Zhijia & HUANG Pengnian

(CollegeofHydrologyandWaterResources，HohaiUniversity，Nanjing210098，P.R.China)

To ascertain characteristics of parameters of watershed runoff and converge and evolution mechanism of runoff changes， effects of watershed surface changes on flooding design have been analyzed. Land surface changes of Weihe watershed using Xin’anjiang-Haihe Model have been studied and the consistency of flood series was corrected using integrated linear weight method. The results indicated that the parameters of the free water storage capacity， the recession constant in the “l(fā)ag and route” method， the interception and the retention capacity of surface runoff and the outflow initial depth of underground reservoir all increased and the underlying surface had obvious changes after 1980， resulting in the reduction of runoff in the watershed. Runoff depth modeling between Hehe watershed and Wuling watershed for 15 floods before 1980 and 32 floods after 1980 were all more than 80% accurate compared with the records in the datasets， reaching the accuracy of the second-best class in all the records. After the corrected-parameters， the modeling 5th largest flood has reduced 27.1% errors， the 15th largest flood reduced 25.4% errors， and the 30th largest flood reduced 23.0% errors， compared with the previous modelings on average. The study provided a scientific basis for constructing the water projects， being safeguard of floods， and satisfying the demand of water supply for people’s daily lives and industrial activities.

Underlying surface; Xin’anjiang-Haihe Model; design flood; runoff depth

*國家自然科學(xué)基金項目(41130639， 51179045， 41101017，41201028)和水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201301068， 201401034)聯(lián)合資助.2014-08-20收稿；2014-12-01收修改稿.鐘栗(1990～)，男，碩士研究生;E-mail：1085313168@qq.com.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(5)： 975-982

DOI 10.18307/2015.0525

?2015 byJournalofLakeSciences

**通信作者；E-mail：zjlihohai@163.com.