唐宏進(jìn),李致家,張衛(wèi)國(guó),孫如飛
(1.寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江寧波315192;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京210098)
傳統(tǒng)的水文計(jì)算往往是建立在降雨和徑流觀測(cè)資料分析的基礎(chǔ)之上的,但水文學(xué)者也認(rèn)知到洪水過(guò)程與流域地形地貌因子之間存在著必然的聯(lián)系[1]。因此,如何通過(guò)數(shù)學(xué)模型將水文信息與地貌特性相聯(lián)系,成為水文學(xué)研究的課題之一。Rodirguez-Itrube和Gupta等[2-3]假定流域上的降雨是由無(wú)數(shù)呈現(xiàn)弱相關(guān)性的雨質(zhì)點(diǎn)所組成,并應(yīng)用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的方法提出了地貌瞬時(shí)單位線理論。地貌瞬時(shí)單位線較好地描述了流域水文響應(yīng)規(guī)律與下墊面因子之間的作用關(guān)系,但其雨質(zhì)點(diǎn)在空間分布均勻的假定與實(shí)際的降雨分布差異較大,存在有一定的局限性;芮孝芳[4]等利用地貌瞬時(shí)單位線的基本概念提出了一種基于DEM確定地貌瞬時(shí)單位線的方法,同樣未考慮降雨空間分布的不均勻性。
隨著氣象預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展,可以獲得較高精度的網(wǎng)格化預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)。以松散網(wǎng)格為基本計(jì)算單元,利用流域DEM提取地形地貌特征,計(jì)算得到流域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格單元的匯流時(shí)間,并結(jié)合降雨空間分布規(guī)律,統(tǒng)計(jì)得到流域的考慮降雨空間分布的匯流時(shí)間概率密度。即,改進(jìn)的地貌瞬時(shí)單位線。本方法考慮降雨空間分布的不均勻性,彌補(bǔ)傳統(tǒng)地貌瞬時(shí)單位線的缺陷,在橫山水庫(kù)流域洪水模擬應(yīng)用中,提高了洪水模擬精度。
假設(shè)降落在流域上的降雨由無(wú)數(shù)水質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成,水質(zhì)點(diǎn)之間呈弱相關(guān)性。水文學(xué)家研究表明:若降雨空間分布均勻,則流域瞬時(shí)單位線u(0,t)與水質(zhì)點(diǎn)匯流時(shí)間的概率密度函數(shù)fB(t)等價(jià)。即
u(0,t)=fB(t)
(1)
流域內(nèi)某個(gè)水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到出口斷面的匯流時(shí)間Tc等于其匯流路徑L與匯流速度V之商(Tc=L/V)。考慮到水質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,由于地形、地貌條件的差異性,速度在不停地變化,即V=v(l);對(duì)某個(gè)水質(zhì)點(diǎn),在路徑l處,通過(guò)某個(gè)微小運(yùn)動(dòng)路徑dl所需的時(shí)間為dt,滿足dt=dl/v(l),由此可獲得,水質(zhì)點(diǎn)通過(guò)匯流路徑L的時(shí)間Tc。即
(2)
本研究以松散網(wǎng)格為基本計(jì)算單元,需對(duì)式(2)進(jìn)行離散化處理。假定在t=0時(shí)刻,流域瞬時(shí)注入一個(gè)總量為P=10 mm但分布不均勻的降雨,且某個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的降雨水質(zhì)點(diǎn)集中在網(wǎng)格中心,則其匯流路徑為水質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)不同網(wǎng)格中心達(dá)到出口斷面網(wǎng)格形成的折線,如圖1所示,完整的折線由若干線段組成,即該水質(zhì)點(diǎn)的匯流路徑L的計(jì)算公式為:
