趙 旭，趙麗霞，王黎明，徐十鋒

（1.河南省開封水文水資源勘測(cè)局，河南開封475003；2.黃河水利委員會(huì)水文局，河南鄭州450004）

東灣流域下墊面變化及其子流域嵌套分析

趙 旭1，趙麗霞2，王黎明2，徐十鋒2

（1.河南省開封水文水資源勘測(cè)局，河南開封475003；2.黃河水利委員會(huì)水文局，河南鄭州450004）

采用雙累積曲線法和新安江模型分析東灣流域1960—2011年降水及徑流變化，將東灣流域洪水系列劃分為1994年前后2個(gè)系列，并以東灣流域與其潭頭、欒川2個(gè)子流域?yàn)檠芯繉?duì)象，用1994年前后東灣流域率定出來(lái)的兩套參數(shù)模擬其子流域。結(jié)果表明：下墊面的變化影響到嵌套流域的降雨徑流關(guān)系，1994年前東灣流域的參數(shù)對(duì)其子流域的模擬較好，1994年后東灣流域的參數(shù)模擬其子流域的精度已經(jīng)達(dá)不到洪水的精度要求。

雙累積曲線；新安江模型；下墊面變化；水文模擬；嵌套流域；東灣流域

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展及人口的不斷增加，伊洛河流域內(nèi)人類活動(dòng)影響不斷加劇，從而引起了流域下墊面條件發(fā)生了較大變化。東灣流域地處黃河流域中游伊河流域，為半濕潤(rùn)地區(qū)，屬于混合產(chǎn)流區(qū)，主要以蓄滿產(chǎn)流為主。采用雙累積曲線法和新安江模型分析模擬東灣流域洪水資料，劃分研究階段，模擬東灣流域嵌套子流域，探討下墊面變化對(duì)參數(shù)的影響，對(duì)于水資源管理和防洪抗旱具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

東灣流域位于伊河河源地區(qū)，流域面積為2 856 km2，屬大陸性季風(fēng)氣候。降水量的年內(nèi)分布極不均勻，每年7—9月流域的降水量占年降水總量的一半以上，降水年際變化較大，年最大降水量是年最小降水量的2倍左右。

用ArcGis軟件對(duì)東灣流域的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行流域提取、河網(wǎng)生成，用泰森多邊形法將流域劃分為8塊單元面積，蒸發(fā)資料采用下游黑石關(guān)站的同時(shí)間系列實(shí)測(cè)蒸發(fā)資料。流域所劃分的子流域及其代表雨量站點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 東灣子流域面積權(quán)重

2 研究階段劃分

2.1 雙累積曲線法

采用雙累積曲線方法分析降水徑流累積關(guān)系出現(xiàn)突變的時(shí)間，在直角坐標(biāo)系中繪制1960—2011年降水連續(xù)累積值與徑流深連續(xù)累計(jì)值的關(guān)系線。該方法在長(zhǎng)期演變分析中具有簡(jiǎn)單和直觀地特點(diǎn)且應(yīng)用廣泛[1]。如果雙累積曲線的斜率發(fā)生變化，則表示2個(gè)變量之間的比值發(fā)生了改變。如果忽略比值是變量的可能性，那么斜率發(fā)生突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的年份就是兩個(gè)變量累積關(guān)系出現(xiàn)突變的時(shí)間[2，3]，東灣流域降雨徑流深雙累積曲線圖如圖1所示。

圖1 東灣站降雨～徑流雙累積曲線圖

由圖1可知，東灣流域的年降雨～徑流關(guān)系存在比較明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。年降雨徑流系列分成2段：1960—1994，1994—2011。

2.2 新安江模型

將1970—2011年?yáng)|灣流域的整個(gè)實(shí)測(cè)資料系列輸入到新安江模型[4，5]中，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定。在率定的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，1994年前后模型對(duì)洪水模擬的精度差異明顯，結(jié)合東灣流域Mann-Kendall法和降雨徑流雙累積曲線分析結(jié)果，選擇1994年作為分界點(diǎn)，對(duì)東灣流域1970—2011年的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分段研究，進(jìn)行日模和次模，分析模擬結(jié)果。

