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        一種利用流量過程線估算新安江模型分水源參數(shù)的方法

        2017-03-21 08:56:34童冰星黃小祥
        中國農(nóng)村水利水電 2017年11期
        關(guān)鍵詞:新安江水源徑流

        童冰星,姚 成,黃小祥

        (河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,南京 210098)

        1 研究背景與概述

        在新安江模型[1-5]的應(yīng)用中,自由水蓄水庫的容量(SM)、壤中水徑流出流系數(shù)(KI)與地下水徑流出流系數(shù)(KG)這幾個主要的分水源參數(shù)決定了徑流成分比例[6,7],它們的些微改變可能會引起流域出口的徑流過程線形狀的較大變化[8-10]。一般情況下需要通過實(shí)測資料率定分水源參數(shù)。然而,新安江模型參數(shù)多達(dá)17個。大量的待定參數(shù)往往會導(dǎo)致“異參同效”現(xiàn)象的發(fā)生[11-13]。這樣不僅使得率定出的分水源參數(shù)可能不準(zhǔn)確,而且,過多參數(shù)使得模型在應(yīng)用時需要較為煩瑣的調(diào)參工作,給模型的使用帶來不便。如何用簡便且具有一定物理基礎(chǔ)的方法獲得合理的新安江模型分水源參數(shù)的值,減少所需要率定的參數(shù),在一定程度上降低“異參同效”對模型的影響,正是本文需要解決的問題。

        流域出口的流量過程線實(shí)際上是降雨受流域下墊面調(diào)蓄作用后在流域出口一種具體表現(xiàn)。本文從實(shí)測流量過程出發(fā),提出了一種利用流量過程線來直接估算分水源參數(shù)值的方法,并將該方法分析得到的SM、KI與KG的值用于新安江模型,通過模型在洪水模擬中的應(yīng)用來驗證這種方法。

        2 通過實(shí)測流量過程估算分水源參數(shù)

        基于山坡水文學(xué)中的產(chǎn)流與分水源理論可知,壤中水徑流產(chǎn)生于土壤表層較為疏松的土層與深層較為密實(shí)的土層之間,該土層通常被稱作腐殖質(zhì)土層。且自由水蓄水容量(SM)的值與腐殖質(zhì)土層厚度緊密相關(guān)。本文通過建立壤中水徑流(RI)與自由水蓄水容量(SM)之間的函數(shù)關(guān)系來達(dá)到從實(shí)測流量過程出發(fā)直接估算分水源參數(shù)值的目的。

        估算SM的值:首先在流域出口的流量過程線上依據(jù)退水段的斜率變化劃分出地表水,壤中水和地下水徑流(圖1),由此計算出壤中水徑流深RI,在選擇實(shí)測流量過程線時一般選取獨(dú)立的單次洪峰,以方便徑流的劃分;其次借鑒產(chǎn)流過程中通常用徑流深與降雨深的比值(R/PE)來表示流域產(chǎn)流面積比例的方法,本文采用地表徑流深與降雨深的比值(RS/PE)作為流域上自由水蓄水庫蓄滿的面積比例,并用FRR來表示[式(1)];同時由于在自由水蓄水庫蓄滿(R+S≥SM)時產(chǎn)生的壤中水的深度恰好等于自由水蓄水容量與壤中流出流系數(shù)的乘積[16],而自由水蓄水庫蓄滿的標(biāo)志為產(chǎn)生地表徑流,即在流域上產(chǎn)生地表徑流的區(qū)域上式(1)成立。

        (1)

        式中:FRR為全流域上自由水蓄水庫蓄滿的面積比例;RS為徑流劃分得到的地表徑流深;PE為降雨減去蒸發(fā)之后的雨深。

        圖1 徑流成分劃分Fig.1 Partition different runoff components

        在流域上蓄滿的區(qū)域上有:

        RI=KISM

        (2)

        式中:SM為流域平均自由水蓄水容量,RI為壤中水徑流,KI為壤中流出流系數(shù)。

        最后結(jié)合式(1)和式(2)的基礎(chǔ)上得到洪水過程中全流域上壤中水徑流深(RI)與自由水蓄水容量(SM)之間的函數(shù)關(guān)系[式(3)]。

        (3)

