王舒凌

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117200)

本溪地區(qū)位于遼寧省的東部，屬于典型的暴雨洪水易發(fā)區(qū)，區(qū)域中小河流較多，水系較為復(fù)雜[1]。近些年來(lái)，受極端氣候變化影響，本溪地區(qū)中小河流暴雨洪水頻次增多，產(chǎn)生的洪澇災(zāi)害影響程度也明顯加劇[2]。為加強(qiáng)本溪地區(qū)中小河流防汛預(yù)報(bào)能力，亟需對(duì)區(qū)域內(nèi)中小河流洪水預(yù)報(bào)方案進(jìn)行構(gòu)建，解決區(qū)域中小河流預(yù)報(bào)難度大的問題[3]。一些研究成果均表明，對(duì)于中小河流而言，其暴雨洪水的非線性變化特征較為明顯[4]，傳統(tǒng)考慮暴雨洪水線性變化的模型很難有效反映區(qū)域中小河流洪水突發(fā)的變化特點(diǎn)。為此，夏軍[5]等針對(duì)中小河流暴雨洪水的非線性變化特征，研發(fā)了非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ?，并在?guó)內(nèi)一些區(qū)域得到具體應(yīng)用[6-8]，應(yīng)用結(jié)果均表明非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ驮谥行『恿魍话l(fā)洪水模擬具有較好的應(yīng)用效果。但傳統(tǒng)的非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ陀捎谖茨芸紤]雨強(qiáng)和前期影響雨量對(duì)洪水模擬的影響，存在一定的局限，為此夏軍[12]等對(duì)傳統(tǒng)非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ瓦M(jìn)行改進(jìn)，引入時(shí)段雨強(qiáng)和前期影響雨量?jī)蓚€(gè)變量，在國(guó)內(nèi)一些區(qū)域應(yīng)用表明洪水模擬精度好于傳統(tǒng)非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ停谶|寧東部地區(qū)還未得到具體應(yīng)用，為此文章立足于本溪地區(qū)中小河流的洪水特點(diǎn)，以本溪地區(qū)華尖子及二戶來(lái)水文站為具體實(shí)例，探討改進(jìn)的非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ驮诒鞠貐^(qū)中小河流洪水模擬的適用性，研究成果對(duì)于本溪地區(qū)中小河流超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)報(bào)方案構(gòu)建具有重要的參考價(jià)值。

1 改進(jìn)的非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ?/h2>

傳統(tǒng)非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ筒捎脮r(shí)段增益變量G(t)與時(shí)段凈雨量之間乘積進(jìn)行時(shí)段產(chǎn)流量R的計(jì)算：

R(t)=G(t)X(t)

(1)

時(shí)段增益變量G(t)主要和流域土壤前期影響雨量API(t)之間存在線性關(guān)系，其計(jì)算方程為：

G(t)=g1APIg2(t)

(2)

采用泰勒方程對(duì)方程(2)進(jìn)行簡(jiǎn)化為：

G(t)=g1+g2API(t)

(3)

在方程(3)中g(shù)1和g2屬于時(shí)段增益變量G(t)兩個(gè)變量。流域土壤前期影響雨量API(t)計(jì)算方程為：

(4)

在方程(4)中Ke與流域蒸發(fā)及土壤類型相關(guān)。則產(chǎn)流量計(jì)算方程可以轉(zhuǎn)換為：

R(t)=g1X(t)+g2API(t)X(t)

(5)

因此只要對(duì)g1、g2及Ke進(jìn)行確定后就可以對(duì)其產(chǎn)流量進(jìn)行計(jì)算。產(chǎn)流量計(jì)算的基礎(chǔ)上采用簡(jiǎn)單響應(yīng)函數(shù)對(duì)其匯流進(jìn)行計(jì)算：

(6)

在方程(6)中U(τ)為響應(yīng)函數(shù)。采用Nash單位線進(jìn)行地表匯流，采用線性水庫(kù)方法對(duì)其地下匯流進(jìn)行計(jì)算：

(7)

(8)

式中：RS(t)和Rg(t)分別為地表和地下產(chǎn)流量，mm；P(t)為時(shí)段降水量，mm；i(t)為時(shí)段雨強(qiáng)，mm/h。

