分布式流域水文模型在溫黃平原的應(yīng)用

戴香琳，陳 芬，曾鋼鋒

(臺州市水利水電勘測設(shè)計院，浙江 臺州 318000)

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分布式流域水文模型在溫黃平原的應(yīng)用

戴香琳，陳 芬，曾鋼鋒

(臺州市水利水電勘測設(shè)計院，浙江 臺州 318000)

針對溫黃平原產(chǎn)匯流特點，提出不同下墊面降雨、徑流時空轉(zhuǎn)化的分布式流域水文模型，平原區(qū)按水面、旱地、水田和城鎮(zhèn)屬性計算產(chǎn)流、按經(jīng)驗匯流曲線計算匯流，山丘區(qū)采用新安江模型、馬斯京根法計算產(chǎn)匯流。率定與驗證洪水模擬應(yīng)用實例表明，提出的分布式流域水文模型能夠為平原河網(wǎng)水動力模型提供精度較高的流量邊界條件。

分布式水文模型；溫黃平原；降雨徑流；產(chǎn)匯流

沿海平原河網(wǎng)區(qū)地勢平坦，河湖串聯(lián)，其洪水受上游山丘區(qū)來水、當(dāng)?shù)亟涤?、下游頂?如河口潮汐頂托、臺風(fēng)增水頂托等)和人類活動等綜合影響，產(chǎn)匯流機制復(fù)雜。通過建立全流域水文水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，選取平原區(qū)水位站作為控制斷面，以計算水位與實測水位的擬合進行模型的率定驗證。

在陸地水循環(huán)中，水的遷移轉(zhuǎn)化受地形、地貌與下墊面等影響，不同地區(qū)的產(chǎn)匯流規(guī)律是不同的，研究方法與手段需要有針對性。本文探討反映溫黃平原河網(wǎng)和山丘區(qū)產(chǎn)匯流特征的模擬計算方法，以0509號“麥莎”臺風(fēng)、“20090929”短歷時暴雨過程為率定和驗證洪水，檢驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的合理性和參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 研究區(qū)域和模型原理

1.1 研究區(qū)域概況

溫黃平原位于浙江省的椒江及靈江干流以南，樂清灣以北，東部和東南部瀕臨東海，總面積約2 358 km2，其中山丘區(qū)、平原區(qū)各占1/2，區(qū)域內(nèi)有永寧江和金清2大重要水系，河道全長4 352 km，水域總面積78.09 km2，多年平均降雨量1 683 mm，雨量多集中在4—9月，階段雨量占全年雨量的70%～80%，多年平均水資源量22.07億m3，產(chǎn)水系數(shù)0.56，產(chǎn)水模數(shù)93.6萬m3/km2。

1.2 模型的構(gòu)建與輸入

流域降雨推求流域出口的河川徑流的模擬主要分為產(chǎn)流與匯流2部分。產(chǎn)流過程是指降雨經(jīng)過扣損變成凈雨，匯流過程是指各分區(qū)凈雨匯集到出口控制斷面或排入河網(wǎng)。溫黃平原水文模型中，平原區(qū)降雨產(chǎn)流按水面、旱地、水田和城鎮(zhèn)4類下墊面分別計算、匯流按經(jīng)驗匯流曲線計算；山丘區(qū)產(chǎn)流采用河海大學(xué)趙人俊等人開發(fā)研制的新安江模型計算，匯流采用麥克錫于1938年提出的馬斯京根法計算。

1.2.1 平原區(qū)產(chǎn)匯流模型

針對下墊面的空間分布差別較大，根據(jù)現(xiàn)有的資料條件，平原區(qū)產(chǎn)流模型將流域平原區(qū)下墊面分為水面、旱地、水田、城鎮(zhèn)4類，分別采用各自的產(chǎn)流模型進行產(chǎn)流模擬。各水利分區(qū)的產(chǎn)流量為分區(qū)內(nèi)各種下墊面產(chǎn)流量的加權(quán)平均，即：

R=f1RW+f2RR+f3RL+f4RC

(1)

式中：R為水利分區(qū)產(chǎn)流量(mm)；RW，RR，RL，RC為水面、水田、旱地及城鎮(zhèn)產(chǎn)流量(mm)；f1，f2，f3，f4為水面、水田、旱地及城鎮(zhèn)面積的比例。