根據(jù)東灣流域的自然特征，設(shè)定參數(shù)初始值，并保持非敏感參數(shù)不變，在參數(shù)率定的過(guò)程中調(diào)整敏感參數(shù)值，根據(jù)東灣流域?qū)嵉卣{(diào)研，不考慮氣候變化的因素，選擇1970—2011年的日資料；在1970—1994年間選擇了13場(chǎng)洪水；在1994—2011年間選擇了13場(chǎng)洪水，利用新安江模型分別對(duì)不同時(shí)期的洪水進(jìn)行模擬分析。本文著重研究下墊面變化條件下流域張力水容量WM、蒸散發(fā)折算系數(shù)K以及河網(wǎng)消退系數(shù)CS[6-7]的變化情況，參數(shù)的率定結(jié)果見(jiàn)表2，3。

由表3可看出：東灣流域1994年前選擇了13場(chǎng)洪水，次洪徑流量模擬合格率為76.9%；1994年后選擇了13場(chǎng)洪水，徑流深模擬合格率為76.9%，總體來(lái)說(shuō)，新安江模型能夠在滿足參數(shù)合理性的條件下，在東灣流域有較好的適用性。對(duì)比表格2次洪模擬參數(shù)變化幅度，SM在1994年前后有明顯的不同，由34增加到了60，說(shuō)明表層土自由水容量增大，結(jié)合前面參數(shù)WM大的分析，可以認(rèn)為，隨著人類活動(dòng)影響的增加及氣候的變化，流域的調(diào)蓄作用有所變大。

表2 東灣流域1994年前后新安江日模次模參數(shù)率定結(jié)果

表3 東灣流域洪水模擬成果統(tǒng)計(jì)表

3 東灣流域參數(shù)情況下嵌套流域徑流和洪水模擬

3.1 潭頭流域徑流和洪水模擬

潭頭流域?yàn)闁|灣流域的子流域，流域面積1 395 km2，占東灣流域的49%左右。降水分布不均勻且年內(nèi)變化大，多年平均雨量1 000 mm左右，主要集中在7—9月，用東灣流域的參數(shù)模擬潭頭流域，見(jiàn)表4。

表4 潭頭流域1994年前后新安江日模結(jié)果

由表4可以看出采用東灣流域的參數(shù)，計(jì)算的徑流量2000年以前普遍都偏小，從2000年起開始偏大。2000年以前，模擬值平均偏小了21.5%，2000年以后模擬偏大59.9%。以徑流相對(duì)誤差小于20%為標(biāo)準(zhǔn)，日模率定結(jié)果合格的洪水只有10年，合格率只有28.5%。

選取潭頭和東灣流域同一時(shí)期的12場(chǎng)洪水進(jìn)行次洪模擬，表5是次洪模型參數(shù)情況下洪水模擬的特征值，可以看出采用東灣洪水模型調(diào)式的參數(shù)，總體平均徑流深偏小了22.3%，洪峰偏小30.6%。以相對(duì)誤差小于20%為標(biāo)準(zhǔn)，洪量模擬值合格的有8年，洪峰模擬值合格的有5年。

表5 潭頭流域1994年前后新安江次洪模擬結(jié)果

3.2 欒川流域徑流和洪水模擬

欒川流域是潭頭的一個(gè)子流域，流域面積346 km2，該流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。多年平均降雨量862.8 mm，主要集中在7—9月，50%以上集中在汛期，降水量的分布極不均勻且年際變化較大，年最大降水量是年最小降水量的2倍左右。用率定出東灣流域的新安江模型參數(shù)來(lái)模擬潭頭的流域洪水，然后與潭頭的實(shí)測(cè)洪水相比，分析在東灣流域參數(shù)情況下潭頭的模擬結(jié)果，見(jiàn)表6，7。

