新安江產流模型在科洛河的改進

李亞龍，吳曉蓓，秦 博

（1.黑龍江省黑河水文局，黑龍江 黑河 164300；2.松遼委黑龍江水文水資源勘測局，黑龍江 黑河 164300）

新安江模型在我國南方濕潤地區(qū)應用的十分廣泛，但在黑龍江省應用的并不多，一方面是因為黑龍江省水文事業(yè)發(fā)展較緩，雨量站密度遠小于南方經濟發(fā)達省份，另一方面是因為黑龍江省地處高緯地區(qū)，冬季漫長寒冷，冰期半年左右，個別地區(qū)冰期長達270 d。由于冰雪的影響，水文特性與南方無凍地區(qū)的水文特性有較大不同，本文在分析受凍土影響下的寒冷地區(qū)水文特性的基礎上，將新安江模型應用到科洛河。

1 流域概況

科洛河為嫩江左岸主要支流之一，流域面積7915 km2，屬于寒溫帶大陸性季風氣候，氣溫變化急劇，溫差較大，多年平均氣溫-0.5℃，年最高氣溫37.0℃，年最低氣溫-47.0℃，風向多呈北風，最大風力可達8級，一般在5級以下。冬季嚴寒少雪，夏季溫濕多雨，多年平均降水量在500 mm左右。降水和徑流年內分布極不均衡，冬季河流長時間結冰封凍，土壤凍結。多年平均封凍天數在170 d左右，最大凍土深度達2.80 m，最大冰厚1.60 m，有凍土存在時間長達270 d之久。凍土的存在使水文情勢具有寒冷地區(qū)的特點。流域坡度5°～10°，海拔高度在200～300 m之間。為堆積地形，盆地、平原、溝谷地貌特征，植被覆蓋良好。

科后水文站是科洛河下游控制站，位于東經125°43′，北緯 49°23′。該站地處嫩江縣科洛鄉(xiāng)，斷面以上至河源長252 km，至河口距離72 km，集水面積7310 km2，測驗斷面以上有龍門、七星泡、塔溪、向陽、麥海、白云、石頭溝、沐河、科后等9個雨量站。

2 凍土存在影響水文特性

由于位于高緯度地區(qū)，科洛河流域冬季漫長嚴寒，地面積雪，土壤凍結，凍土深度多在1 m以上，部分地區(qū)有局部和成片的永久性凍土存在。凍土影響水文特性，使新安江產流模型在科洛河應用時效果極差，制作預報方案時，5，6月份和部分7月份徑流量明顯偏大。經分析去除降雨等誤差影響仍無法改變。除永久性凍土外，其他都是冬季凍結，夏季融凍的季節(jié)性凍土。河流解凍后，仍有凍土存在，積雪和凍土的存在，改變了包氣帶厚度和土壤水分的動態(tài)規(guī)律，降雨徑流關系受到制約。凍土的不透水作用，蓄水調節(jié)作用，抑制蒸發(fā)作用，使降雨入滲、土壤含水量的垂線分布等均不同于無凍地區(qū)和無凍期。凍土的存在，增加了土層蓄水量，土改變了土壤含水量的垂線分布，使土壤蒸發(fā)能力降低，融凍期土壤入滲能力減小。

3 參數的確定

3.1 流域蒸發(fā)和K值分析

該流域凍土從上年10月末凍結，次年3月末4月初上層開始解凍，至8月初凍土化通。有凍土存在時因土壤凍結，毛管輸水終止。地面覆雪后，蒸發(fā)發(fā)生在雪面，而且由于冬季氣溫極低，蒸發(fā)微弱。實際土壤蒸發(fā)遠小于氣候蒸發(fā)能力，因此對凍土存在時期的蒸發(fā)能力應進行凍土期修正，K值采用清溪站計算值，[6]如表1所示。

