淮河上游地區(qū)降雨徑流分析及模擬

鄧 鵬李致家郭 元孫善磊

(1.南京信息工程大學水文氣象學院,江蘇南京 210044;2.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098)

淮河上游地區(qū)降雨徑流分析及模擬

鄧 鵬1,李致家2,郭 元2,孫善磊1

(1.南京信息工程大學水文氣象學院,江蘇南京 210044;2.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098)

為了掌握淮河流域的水情信息,對淮河干流王家壩以上流域的降雨徑流進行分析和模擬。采用流域內1985—2007年的站點歷史資料對降雨徑流進行分析,并且應用分布式SWAT模型,采用SCE-UA算法進行參數自動校準并進行檢驗,建立降雨徑流月尺度模擬模型。分析發(fā)現流域年降水量50%集中在6—8月,并且淮南山區(qū)息縣及潢川子流域的月平均徑流和徑流系數都大于屬于淮北平原區(qū)的班臺子流域。息縣、潢川、班臺及王家壩月徑流的模擬結果確定性系數分別達到0.77、0.81、0.69和0.80。淮河上游地區(qū)的降雨存在明顯的季節(jié)集中性,并且淮南山區(qū)和淮北平原區(qū)因地勢不同使產流特征不同。流域中水利工程設施的應用對天然降雨徑流過程的改變產生很大影響,使班臺子流域的模擬結果差于其他子流域。研究區(qū)屬于徑流資料短缺地區(qū),分布式水文模型的建立充分反映了下墊面的已知信息,彌補了徑流資料短缺的不足之處。

淮河上游地區(qū);降雨徑流;水文模擬;分布式水文模型

淮河處在我國南北氣候過渡帶,汛期雨量豐沛但分布不均[1]。每當汛期大暴雨時,淮河上游山地洪水迅速匯集,河道水位迅速抬高。加上淮河中游地勢平坦,河道比降小造成洪水排泄不暢,使淮河中上游地區(qū)防洪任務艱巨。為了防御洪水,淮河上游地區(qū)建立了一定數量的水庫、行蓄洪區(qū)和分洪道,這些工程使用頻繁,使淮河洪水的傳播過程更加復雜[2-5]。

淮河流域不利的氣候和地形組合,使流域內洪澇災害頻繁發(fā)生。最近10年來,淮河流域降水量年際變化很大,旱澇交替出現。2001年,淮河流域發(fā)生四季連續(xù)干旱的大旱;2003年、2007年淮河發(fā)生流域性大洪水;2005年淮河干流上游及部分支流出現較大洪水[6-7]。關于淮河流域降雨方面,大多數是關于極值降雨的變化及分布研究[6]。有關淮河徑流的研究,主要包括氣候變化情景下徑流的預測[8-10],以及淮河流域近年來大洪水事件的氣象成因[11-12]等,有關淮河流域歷史徑流的統(tǒng)計分析及變化趨勢研究較少見。

由于人為因素及下墊面條件不均的影響,淮河上游地區(qū)降雨徑流規(guī)律變得更加復雜。本文將通過歷史資料對淮河上游地區(qū)降雨徑流情況進行分析,并對降雨徑流過程進行分布式月時段水文模擬。月模型適合長時間的水文模擬,更注重水平衡過程,并且對資料要求不高,易于應用[13]。該研究對淮河上游地區(qū)區(qū)域水文情勢的分析具有重要作用。

1 研究區(qū)域及數據

以淮河干流王家壩以上流域作為研究區(qū)域,應用ArcGIS處理90 m分辨率SRTM高程數據[14],提取流域信息,如圖1所示。王家壩以上流域總面積30672 km2。流域上有多座水庫,其中直接對王家壩徑流產生影響的是圖1所示的6座水庫。其中宿鴨湖水庫包括桂莊和夏屯2個出流點,故圖1中有7個水庫出流點。以上游水文站息縣、潢川、班臺和水庫出流點劃分子流域如圖1所示。流域的南部地區(qū)多為山地,匯流迅速,為山溪性河流。流域北部為平原性河流,與淮河干流息縣以上和淮南山區(qū)顯著不同。息縣、潢川、班臺以上集水面積分別為10232 km2、2050 km2、11280 km2。