利用概化河道、水閘等分割平原區(qū)河網(wǎng)多邊形，并進行柵格化，每個網(wǎng)格采用最短流程法來實現(xiàn)產(chǎn)水空間分配，并采用經(jīng)驗匯流曲線模擬產(chǎn)水時間分配。

1.2.2 山丘區(qū)產(chǎn)匯流模型

溫黃平原山丘區(qū)屬濕潤地區(qū)，流域內(nèi)植被良好，植物根系發(fā)達，存在質(zhì)地疏松的腐殖層，包氣帶只在20～30 cm范圍內(nèi)缺水，缺水量不過30～50 mm，土壤水很容易達到田間持水量，產(chǎn)流方式主要是蓄滿產(chǎn)流，可以用三水源、三層蒸發(fā)模式的新安江模型來模擬產(chǎn)流過程，再采用馬斯京根法進行分區(qū)出口以下河道的洪水演算，求得匯入平原河網(wǎng)的流量過程。

1.2.3 模型的輸入與計算

雨量及蒸發(fā)過程作為水文產(chǎn)匯流模型的輸入，用于計算區(qū)域的降雨產(chǎn)流過程，以流量作為水文模型的輸出，與沿江沿海潮位一起作為水動力模型的上下邊界條件，將平原區(qū)河網(wǎng)概化后的一維河網(wǎng)、零維調(diào)蓄區(qū)和堰壩工程單元，運用水量平衡方程原理，采用圣維南方程組求解河道水位。

2 率定與驗證

將溫黃平原流域按自然流域劃分成10個平原區(qū)、39個山丘區(qū)，采用海門、路橋、長潭水庫、溫嶺等13個雨量站以及長潭水庫、金清閘等蒸發(fā)站的資料，將時段雨量、蒸發(fā)數(shù)據(jù)輸入溫黃平原水利計算模型，選取西江閘、路橋、溫嶺等12個代表點作為水位擬合對象(見圖1～2)。

圖1 平原區(qū)分區(qū)圖

圖2 山丘區(qū)分區(qū)圖

2.1 0509號“麥莎”臺風(fēng)

0509號“麥莎”臺風(fēng)于8月6日凌晨在玉環(huán)縣干江鎮(zhèn)登陸，此次臺風(fēng)是一次典型的風(fēng)、雨、潮 “三碰頭”。溫黃平原普降大暴雨，永寧江水系三日面雨量達406.3 mm，其重現(xiàn)期大于10 a一遇；金清水系三日面雨量達244.7 mm，其重現(xiàn)期約為5 a一遇。受天文大潮汛制約，河網(wǎng)排澇不利，致使溫黃平原長時間被洪水淹沒。期間0509號“麥莎”臺風(fēng)各站點計算水位過程與實測水位過程驗證見圖3。

圖3a 西江閘上洪水過程圖

圖3b 路橋洪水過程圖

圖3c 麻車橋洪水過程圖

圖3d 大溪洪水過程圖

圖3e 溫嶺洪水過程圖

圖3f 金清閘洪水過程圖

2.2 “20090929”短歷時暴雨

該次降雨從9月28日08時開始，至10月1日06時結(jié)束。溫黃平原各縣(市、區(qū))面平均降雨量分別為：黃巖208 mm、路橋288 mm、椒江188 mm、溫嶺348 mm。各主要水位站點中，路橋站最高水位為3.11 m，溫嶺站最高水位為3.27 m，黃巖西江閘站最高水位為3.58 m。期間“20090929”暴雨各站點計算水位過程與實測水位過程驗證見圖4。

圖4a 路橋洪水過程圖

圖4b 麻車橋洪水過程圖

圖4c 澤國洪水過程圖

圖4d 溫嶺洪水過程圖

圖4e 金清閘洪水過程圖

3 模型評價

3.1 0509“麥莎”臺風(fēng)計算成果

定性地從圖3中可以看出，各站點實測水位過程線與模型計算過程線吻合良好，成果較為滿意。依據(jù)SL 250—2000《水文情報預(yù)報》中洪水預(yù)報成果的評價方法，選用絕對誤差與確定系數(shù)2項指標(biāo)，定量地對本次洪水計算過程進行評價(見表1)。

