任 化 準(zhǔn)

(大唐觀音巖水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617012)

退水曲線(xiàn)模型在金沙江流域枯期徑流預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

任 化 準(zhǔn)

(大唐觀音巖水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617012)

分析了金沙江中游枯期徑流退水的規(guī)律性，采用最小二乘法對(duì)金沙江中游石鼓水文站枯期徑流樣本系列分別求取了退水系數(shù)，然后計(jì)算出平均值，得到最終退水曲線(xiàn)模型，并將該模型應(yīng)用于金沙江中游石鼓水文站2014、2015年枯期徑流退水過(guò)程預(yù)測(cè)，應(yīng)用結(jié)果表明：采用該方法所率定的退水曲線(xiàn)模型在石鼓水文站具有較好的適應(yīng)性，可在該流域推廣應(yīng)用。

退水曲線(xiàn)；金沙江；枯期徑流；最小二乘法

徑流的形成過(guò)程具有明顯的季節(jié)性特征，每年汛后都會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的枯水期，這種豐枯變化過(guò)程加深了水資源的供需矛盾，對(duì)流域水資源的規(guī)劃利用、供水安全及生態(tài)保護(hù)提出了更高的要求。在枯水期，這種供需矛盾表現(xiàn)得尤為突出，因此，有必要開(kāi)展流域枯期徑流預(yù)報(bào)工作，量入為出，科學(xué)指導(dǎo)水資源的優(yōu)化利用。目前較常采用的枯期徑流預(yù)報(bào)方法主要有[1,2]：退水曲線(xiàn)法，多元線(xiàn)性回歸法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等?？萜趶搅鞯膩?lái)源主要為流域汛期末蓄水及地下蓄水，流域前期降水決定了枯期流域河網(wǎng)蓄水及地下水蓄水量，若前期降水充沛，則整個(gè)流域蓄水量就大，在枯期其徑流得到蓄水的補(bǔ)給量亦較大，枯期降水除蒸發(fā)損失外，一部分匯入河網(wǎng)成為地表徑流，一部分下滲補(bǔ)給地下水[3]。由于枯水期流域降水少，其徑流過(guò)程呈現(xiàn)出穩(wěn)定的退水規(guī)律。退水曲線(xiàn)模型在枯期徑流預(yù)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。2010年，朱成濤等考慮退水系數(shù)隨時(shí)間變化特征建立了“基于隨時(shí)間變化退水系數(shù)的枯季徑流預(yù)測(cè)模型”并取得了較好的擬合效果。2013年，葛永學(xué)等分析了流域特性對(duì)退水系數(shù)影響的敏感性，并建立了“基于遺傳算法優(yōu)化退水系數(shù)的枯期徑流預(yù)報(bào)模型”，取得了較好的推廣價(jià)值[4]。

筆者在分析金沙江中游石鼓水文站枯期徑流系列特性的基礎(chǔ)上，選擇2006～2013年枯期退水過(guò)程，應(yīng)用最小二乘法率定退水系數(shù)，建立了枯期徑流預(yù)測(cè)的退水曲線(xiàn)模型，并將該模型應(yīng)用于金沙江中游石鼓站枯期徑流預(yù)測(cè)，應(yīng)用結(jié)果表明：該模型在石鼓水文站具有較好的適應(yīng)性，可在該流域推廣應(yīng)用。筆者介紹了具體的應(yīng)用過(guò)程。

