垂向混合產(chǎn)流模型在清河水庫(kù)流域的改進(jìn)應(yīng)用

姜玉婷

（遼寧省清河水庫(kù)管理局，遼寧 鐵嶺 112003）

1 模型簡(jiǎn)介

垂向混合產(chǎn)流模型[1]是在考慮到流域上一場(chǎng)降雨產(chǎn)生蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流并存的條件下，把流域蓄水容量～面積分布曲線和下滲能力分布曲線結(jié)合而成的一種垂向混合產(chǎn)流模式。該模型通過(guò)具有空間分布的下滲能力分布曲線，把降雨分為地面徑流和下滲水流；考慮到雨強(qiáng)和下滲能力因素，地面徑流采用超滲產(chǎn)流模式；同時(shí)考慮到前期土壤含水量和下滲水量產(chǎn)生的地下徑流和壤中流，下滲水流采用蓄滿產(chǎn)流模式。

2 模型計(jì)算流程

1）流域蒸散發(fā)計(jì)算：傳統(tǒng)的水文模型蒸發(fā)量是以器皿觀測(cè)蒸發(fā)量，乘以蒸散發(fā)折算系數(shù)K，這樣單一的蒸發(fā)折算系數(shù)忽略了蒸發(fā)與季節(jié)、下墊面的時(shí)空變化關(guān)系，同時(shí)對(duì)于我國(guó)東北地區(qū)特有的氣候條件和下墊面變化條件，將模型蒸散發(fā)計(jì)算進(jìn)行改進(jìn)，采用具有物理基礎(chǔ)的雙源蒸散發(fā)能力計(jì)算模型[2]，對(duì)流域進(jìn)行蒸散發(fā)能力計(jì)算，從而分時(shí)段率定蒸散發(fā)折算系數(shù)K值。

雙源蒸散發(fā)，即根據(jù)GIS技術(shù)和遙感技術(shù)計(jì)算植被蒸騰能力EPC、土壤蒸發(fā)能力EPC和水面蒸發(fā)能力Er。根據(jù)計(jì)算的全流域蒸散發(fā)能力，對(duì)K值進(jìn)行率定。

2）流域產(chǎn)流計(jì)算：混合產(chǎn)流下滲計(jì)算，根據(jù)改進(jìn)后的格林—安普特下滲公式[3]（如式1），計(jì)算流域?qū)嶋H下滲率FC。

式中FM——流域平均下滲速率，mm/min；fc——穩(wěn)定下滲率；KF——滲透系數(shù)；PE——凈雨量；FC——流域?qū)嶋H下滲率；Fmm——流域最大下滲能力，mm/min；FT——累積下滲量；T——產(chǎn)流歷時(shí)；F△t—— △t時(shí)間內(nèi)平均下滲量；△F——下滲量誤差；1/2Ft——△t時(shí)間歷時(shí)一半時(shí)平均下滲量。

同時(shí)考慮到高緯度寒冷地區(qū)的凍土層，對(duì)下滲具有著不同的特點(diǎn)和規(guī)律，其所具有的季節(jié)變化性、不透水性、抑制蒸發(fā)性和蓄水性直接影響到降雨產(chǎn)流量的大小，對(duì)下滲進(jìn)行改進(jìn)應(yīng)用，提出分時(shí)段下滲計(jì)算公式，對(duì)于凍土融凍期，用平割法計(jì)算平均下滲量（如公式4），累積下滲量通過(guò)選擇降雨強(qiáng)度大，歷時(shí)短的資料進(jìn)行分析計(jì)算。凍土期下滲率考慮為零，土壤解凍后仍然按改進(jìn)后的格林-安普特公式進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)圖1：可知當(dāng)凈雨P(guān)E到達(dá)地面，若其強(qiáng)度大于下滲能力，則產(chǎn)生地面徑流RS=PE-FA。

其中下滲的水量在缺水量大的土壤中補(bǔ)充土壤缺水量△W，在缺水量少的地方補(bǔ)充完缺水量后，多余水量則產(chǎn)生地面以下徑流RR。

即當(dāng) FA+a＜WM（B+1）時(shí)：

式中RS——地面徑流；RR——地面以下徑流；FA——下滲水量；WM——流域平均蓄水容量，mm；W——流域?qū)嶋H土壤含水量；a——相應(yīng)于初始土壤平均含水量的最大值；B——蓄水容量分布曲線指數(shù)。