2 模型應(yīng)用

2.1 站點(diǎn)概況

華尖子站位于遼寧省本溪市桓仁滿族自治縣華來(lái)鎮(zhèn)東堡村村，地理位置為E 125°2'1.6"，N 41°24' 21.6"，站點(diǎn)以上控制流域集水面積 121km2，站點(diǎn)以上河流長(zhǎng)度為 16.8km，河流比降10.8‰。流域多年平均降水深 792mm，多年平均徑流深 334mm；最大高程 980m，最小高程 356m， 平均高程 545m。距離桓仁滿族自治縣約 30.9km。該站所在河流為富砂河，屬鴨綠江流域渾江口以上水系。富砂河發(fā)源于遼寧省桓仁縣華來(lái)鎮(zhèn)高臺(tái)子村，流域面積 235km2，河長(zhǎng) 28.1km。河源高程 714m，河流比降 5.8‰。二戶來(lái)站位于遼寧省本溪市桓仁滿族自治縣華來(lái)鎮(zhèn)拉古甲村，地理位置為E125°8' 56.3"，N41°21' 47.9" ，站點(diǎn)以上控制流域集水面積 564km2，站點(diǎn)以上河流長(zhǎng)度為 37.8km，河流比降5.9‰。流域多年平均降水深 796mm，多年平均徑流深 352mm；最大高程 1316m，最小高程 309m， 平均高程 565m。距離桓仁滿族自治縣約 20.3km。該站所在河流為大二河，屬鴨綠江流域渾江口以上水系。大二河發(fā)源于遼寧省桓仁縣華來(lái)鎮(zhèn)高儉地村，流域面積 740km2，河長(zhǎng) 61.1km。河源高程 657m，河流比降 4.2‰。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

由于華尖子站、二戶來(lái)水文站還未建立洪水預(yù)報(bào)方案，為此采用參數(shù)移植方法將華尖子水文站、二戶來(lái)水文站附近的四道河子水文站進(jìn)行參數(shù)的移植。華尖子水文站模型參數(shù)設(shè)置結(jié)果，見表1；二戶來(lái)水文站模型參數(shù)設(shè)置結(jié)果，見表2。

2.3 模擬結(jié)果對(duì)比

結(jié)合華尖子和二戶來(lái)兩個(gè)水文站建站以來(lái)的洪水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)前后的非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ瓦M(jìn)行洪水模擬結(jié)果對(duì)比，華尖子水文站改進(jìn)前后模型模擬對(duì)比結(jié)果，見表3；二戶來(lái)水文站改進(jìn)前后模型模擬對(duì)比結(jié)果，見表4。

表1 華尖子水文站模型參數(shù)設(shè)置結(jié)果

表2 二戶來(lái)水文站模型參數(shù)設(shè)置結(jié)果

表3 華尖子水文站改進(jìn)前后模型模擬對(duì)比結(jié)果

從表3華尖子水文站改進(jìn)前后模型模擬對(duì)比結(jié)果，相比于改進(jìn)前的非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ?，改進(jìn)后的非線性時(shí)變?cè)鲆鎸⑷A尖子水文站洪水模擬精度改善較為明顯，按照水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范，相比于改進(jìn)前，改進(jìn)后華尖子水文站選取的9場(chǎng)洪水模擬合格率提升約20%，且確定性系數(shù)相比于改進(jìn)前有較為明顯，確定性系數(shù)主要表征洪水模擬過(guò)程的擬合度，改進(jìn)后模型的確定性系數(shù)均高于改進(jìn)前，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)的非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ陀捎诰C合考慮了雨強(qiáng)和流域前期影響雨量對(duì)土壤含水量的綜合影響，使得其洪水過(guò)程模擬的精度得到提高，而由于洪水過(guò)程模擬精度的提高，使得其場(chǎng)次洪水徑流深相對(duì)誤差得到不同程度的改善。洪峰誤差相比于場(chǎng)次洪水徑流深相對(duì)誤差改善度有所降低，這主要是因?yàn)楹榉辶髁恐饕蛥^(qū)域暴雨時(shí)程分配有關(guān)，因此其改善程度相比于場(chǎng)次洪水徑流深相對(duì)誤差有所降低。而從二戶來(lái)水文站改進(jìn)前后模型模擬對(duì)比結(jié)果也可看出，和華尖子水文站洪水模擬對(duì)比結(jié)果相似，改進(jìn)后洪水模擬精度較改進(jìn)前有較為明顯的改善。綜上，改進(jìn)的非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ陀捎诳删C合考慮降雨強(qiáng)度和前期影響雨量對(duì)土壤水量的影響，相比于改進(jìn)前的非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ?，適合于本溪地區(qū)中小河流洪水預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建。

3 結(jié) 語(yǔ)

改進(jìn)后華尖子水文站、二戶來(lái)水文站洪水模擬合格率均提升約20%，且確定性系數(shù)相比于改進(jìn)前有較為明顯，且由于洪水過(guò)程模擬精度的提高，使得其場(chǎng)次洪水徑流深相對(duì)誤差得到不同程度的改善。綜上，改進(jìn)的非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ陀捎诳删C合考慮降雨強(qiáng)度和前期影響雨量對(duì)土壤水量的影響，相比于改進(jìn)前的非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ?，適合于本溪地區(qū)中小河流洪水預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建。