        其中, 對于RI,本文在流域出口的流量過程線上依據(jù)退水段的斜率變化劃分出地表水,壤中水和地下水徑流(圖1),由此可以計算出壤中水徑流深;

        估算KI的值:對于KI,發(fā)現(xiàn)無論是在R+S≥SM時還是在R+S

        (4)

        在此需要說明的是本方法并不能適用于所有的流域,由于本文所提出的估算分水源參數(shù)地方法與新安江模型中的產(chǎn)流計算理論緊密相關(guān),而新安江模型適用于濕潤流域或半濕潤流域,因此本方法在濕潤流域或半濕潤流域的應(yīng)用效果較好。

        3 研究區(qū)域概況

        本文選擇位于陜西省黑河流域的陳河流域作為研究流域(圖2)。黑河發(fā)源于秦嶺北麓,太白山主峰東側(cè),自西南向東北匯入渭河,是渭河水系的一級支流,流域面積2 249.7 km2,河長126 km。流域山高、坡陡、水流湍急。黑河為渭河南岸較大支流,沿途較大的支流有大莽河,板房子河,虎豹河,王家河,河系呈扇形排列,除大莽河外,其余支流均在右岸。

        流域位于北溫帶,屬大陸性季風(fēng)氣候,多年平均降水量700~900 mm,河流水量主要系雨水補(bǔ)給,局部暴雨是發(fā)生洪水的主要原因。且陳河流域地處秦嶺北麓,為秦嶺褶皺帶,上游大部分為高中山區(qū),海拔高程700~3 500 m,山勢雄偉,重巒疊嶂,峰谷相間,平均坡度在40°~60°。流域內(nèi)屬暖溫帶落葉闊葉林及針闊混合林帶,林相的垂直分布規(guī)律比較明顯,流域森林覆蓋率為82%。流域在地質(zhì)耕造上屬北秦嶺褶皺帶。主要建造巖為:變質(zhì)混合巖類、花崗巖體也有零星分布。土壤分布由下到上有黃褐土、褐土、褐棕壤、高山草甸土。由于母巖的風(fēng)化,流域表層有沙性土壤分布。

        綜上可知陳河流域降雨較為豐富(圖3),適用于本方法。且流域山高坡陡,植被豐富,這些因素使得流域具有較好的降雨產(chǎn)流條件,年平均徑流深達(dá)100~500 mm,徑流系數(shù)0.2~0.5,屬于相對較高產(chǎn)流區(qū)。

        圖2 陳河流域DEMFig.2 DEM of Chenhe catchment

        圖3 流域多年平均降雨量分布Fig.3 The average rainfall for previous years in Chenhe catchment

        4 方法驗證

        陳河流域2003-2012年這10 a間雨量站,水文站的站址均未發(fā)生較大的變動,且各雨量站降雨資料、流量資料齊全,其余年份缺少部分雨量站的雨量資料,故本文選取2003-2012年10年中共17場洪水進(jìn)行模擬計算。在選擇洪水時盡量保證大、中、小洪水全面選擇,并且各種峰形及歷時長短的洪水盡量覆蓋,以保證本方法的普遍適用性。

        本文將17場洪水按照洪峰由大到小的順序進(jìn)行排序,分別選取排序大致位于25%,50%以及75%的2012080313號,2008090319號和2010092218號洪水作為研究示例。在3場洪水產(chǎn)生的實(shí)測流量過程線上分別劃分地表徑流,壤中水徑流和地下徑流(表1),用本文提出的方法來計算陳河流域的自由水蓄水容量(SM)、壤中水徑流出流系數(shù)(KI)與地下水出流系數(shù)(KG)的值(表2),將它們帶入新安江模型中進(jìn)行模擬演算。

        表1 徑流成分劃分表 mm

        表2 計算結(jié)果表Tab.2 The results of Calculations

        由上面的三場洪水計算得到的SM取平均值,得到陳河流域的SM為9.99,SMM為22.97。

        由上面的三場洪水計算得到的KI取平均值,得到陳河流域的KI為0.47。即依據(jù)KI與KG之間的線性約束關(guān)系可以得到KG的值是0.23。

        將求得的SM、KI以及KG的值代入新安江模型中,同時率定其他敏感參數(shù)(表3)。

        表3 新安江模型率定參數(shù)表Tab.3 Parameters of Xin'anjiang model

        將率定出來的參數(shù)帶入新安江模型中進(jìn)行洪水模擬。并將模擬演算的結(jié)果與實(shí)測流量資料作比較(表4)。并根據(jù)《GB/T 22482-2008水文情報預(yù)報規(guī)范》,從徑流深誤差、洪峰誤差、峰現(xiàn)時間誤差以及確定性系數(shù)這幾個方面來對于模型的模擬結(jié)果進(jìn)行評價。