1 流域概況

金沙江流域地跨十余個(gè)經(jīng)度及緯度，地形地貌極為復(fù)雜，氣候特征差異很大。直門(mén)達(dá)以上段地處青藏高原，多年平均降水量約為250～470mm，多年平均氣溫為-5 ℃～3 ℃之間，徑流來(lái)源以融雪為主。直門(mén)達(dá)以下至攀枝花河段降雨、氣溫的總趨勢(shì)由上游向下游遞增，奔子欄以上地區(qū)多年平均氣溫為6 ℃～10 ℃，多年平均降水量在500mm左右。以攀枝花附近華坪為例：多年平均氣溫為19.8 ℃，多年平均降水量為1 078.lmm。攀枝花以下河段，尤其是滇東北一帶，受地形和昆明靜止鋒及西南氣流的影響，大部分地區(qū)陰濕多雨，雨日較多。金沙江流域的暴雨比較小，在青藏高原區(qū)，由于其地勢(shì)高，山脈呈西北-東南走向，阻擋了加拉灣水汽的輸入，因而其降水量少，其一日的最大降水在大部分地區(qū)為40mm左右。流域內(nèi)橫斷山縱谷區(qū)最大一日降水由北向南遞增，大部分地區(qū)在50～100mm之間。寧蒗附近為一暴雨中心，一日實(shí)測(cè)最大暴雨為227.8mm。流域內(nèi)云貴高原區(qū)最大一日降水變化不大，一般在100～120mm之間。金沙江中、下游地區(qū)最大一日降水遠(yuǎn)大于上游，其他時(shí)段的暴雨分布情況亦基本如此。從青藏高原至橫斷山脈，年平均蒸發(fā)量(口徑20cm蒸發(fā)器)大致為1 100～2 500mm，云貴高原區(qū)年平均蒸發(fā)量約為2 000～3 600mm。

金沙江流域的徑流與降水趨勢(shì)一致，從上游往下游逐漸增大。徑流年際之間的變化隨流域面積的增大而趨于相對(duì)穩(wěn)定。金沙江流域徑流年內(nèi)分配不均，汛期(6～10月)徑流占年徑流的比重呈上游大、中下游小，上游沱沱河站汛期 6～10月的徑流占年徑流的 91.04%，直門(mén)達(dá)站占全年的 81.5%，比較集中，而其中下游的石鼓、金江街、攀枝花、華彈、屏山各站汛期 (6～10 月)徑流所占年徑流的比重在 74.1%～75.9%范圍內(nèi)變化。

2 枯期徑流特性分析

金沙江中游枯期受青藏高原南支西風(fēng)環(huán)流的影響，天氣晴朗、干燥，降雨少。枯水期從11月至次年5月，枯期徑流量約占年徑流總量的25%，最枯的2～4月僅占年徑流總量的7%左右?？菁緩搅髯兓骄彛^為穩(wěn)定且呈現(xiàn)明顯的退水規(guī)律[5,6](圖1)。

圖1 2005～2015年石鼓站徑流過(guò)程線(xiàn)圖

從圖 1中可以發(fā)現(xiàn)，金沙江中游流域退水期的退水過(guò)程具有明顯的規(guī)律性。石鼓水文站歷年徑流過(guò)程資料顯示：金沙江中游枯期降水很少，徑流主要由壤中流和地下徑流組成，從10月開(kāi)始退水至次年 4 月，且不同年份退水趨勢(shì)十分接近。4月份流域降水逐漸增加且氣溫呈逐漸上升趨勢(shì)，由于降水及冰川融雪產(chǎn)流的增加，流域逐步開(kāi)始漲水。石鼓水文站枯期徑流過(guò)程呈現(xiàn)的上述明顯規(guī)律性為筆者文中采用的退水曲線(xiàn)模型適應(yīng)性提供了有力依據(jù)。

3 退水曲線(xiàn)原理

退水曲線(xiàn)為流域蓄水消退曲線(xiàn)，筆者在文中采用的是經(jīng)典退水曲線(xiàn)(式1)：

Qt=Q0e-βt

(1)

式中 Q0為退水開(kāi)始時(shí)的流量，m3/s；Qt為退水開(kāi)始后時(shí)段t的流量，m3/s；β為退水系數(shù)。從式(1)中不難發(fā)現(xiàn)；只要知道Q0和β值，就能應(yīng)用退水曲線(xiàn)公式推求任意時(shí)段的流量Qt。將式(1)變形得到式(2)：

lnQt=lnQ0-βt

(2)

推求β的方法主要有：

② 由若干個(gè)lnQt點(diǎn)繪lnQt～t圖，其直線(xiàn)斜率即為β。

③ 根據(jù)式(2)可知：lnQt與lnQ0及時(shí)間t為線(xiàn)性關(guān)系。為了反映整個(gè)樣本的特性，筆者根據(jù)實(shí)測(cè)徑流資料，采用最小二乘法估算β。