3）分水源、坡面匯流和河網(wǎng)匯流三部分計(jì)算：首先將流域劃分為多個(gè)小單元，凈雨經(jīng)產(chǎn)流計(jì)算產(chǎn)生地面徑流RS和地面以下徑流RR，地面徑流經(jīng)坡面匯流至單元出口進(jìn)入河網(wǎng)，再經(jīng)河網(wǎng)匯流到達(dá)流域出口斷面。地面以下徑流經(jīng)分水源計(jì)算產(chǎn)生壤中流RI和地下徑流RG，后匯流到達(dá)單元出口至河網(wǎng)，繼而經(jīng)河網(wǎng)匯流到達(dá)流域出口。模型中匯流計(jì)算均采用線性水庫(kù)匯流計(jì)算，河網(wǎng)匯流采用馬斯京根法分時(shí)段計(jì)算?？紤]到清河水庫(kù)流域特有的地域特點(diǎn)，將水庫(kù)上游八棵樹(shù)和耿王莊兩站進(jìn)行斷面計(jì)算，共分成三部分進(jìn)行匯流計(jì)算，即八棵樹(shù)、耿王莊和清河區(qū)間，先進(jìn)行上斷面來(lái)水量計(jì)算，然后將八棵樹(shù)和耿王莊來(lái)水量進(jìn)行河道匯流至清河壩上。

圖1 垂向結(jié)合法結(jié)構(gòu)圖

圖1中F為流域上某點(diǎn)的下滲能力；α為下滲小于F的面積比例；W′為流域上某點(diǎn)的土壤含水量；△W為土壤缺水量；β為土壤含水量小于W′的面積比例。

3 模型的應(yīng)用

通過(guò)垂向混合產(chǎn)流模型，對(duì)清河水庫(kù)流域進(jìn)行洪水模擬計(jì)算，選取1964-2010年流域各站日降雨量、日蒸發(fā)資料和八棵樹(shù)、耿王莊2個(gè)入庫(kù)控制站斷面流量資料，同時(shí)選取清河站1964—2010年32場(chǎng)洪水資料。通過(guò)以上資料對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定及次洪率定期和檢驗(yàn)檢驗(yàn)期計(jì)算。清河次洪改進(jìn)前、后，模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 清河次洪改進(jìn)前后模擬結(jié)果對(duì)比

分析次洪模擬結(jié)果，表中出現(xiàn)一些場(chǎng)次降雨量小于實(shí)測(cè)徑流深，其原因有：清河流域面積較大，雨量站少，致使暴雨中心的雨量不能準(zhǔn)確獲得，從而使計(jì)算的平均降雨量偏小。同時(shí)測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)的誤差也可能影響到降雨資料。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果分析，對(duì)垂向混合產(chǎn)流模型進(jìn)行改進(jìn)后的洪水計(jì)算結(jié)果更好，確定性系數(shù)由原來(lái)的平均0.624，提高到0.851，32場(chǎng)洪水合格率由原來(lái)的0.63，提高到0.88，說(shuō)明改進(jìn)后的產(chǎn)流模型對(duì)清河水庫(kù)流域特有的氣候特點(diǎn)適應(yīng)性較強(qiáng)，模擬效果也更好?；旌袭a(chǎn)流模型在該地區(qū)的應(yīng)用可以為類(lèi)似地區(qū)的產(chǎn)流分析提供借鑒。

[1]包為民，王從良.垂向混合產(chǎn)流模型及應(yīng)用[J].水文，l997（3）：18-21.

[2]莫興國(guó)，林忠輝.基于Penman-Monteith公式的雙源模型的改進(jìn)[J].水利學(xué)報(bào)，2000，5：6-11.

[3]包為民.格林—安普特下滲曲線的改進(jìn)應(yīng)用[J].人民黃河，1993（9）.

[4]包為民.新安江模型參數(shù)的自動(dòng)率定[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1986，14（4）：22-29.

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

[6]張波，馬得蓮.新安江模型在富水水庫(kù)流域洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2010，28（4）：49-51.