應用1km分辨率2000年土地利用圖[15]對流域情況分析如表1所示。表中息縣、潢川、班臺指這些站點的上游集水面積流域,王家壩以上流域即是整個流域。從表中可以統(tǒng)計出息縣、潢川、班臺、王家壩以上流域的森林地覆蓋率分別為11.77%、19.31%、1.69%、5.90%,說明森林植被主要覆蓋于息縣和潢川以上的山區(qū)性地區(qū)。各流域的主要土地利用為農田。采用10 km分辨率1999年土壤類型圖[16]對流域土壤情況進行分析,結果列于表1中。從表1可以看出息縣、潢川以上流域多為黏壤土,而班臺以上流域多為沙壤土。搜集了流域內1985—2007年40個雨量站點的時段雨量資料,以及息縣、潢川、班臺、王家壩和各水庫出流點在汛期的徑流資料。搜集了流域內1961—2007年寶豐、駐馬店、信陽、阜陽4個氣象站點資料,包括日最高、最低及平均氣溫,風速,相對濕度及日照時數等。資料站點的分布如圖1所示。

2 模擬方法

采用SWAT模型對流域的降雨徑流過程進行月時段模擬。SWAT模型是由美國農業(yè)部農業(yè)研究中心開發(fā)的分布式流域水文模型,該模型可以在一個大型復雜的流域內,模擬或預測長期的降雨、土壤、土地利用和管理措施條件下對流域產流、產沙和化學污染物負荷的影響。SWAT模型中以水量平衡為基礎,模擬包括降雨、徑流、下滲、蒸發(fā)蒸騰、基流、壤中流等水文過程。模型中采用SCS徑流曲線數法對流域地表徑流量進行模擬,采用動力貯水方法計算壤中流,降水中超過土壤蓄水容量的水分補給地下含水層。蒸散發(fā)量的計算采用Penman-Monteith公式計算蒸發(fā)能力,在此基礎上計算實際蒸散發(fā),包括植物截留層植物散發(fā)以及土壤水蒸發(fā)。模型針對水文響應單元(HRU)計算匯流時間,再采用水力學公式分別計算坡面匯流和河道匯流,水庫匯流采用馬斯京根法[17]。

隨著計算機技術的迅猛發(fā)展,參數自動優(yōu)選方法得到了普遍應用,大大加快了參數優(yōu)選的速度,增加了模擬結果的客觀性和可信度。水文模型參數優(yōu)選一直是水文預報的重要內容,國內外研究較多的水文模型參數優(yōu)選方法主要有單純形法、SCE-UA、遺傳算法等。SWAT模型中參數自動校準采用SCE-UA數學算法[18]。參數校準有一個原則:先校準上游子流域的參數,當上游子流域的參數校準好后便不再改變,接著校準下游流域參數。因而這里先分別校準上游息縣、潢川、班臺子流域的參數,最后校準這些子流域至王家壩區(qū)間的參數。另外研究區(qū)的徑流資料有短缺,這里先用模型對整個徑流過程進行連續(xù)模擬,再對有實測資料的徑流值和模擬值之間采用上述方法進行模型校準,以觀測值和模擬值差值的平方和最小作為自動校準的目標函數。采用相對誤差δ、復相關系數R2和確定性系數DC作為模型適用性評價指標。

3 結果與討論

采用泰森多邊形插值法計算流域面雨量,得到1985—2007年各子流域及整個流域的月平均雨量變化過程如圖2所示。從圖2可以看出流域降水量從1月到7月迅速增加,然后從7月到12月迅速減小。流域年降水量的50%集中在6—8月。1985—2007年4—10月月平均徑流深變化過程如圖3所示。從圖2、圖3可以看出,潢川以上流域面雨量最大,徑流量也最大。潢川以上流域面積較小,且為山地地形流域,雨量較大的一個原因是山地對上升氣流的阻礙使雨量加大,而徑流量大的原因是山區(qū)地形使產流過程陡漲陡落,土壤對雨量的再分配作用比其他流域小。班臺流域徑流量最小,這是由于班臺以上流域地勢平緩,為平原區(qū)流域,洪水漲落都比較慢,土壤及河網對降水量的再分配作用比較明顯。計算得到息縣、潢川、班臺、王家壩以上流域4—10月的徑流系數分別為0.41、0.45、0.28、0.35,同樣說明息縣、潢川這樣的山地性流域產流效率要大于班臺流域及整個王家壩流域。各流域的降雨徑流年際變化線性趨勢如表2所示。其中班臺流域汛期徑流量的增加達到了0.05的信度檢驗。潢川流域雖然降雨量較其他流域大,但是其降雨量年變化反而呈減少趨勢。

