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。
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。
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‰。
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。
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。
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。