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        東灣流域下墊面變化及其子流域嵌套分析

        2017-10-18 06:06:06趙麗霞王黎明徐十鋒
        東北水利水電 2017年10期
        關(guān)鍵詞:新安江下墊面嵌套

        趙 旭,趙麗霞,王黎明,徐十鋒

        (1.河南省開封水文水資源勘測局,河南開封475003;2.黃河水利委員會水文局,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局,河南開封475003;2.黃河水利委員會水文局,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個系列,并以東灣流域與其潭頭、欒川2個子流域為研究對象,用1994年前后東灣流域率定出來的兩套參數(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,探討下墊面變化對參數(shù)的影響,對于水資源管理和防洪抗旱具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

        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)站的同時間系列實測蒸發(fā)資料。流域所劃分的子流域及其代表雨量站點見表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)累計值的關(guān)系線。該方法在長期演變分析中具有簡單和直觀地特點且應(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)生突變點所對應(yīng)的年份就是兩個變量累積關(guān)系出現(xiàn)突變的時間[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。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年東灣流域的整個實測資料系列輸入到新安江模型[4,5]中,對模型參數(shù)進(jìn)行率定。在率定的過程中發(fā)現(xiàn),1994年前后模型對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,對東灣流域1970—2011年的實測資料進(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場洪水;在1994—2011年間選擇了13場洪水,利用新安江模型分別對不同時期的洪水進(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)果見表2,3。

        由表3可看出:東灣流域1994年前選擇了13場洪水,次洪徑流量模擬合格率為76.9%;1994年后選擇了13場洪水,徑流深模擬合格率為76.9%,總體來說,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

        潭頭流域為東灣流域的子流域,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期的12場洪水進(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)來模擬潭頭的流域洪水,然后與潭頭的實測洪水相比,分析在東灣流域參數(shù)情況下潭頭的模擬結(jié)果,見表6,7。

        由表6可以看出,采用東灣流域參數(shù)計算的徑流量普遍都偏小,模擬平均偏小了16.4%。以徑流相對誤差小于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較小,1994年以后的洪量的誤差波動較大,波動較大主要表現(xiàn)在小洪水的模擬上。

        3.3 嵌套流域分析

        對東灣流域模擬的參數(shù)在3個流域應(yīng)用的日模型常日的合格率做對比分析,見表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)中小型水庫的建設(shè)和退耕還林政策的貫徹實施,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個流域的嵌套關(guān)系作為研究對象。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比洪水的模擬情況,通過分析比較可以看出: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下墊面的平均的改變,具體流域小部分下墊面的改變沒有體現(xiàn)出來,所以下墊面的改變對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,對流域再進(jìn)行分塊比對,探討分析下墊面變化時如何影響嵌套流域的模擬,將是一個有價值的研究方向。

        [1]張利茹,張建云,劉九夫,等.近50年中國不同氣候區(qū)典型流域降雨徑流變化趨勢[J].水利發(fā)電,2011,37(10):14—17.

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        TV121+.1;TV122

        B

        1002—0624(2017)10—0030—04

        國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0400909;2016 YFC0402703)、水利部公益性行業(yè)科研專項(201301066)。

        2017-06-15

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