降雨徑流的模擬計算中,根據敏感性分析結果,選定8個參數作為模型敏感參數,即河道有效導水率CH-K2、SCS徑流曲線系數CN2、土壤蒸發(fā)補償系數ESCO、地下水再蒸發(fā)系數GW-REVAP、回歸流產生時需要淺層蓄水中的初始水深GWQMN、再蒸發(fā)發(fā)生時淺層蓄水層水深REVAPM、土壤可利用水量比SOL-AWC、土壤飽和導水率SOL-K。這8個參數的取值范圍如下:CH-K2=0～150 mm/h,CN2=35～98,ESCO=0～1,GW-REVAP=0.02～0.2,GWQMN=0～5000 mm,REVAPM=0～500 mm,SOL-AWC=0～1,SOL-K=0～2000 mm/h。利用息縣、潢川、班臺、王家壩4個水文站1985—1998年月徑流實測數據,進行月尺度徑流校準。校準的模型參數值結果見表3。校準完成后,使用1999—2007年的徑流觀測數據進行驗證。圖4分別是各個測站觀測徑流與模擬徑流的比較。表4為各個測站徑流校準與驗證期間的評價系數值。

從表4中可以看出,息縣和潢川流域的模擬結果好于班臺流域,__________這是因為班臺以上流域有眾多水利工程設施,如板橋水庫、薄山水庫、宿鴨湖水庫、楊莊滯洪區(qū),以及很多行蓄洪區(qū)、閘門設施等。本模擬考慮到水庫放水對徑流的影響,而各種蓄、滯洪區(qū)設施的應用對徑流的影響無法考慮,故模擬效果較差。比較而言,息縣和潢川流域為山區(qū)地形流域,除了已經考慮的上游水庫,其他水利工程設施相對較少,降雨徑流關系比較有規(guī)律,故模擬結果較好。淮河上游地區(qū)人類活動對徑流過程的改變產生很大影響,特別是對于水利工程設施頻繁使用的流域,無法反映出天然降雨徑流的相關性過程。從各指標中發(fā)現整個王家壩徑流模擬過程達到一般標準水平。

4 結 語

通過分析淮河上游地區(qū)的降雨徑流規(guī)律,發(fā)現淮河上游50%的年降雨量集中在6—8月,故產生季節(jié)性洪水的風險較大?；茨仙絽^(qū)徑流系數大于淮北平原區(qū)徑流系數,故淮南地區(qū)降雨轉換為河道洪水的幾率較高,防范突發(fā)性大洪水的任務更加艱巨。采用分布式水文模型進行月徑流模擬,因受水利工程設施使用的影響,可以得到一般標準水平的模擬結果。本次所選擇的研究區(qū)屬于徑流資料短缺地區(qū),所以建立網格分布式模型充分反映下墊面的已知信息,彌補徑流資料短缺的不足之處,并且由降雨等資料驅動模型得到連續(xù)的徑流模擬過程,然后根據實測徑流部分進行模型參數的率定與檢驗。該模擬計算可為無資料地區(qū)或資料短缺地區(qū)的水文模擬提供一定的參考。

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Rainfall-runoff analysis and simulation for upstream area of Huaihe River

DENG Peng1,LI Zhijia2,GUO Yuan2,SUN Shanlei1
(1.College of Hydrometeorology,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China; 2.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to obtain information on the water regime of the Huaihe River Basin,the rainfall and runoff in the catchment upstream of the Wangjiaba sub-basin,in the main stream of the Huaihe River,were analyzed and simulated.Historical data from 1985 to 2007 in the basin were used for rainfall-runoff analysis.The distributed SWAT model was used for monthly rainfall-runoff simulation,and the SCE-UA algorithm was used for automatic calibration of parameters.The results show that 50%of annual rainfall was concentrated in the period from June to August.The mean monthly runoff and runoff coefficients of the Xixian and Huangchuan sub-basins in the southern mountainous area were higher than those of the Bantai sub-basin in the northern plain area.The determination coefficients of the simulation results of monthly runoff in the Xixian,Huangchuan,Bantai,and Wangjiaba subbasins were 0.77,0.81,0.69,and 0.80,respectively.The rainfall in the upstream area of the Huaihe River areas shows a significantly seasonal centrality.The characteristics of runoff of the southern mountainous area and northern plain area are different due to terrain difference.The water conservancy facilities have significant influence on the change of rainfall-runoff processes,resulting in the simulated results of the Bantai sub-basin being inferior to those of other sub-basins.The study area is a runoff data-deficient area,and the distributed hydrological model adequately reflects the given information of the underlying surface,which can offset this deficiency.

upstream area of Huaihe River;rainfall-runoff;hydrological simulation;distributed hydrological model

P339

:A

:1000-1980(2014)05-0377-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.05.001

2013-07 30

南京信息工程大學?？蒲袉淤M項目(20100407);江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目(PAPD);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(CXZZ12-0241)

鄧鵬(1983—),男,江蘇興化人,講師,博士,主要從事水文模型和水文氣象研究。E-mail:dp@nuist.edu.cn