        表4 洪水模擬結(jié)果表Tab.4 Results of flood simulation

        如圖4~圖6依據(jù)《GB/T 22482-2008水文情報預(yù)報規(guī)范》的要求,在陳河流域中2003年到2012年間的17場洪水中:有15場洪水徑流深相對誤差小于20%,徑流深合格率為88%,平均模擬徑流深相對誤差為15.23%。有16場洪水洪峰相對誤差小于20%,模擬洪峰合格率為94%,平均模擬洪峰相對誤差為10.7%。17場洪水的確定性系數(shù)均大于0.6,其中大于等于0.9的有5場;大于等于0.7小于0.9的有13場。

        圖4 2008090319號洪水過程Fig.4 Simulated result and measured result of flood in September 3-9(2008)

        圖5 2010092218號洪水過程Fig.5 Simulated result and measured result of flood in September 22-27(2010)

        圖6 2012083013號洪水過程Fig.6 Simulated result and measured result of flood in August 30-9(2012)

        由以上結(jié)果統(tǒng)計可知模擬計算的總體效果良好,但是如圖可見,2011080301號洪水計算的徑流深和洪峰均明顯偏大,在查閱這場洪水前后時間段的資料時發(fā)現(xiàn):2011080301號洪水前長期無雨,土壤干燥,且8月正值夏季,流域內(nèi)植被茂盛,同時生產(chǎn)生活需水量較大,這些因素綜合導(dǎo)致該時間段內(nèi)的降雨和徑流大量被植被,土壤以及人為作用攔蓄,使得計算的徑流深與洪峰明顯偏小。

        圖7 2011080301號洪水過程Fig.7 Simulated result and measured result of flood in August 3-9(2011)

        同時表4中2010072101號、2012083013號以及2006090308號洪水也有較大誤差,進(jìn)一步調(diào)查研究發(fā)現(xiàn):2010072101號洪水由于人為作用的影響,使得大量徑流被攔蓄,干擾了流域內(nèi)的水文規(guī)律,導(dǎo)致計算的徑流深偏大,誤差高達(dá)26.5%。而對于2012083013號洪水和2006090308號洪水,雖然降雨量不大,但是由于降雨中心的位置在流域下游出口處附近,導(dǎo)致洪水迅速漲落,模型模擬效果并不是十分理想,計算出的洪峰偏小,洪峰誤差達(dá)-17%左右。

        5 結(jié) 語

        本文依據(jù)自由水蓄水容量(SM)與壤中水徑流(RI)的物理意義建立這兩個參數(shù)的函數(shù)關(guān)系,并在流域出口處利用實(shí)測流量過程線來劃分水源,得到壤中水徑流(RI)。利用SM和RI之間的函數(shù)關(guān)系估算得到出分水源參數(shù)SM、KI與KG的值。使得估算出來的SM、KI與KG的值更加合理準(zhǔn)確。同時在構(gòu)建新安江模型時,減少了所需要率定的參數(shù)的個數(shù),使得參數(shù)率定的過程變得更加簡便,提高了計算效率。

        本文以陳河流域為研究示例,以該流域自由水蓄水容量與壤中水徑流的函數(shù)關(guān)系為基礎(chǔ),采用2012080313號,2008090319號和2010092218號洪水資料對陳河流域的分水源參數(shù)進(jìn)行估算,得到陳河流域的SM為9.99、KI為0.47、KG為0.23。同時將這些參數(shù)帶入新安江模型對陳河流域上的17場洪水進(jìn)行模擬演算,并取得了良好演算結(jié)果。

        在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合流域的自然地理氣候條件,盡量將本方法應(yīng)用于濕潤流域以及半濕潤流域。同時為進(jìn)一步提高估算出來的參數(shù)的準(zhǔn)確性,在應(yīng)用時建議采用多場單峰式洪水資料對于分水源參數(shù)進(jìn)行綜合估算,以避免偶然誤差的出現(xiàn)。

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