表1 清溪站蒸發(fā)能力和K值計算表（Wm=120 mm，K=1-Em/Wm）

修正凍土期蒸發(fā)能力的方法是，令凍土期實際蒸發(fā)能力為Ep，常規(guī)法采用的蒸發(fā)能力EZ=E601，凍土期蒸發(fā)修正系數KE，則

冬季積雪期的Ep和KE近于零，Ep隨氣溫回升和凍土解凍過程確定各月的休整系數KE。對蒸發(fā)能力Em修正后按K=1-Em/Wm計算K日和K月消退系數。

3.2 流域最大蓄水容量Wm

流域最大蓄水量Wm，是反映流域蓄水和對降雨徑流關系調節(jié)性能的參數，其確定方法和雨洪計算相同。但在科洛河流域，年、季降雨量相對偏少，用常規(guī)法難以求得Wmax值，因此采用經驗法試算，以求得R=f（P+W0）更為合理。其中，R為徑流深；P為降雨量；W0為起始蓄水量。經分析，Wmax與氣候及下墊面條件有關，該流域雖然降水量不充沛，但植被良好，受凍土不透水層影響，地下水位較高，在植物根系層以上（約0.30 m）土壤濕潤，容易蓄滿而形成蓄滿產流的機制，因此Wmax定位120 mm為宜。當考慮月計算時，降雨和蒸發(fā)量均大于次洪過程Wm不宜過小，分層計算中，上層WUM，下層WLM，深層WDM均按降水、蒸發(fā)和凍土變化過程取變動值，如表2。

3.3 其他計算的有關問題

1）凍土在封凍過程中，土壤含水量增加，為考慮增加的流域蓄水量，將起始蓄水量計算到3月31日后的W0乘以相應的系數c，此例采用系數為c＝1.2，即 1.2 W0。

表2 科洛河分層模型設置表（Wm=120 mm）mm

2）凍土蓄水按層分配系數。為考慮凍土蓄水量的變化，最好從上年度秋季起開始計算前期蓄水量，可按月計算，因為11月至次年2月為穩(wěn)定封凍期，降水、蒸發(fā)可合并作為一個時段，當計算的W0分配到分層計算模型的各層中去。此時可按分層WUM、WLM和WDM起始值的比例，進行分配，如表2中，11月至次年3月末起始分層蓄水容量為0，70，50 mm，流域最大蓄水容量為120 mm，則分到各層為 0，70/120，50/120，按此比例系數乘以計算的起始W0，即得到各層起始蓄水量。

3）最大蓄水量。最大蓄水量分為上下兩層最大蓄水量。上下兩層最大蓄水量均為變化值，按下面公式計算，其和為流域最大蓄水容量。

式中：WDMT上層最大蓄水量；KDT消退系數；t，T 為融凍時間與至化通的總歷時；a為與消退速度有關的系數，0.8為宜；WXMT下層最大蓄水。

4）蓄水量計算前推時間和起算值。考慮土壤凍結蓄水量增加的特性，W0計算時盡可能跨年計算，為簡便和減少工作量，可按月以單層模型計算，受寒區(qū)凍土影響，土壤含水量較大，起始值可大一些，可取2/3Wm。

在分析了凍土影響下的水文特性的基礎上，采用受凍土影響下的產流模型，在科洛河流域，方案的精度為80%，遠高于采用傳統(tǒng)方法不足50%的精度，同時采用連續(xù)計算的方法，解決了4，5月份的徑流計算點子明顯偏離曲線的問題，同時解決了6，7月份點子系統(tǒng)性偏大的問題。見圖1。

圖1 科后降雨徑流相關圖

[1]肖迪芳、陳培竹.凍土影響下的降雨徑流關系[J].水文，1983（2）.

[2]周有才.凍土中水分運動規(guī)律[J].黑龍江水利科技，1980（2）.

[3]黑龍江水利科學研究所部份實驗資料，1979.

[4]肖迪芳.寒區(qū)凍土水文學概論[D].全國冰工程學會文件匯編，1996.

[5]肖迪芳.寒區(qū)降雨徑流模擬清溪模型[D].蘭州冰川凍土學會文件匯編，1996.

[6]肖迪芳.凍土地區(qū)年、季降雨徑流關系分析[J].黑龍江水利科技，1996（2）.