4 應(yīng)用實(shí)例

石鼓水文站是金沙江中游梯級(jí)水電站入庫(kù)徑流控制站，其水文信息的準(zhǔn)確性對(duì)科學(xué)指導(dǎo)金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、發(fā)電、防洪調(diào)度決策作用顯著，因此，有必要開(kāi)展石鼓水文站徑流預(yù)報(bào)研究工作。

由于金沙江中游枯期徑流過(guò)程呈現(xiàn)明顯的退水規(guī)律性，因此，筆者選取石鼓水文站2006～2014年枯期日徑流時(shí)間序列建立模型，其中選取2006～2013年枯期徑流資料進(jìn)行模型參數(shù)率定，采用2014、2015年的枯期日徑流時(shí)間序列檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?yīng)用所選取的枯期徑流序列，分別對(duì)模擬樣本歷年枯期退水徑流過(guò)程應(yīng)用最小二乘法得到模型退水系數(shù)，然后求其平均值，該值即為模型的退水系數(shù)(表1)。

表1 樣本各年份退水曲線(xiàn)β值表

將所得β平均值代入式(2)，得到最終退水曲線(xiàn)模型(式3)：

Qt=Q0e-0.018 1t

(3)

應(yīng)用所得到的退水曲線(xiàn)模型分別對(duì)2014、2015年枯期退水過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果見(jiàn)圖2、3。

圖2 2014年退水過(guò)程擬合曲線(xiàn)圖

圖3 2015年退水過(guò)程擬合曲線(xiàn)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 圖2、3擬合曲線(xiàn)結(jié)果顯示，退水曲線(xiàn)模型在石鼓站2014、2015年枯期退水過(guò)程模擬預(yù)測(cè)中擬合效果較好。

(2) 實(shí)例應(yīng)用表明：筆者在文中所采用的、以各年份枯期退水徑流過(guò)程應(yīng)用最小二乘法得到各年份模型退水系數(shù)，然后求其平均值，即為模型退水系數(shù)的方法，其在退水曲線(xiàn)模型參數(shù)估計(jì)中適應(yīng)性較好，可推廣應(yīng)用。

(3)金沙江中游枯水期受青藏高原南支西風(fēng)環(huán)流的影響，降水少，徑流主要由壤中流和地下徑流組成，退水過(guò)程規(guī)律性明顯。筆者采用的退水曲線(xiàn)模型計(jì)算簡(jiǎn)單，擬合效果好，可為金沙江中游流域枯期徑流預(yù)測(cè)提供參考。

[1] 王麗學(xué),楊 軍，等. 基于灰色系統(tǒng)與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)[J]. 人民長(zhǎng)江, 2015, 46(17): 15-17.

[2] 王 琪, 張亭亭. 基于多元回復(fù)分析的大伙房水庫(kù)徑流中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)[J]. 水力發(fā)電, 2014, 40(5): 17-20.

[3] 朱成濤,蹇德平，等. 基于隨時(shí)間變化退水系數(shù)的枯季預(yù)報(bào)方法研究[J]. 人民長(zhǎng)江, 2010, 41(3): 31-33.

[4] 葛永學(xué),江 濤，等. 西江枯季徑流退水系數(shù)與流域特征關(guān)系研究[J].水文, 2014, 34(1):72-76.

[5] 李武階, 王繼竹, 郭英蓮,等. 金沙江中下游流域面雨量特征分析 [J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境 , 2014, 23(6):846-853.

[6] 戴洪剛，梁 虹, 楊秀英,等. 枯水徑流研究綜述[J]. 水科學(xué)與工程技術(shù), 2006, 41(5):1-4.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-10

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1001-2184(2017)01-0088-03

任化準(zhǔn)(1985-)，男，四川綿陽(yáng)人，工程師，碩士，從事水文預(yù)報(bào)及水庫(kù)調(diào)度工作.