圖1 水質(zhì)點(diǎn)匯流路徑示意
(3)
式中,N為折線內(nèi)線段的數(shù)目,即水質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)的網(wǎng)格個(gè)數(shù)。
某段線段長(zhǎng)度Li由網(wǎng)格寬度和該網(wǎng)格的出流方向共同決定。網(wǎng)格寬度由DEM分辨率決定,出流方向可以通過(guò)D8流向法確定[5],則有:
Li=d×sat(i)
(4)
假定每段線段Li內(nèi),水質(zhì)點(diǎn)流速是均勻分布的;則根據(jù)熊立華、彭定志等[6]提出的利用網(wǎng)格坡度計(jì)算某個(gè)網(wǎng)格水質(zhì)點(diǎn)流速的公式,并考慮到網(wǎng)格下墊面條件的差異性,得到線段Li內(nèi)流速
v(i)=a×s(i)b
(5)
式中,a為速度校正系數(shù),與速度有相同的量綱;b為坡度影響指數(shù);s(i)為網(wǎng)格出流方向坡度。
根據(jù)式(4)、(5)對(duì)式(2)進(jìn)行離散化處理,可以得到流域內(nèi)所有網(wǎng)格的匯流時(shí)間
(6)
根據(jù)定義,出口斷面τ時(shí)刻Δt時(shí)段內(nèi)的平均流量由流域內(nèi)匯流時(shí)間介于τ~τ+Δt之間的網(wǎng)格降雨匯流形成,即可得到考慮降雨空間分布的地貌瞬時(shí)單位線
(7)
本研究選取橫山水庫(kù)流域作為研究對(duì)象。橫山水庫(kù)位于浙江奉化山區(qū),流域內(nèi)設(shè)有橫山壩上、南溪口、柏坑、峙坑、箭嶺下和董家6個(gè)雨量測(cè)站,流域控制面積為150.8 km2,亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),流域內(nèi)植被良好,雨量充足,多年(1956年~2015年)平均降水量1 671 mm,屬于典型的濕潤(rùn)流域。選取2013年~2015年期間3場(chǎng)具有代表性的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨導(dǎo)致的歷史洪水,用于洪水模擬驗(yàn)證。本文使用的DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)太空總署(NASA)和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(NIMA)聯(lián)合測(cè)量的SRTM3(90 m分辨率)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)可由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)下載獲得。
根據(jù)地貌瞬時(shí)單位線的提取方法,首先需要提取橫山水庫(kù)流域的網(wǎng)格匯流路徑長(zhǎng)度和網(wǎng)格的方向坡度,其分布規(guī)律分別如圖2和圖3所示。
圖2 匯流路徑長(zhǎng)度分布
圖3 方向坡度分布
考慮降雨空間分布對(duì)匯流過(guò)程的影響,對(duì)傳統(tǒng)地貌瞬時(shí)單位線進(jìn)行變形。由式(7)可知,對(duì)于同一流域各個(gè)網(wǎng)格的匯流指標(biāo)φΔt,τ(i)值是確定不變的,而對(duì)于不同場(chǎng)次的歷史洪水,降雨空間分布存在一定的差異性,因此計(jì)算得到考慮降雨空間分布的地貌瞬時(shí)單位線具有差異性。選取橫山水庫(kù)流域2013年~2015年期間3場(chǎng)典型歷史洪水的實(shí)測(cè)降雨資料,通過(guò)克里金插值[7]得到實(shí)測(cè)降雨在流域上的空間分布,根據(jù)式(7)得到橫山水庫(kù)流域3場(chǎng)典型歷史洪水對(duì)應(yīng)的地貌瞬時(shí)單位線,見(jiàn)圖4。