由表6可以看出，采用東灣流域參數(shù)計(jì)算的徑流量普遍都偏小，模擬平均偏小了16.4%。以徑流相對(duì)誤差小于20%為標(biāo)準(zhǔn)，日模率定結(jié)果合格的洪水有23年，合格率為60.5%。

表6 潭頭流域1994年前后新安江日模結(jié)果

表7 潭頭流域1994年前后新安江次洪模擬結(jié)果

由表7可以看出，采用東灣洪水模型調(diào)式的參數(shù)，總體平均徑流深偏小了4.1%，洪峰偏小13.1%。以相對(duì)誤差小于20%為標(biāo)準(zhǔn)，洪量模擬值合格的有8年，洪峰模擬值合格的有7年。1994年以前的洪量的誤差波動(dòng)較小，1994年以后的洪量的誤差波動(dòng)較大，波動(dòng)較大主要表現(xiàn)在小洪水的模擬上。

3.3 嵌套流域分析

對(duì)東灣流域模擬的參數(shù)在3個(gè)流域應(yīng)用的日模型常日的合格率做對(duì)比分析，見(jiàn)表8，9。

表8 潭頭流域1994年前后新安江日模型參數(shù)率定結(jié)果

使用東灣流域日模擬參數(shù)，潭頭流域模擬的日模型精度在1998年以前為39.1%，1998年以后為15.4%，整體為28.6%；欒川流域模擬的日模型精度在1994年以前為61.9%，1994年以后為58.8%，整體為60%，整體達(dá)到了丙級(jí)精度。由上面的數(shù)據(jù)分析得出，在下墊面改變之前的3個(gè)流域的嵌套關(guān)系要好于下墊面改變之后的關(guān)系，下墊面的改變對(duì)嵌套流域的嵌套關(guān)系有影響。

表9 東灣參數(shù)各流域次模型模擬情況%

從整體上看，下墊面變化前的參數(shù)在不同流域模擬的合格率的變化都比較穩(wěn)定，而下墊面變化以后則相差的比較大。下墊面的變化對(duì)流域嵌套關(guān)系的變化有影響。

4 結(jié)論

采用雙累積曲線法和新安江模型法找出東灣流域徑流序列突變年份，劃分成1994年前后2個(gè)系列，在東灣流域應(yīng)用新安江模型進(jìn)行分期參數(shù)率定，得出1994年前后不同的兩組參數(shù)。由參數(shù)的變化可以看出，1994年后，流域的調(diào)蓄能力在變大。結(jié)合東灣流域的發(fā)展?fàn)顩r以及相關(guān)資料，可以分析其變化的原因：一是流域內(nèi)中小型水庫(kù)的建設(shè)和退耕還林政策的貫徹實(shí)施，使蒸發(fā)量增大，土壤蓄水量增大，導(dǎo)致參數(shù)K與CS值增大；二是人口的增多，加大了地下水開采的力度，使得包氣帶加厚，地下蓄水容量增大，即WM增大。

以東灣、潭頭、欒川3個(gè)流域的嵌套關(guān)系作為研究對(duì)象。將東灣流域的率定參數(shù)應(yīng)用于其子流域潭頭和欒川流域中對(duì)比洪水的模擬情況，通過(guò)分析比較可以看出：1994年以前的流域之間的相互模擬較好，1994年以后流域之間的相互模擬較差，1994年后的下墊面的變化影響了嵌套流域的模擬。

用新安江模型得到的是流域整個(gè)下墊面的平均的改變，具體流域小部分下墊面的改變沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)，所以下墊面的改變對(duì)嵌套流域的具體影響是模糊的。結(jié)合下墊面變化的詳細(xì)情況，對(duì)流域再進(jìn)行分塊比對(duì)，探討分析下墊面變化時(shí)如何影響嵌套流域的模擬，將是一個(gè)有價(jià)值的研究方向。

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國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0400909；2016 YFC0402703）、水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201301066）。

2017-06-15