不考慮降雨空間分布,根據(jù)地貌瞬時(shí)單位線的定義,同一地區(qū)的地貌瞬時(shí)單位線應(yīng)一致。橫山水庫(kù)流域3場(chǎng)典型歷史洪水對(duì)應(yīng)的地貌瞬時(shí)單位線,是同一條過(guò)程線(見(jiàn)圖4)。
由圖4可知,考慮降雨空間分布的地貌瞬時(shí)單位線與傳統(tǒng)地貌瞬時(shí)單位線總體趨勢(shì)相似,漲水階段相差較大,退水階段基本相似;考慮降雨空間分布的3場(chǎng)洪水的地貌瞬時(shí)單位線的漲水階段相差較大,說(shuō)明降雨空間分布的差異對(duì)流域出流過(guò)程線有著重要的影響。
分別利用不同場(chǎng)次洪水考慮降雨空間分布的地貌瞬時(shí)單位線和傳統(tǒng)地貌瞬時(shí)單位線進(jìn)行洪水模擬計(jì)算,選取洪水預(yù)報(bào)中的洪量相對(duì)誤差、洪峰相對(duì)誤差和確定性系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[8],對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,其統(tǒng)計(jì)成果如表1所示,洪水模擬過(guò)程如圖5、圖6和圖7所示。其中,本文是指考慮降雨空間分布的地貌瞬時(shí)單位線方法進(jìn)行匯流演算,傳統(tǒng)是指利用不考慮降雨空間分布的地貌瞬時(shí)單位線進(jìn)行匯流演算。
表1 洪水模擬成果特征值統(tǒng)計(jì)
圖5 2013菲特洪水模擬過(guò)程線
圖6 2015燦鴻洪水模擬過(guò)程線
圖7 2015杜鵑洪水模擬過(guò)程線
由表1成果分析可知:①兩種方法模擬效果都良好,洪峰和洪量合格率都達(dá)到100%,本文方法模擬成果確定性系數(shù)均值為0.9,達(dá)到GBT 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》乙級(jí)要求以上[9]。②兩種方法洪量相對(duì)誤差基本一致,本文方法的洪峰相對(duì)誤差優(yōu)于傳統(tǒng)方法,平均相對(duì)誤差減少了4.12%;③本文方法洪水模擬過(guò)程的確定性系數(shù)均值為0.9,優(yōu)于傳統(tǒng)方法的0.82,本文方法更好地模擬了洪水的匯流演算過(guò)程。
分析其原因:①兩種方法的降雨總量一定,因此在洪量模擬方面誤差相差不大;②由于本文考慮了降雨空間分布的差異性,更加契合水流在流域內(nèi)
演進(jìn)的實(shí)際過(guò)程,因此洪峰相對(duì)誤差和確定性系數(shù)都優(yōu)于傳統(tǒng)方法,流域出口斷面洪水過(guò)程與實(shí)際過(guò)程更加吻合。
傳統(tǒng)地貌瞬時(shí)單位線理論通過(guò)物理統(tǒng)計(jì)方法得到流域地貌瞬時(shí)單位線等價(jià)于匯流時(shí)間密度函數(shù)的結(jié)論,但其是建立在假定流域內(nèi)降雨空間分布均勻的基礎(chǔ)上,具有一定的局限性。本文考慮流域降雨空間分布規(guī)律,在傳統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上增加了地貌瞬時(shí)單位線的降雨空間分布項(xiàng);并以橫山水庫(kù)流域?yàn)槔?,通過(guò)研究流域的DEM數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)洪水期間降雨的空間分布規(guī)律計(jì)算其不同場(chǎng)次洪水地貌瞬時(shí)單位線,在洪水過(guò)程模擬中應(yīng)用效果良好,模擬結(jié)果優(yōu)于不考慮降雨空間分布的地貌瞬時(shí)單位線方法。
同時(shí),研究中使用的DEM數(shù)據(jù)分辨率為 90 m,未考慮不同分辨率DEM數(shù)據(jù)對(duì)地貌瞬時(shí)單位線的影響,在后續(xù)研究中需進(jìn)一步研究水質(zhì)點(diǎn)在不同分辨率網(wǎng)格間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,以及網(wǎng)格土壤和植被類型對(duì)本研究的影響。