表1 0509“麥莎”雨洪過程各驗證點確定性系數(shù)與誤差表

序號站點實測/m計算/m誤差/m確定性系數(shù)1黃沙閘上3.673.61-0.060.962黃沙閘下3.643.62-0.020.973山頭涇閘上3.273.320.050.90

續(xù)表1

在確定系數(shù)方面，除西江閘上外，其他站點基本在0.90左右，說明模型計算過程線與實測過程線的吻合程度較好。西江閘過程線主要是洪峰過后的水位降落段計算與實測有一定的偏差，這種偏離一方面來源于資料的精度，另一方面也與模型中西江閘的調(diào)度方式與實際的調(diào)度方式的差別有關(guān)。

在最高水位的絕對誤差方面，除路橋站誤差稍大外，其他各站誤差均較小，但均在0.10 m以內(nèi)。

3.2 “0929”短歷時暴雨計算成果

從圖4中可以看出，各站點實測水位過程線整體擬合較好，洪水退水段計算成果與實測數(shù)據(jù)稍有偏離。定量指標(biāo)見表2，在確定系數(shù)方面，除山頭涇閘外，其他站點基本在0.90左右，說明模型計算過程線與實測過程線的吻合程度較好。

山頭涇閘確定性系數(shù)較低，從過程線上看，計算高水位出現(xiàn)時間與實測存在一定的誤差，實際上，對于溫黃平原閘控河道水系，高水位的出現(xiàn)一方面與降雨有關(guān)，另一方面直接與閘的調(diào)度相關(guān)，計算高水位出現(xiàn)時間晚于實測高水位時間，并且計算水位值低于實測值，這與該閘的調(diào)度控運相關(guān)，可能的原因是模型設(shè)定的控運方式、控制水位與該場洪水實際的調(diào)度方式存在一定的差別，開閘較早、時間較長、計算水位并未上漲到實測的高水位。

在最高水位絕對誤差方面，除溫嶺、山頭涇閘外，別的驗證站點誤差均較小。其中溫嶺的誤差是系統(tǒng)性的，可能與地形變化、零維要素設(shè)置合理性有關(guān)，山頭涇閘的問題可能與控運調(diào)度直接相關(guān)。

表2 “0929”短歷時暴雨各驗證點確定性系數(shù)與誤差表

序號站點實測/m計算/m誤差/m確定性系數(shù)1黃沙閘上3.463.39-0.070.932黃沙閘下3.463.37-0.090.943山頭涇閘上3.092.90-0.190.724壩頭閘下3.223.16-0.070.966椒江石柱2.782.77-0.010.867路橋3.083.150.070.968麻車橋2.972.90-0.070.969澤國3.012.97-0.040.9610大溪3.143.150.010.9511溫嶺3.233.430.200.8812金清閘2.452.440.060.87

4 結(jié) 語

運用平原區(qū)和山丘區(qū)產(chǎn)匯流模型在溫黃平原水利計算模型進行了2005年“麥莎”臺風(fēng)、“20090929”短歷時暴雨過程水位過程的模擬，從模擬的精度來看，代表站水位過程的確定性系數(shù)均在0.8以上，模擬的精度較高，達到了預(yù)期目標(biāo)。

溫黃平原水利計算模型中水文模型都是基于已有研究成果，概念清楚，結(jié)構(gòu)簡單，模型的參數(shù)決定于流域的氣候、地質(zhì)、地貌、土壤、植被等自然條件，因此是有地區(qū)規(guī)律的。直接根據(jù)流域的自然條件來確定模型的參數(shù)已有一些研究，如WM、UM、DM、B、C等這些參數(shù)都給出了地區(qū)的大致取值范圍[1-4]。但是對于新安江模型的匯流參數(shù)如CS (河網(wǎng)水流消退系數(shù))、馬斯京根參數(shù)與下墊面的關(guān)系研究較少。由于資料限制，許多流域信息、特征、地理信息特征無法準(zhǔn)確獲得和使用，使得對于水文模型與流域下墊面之間的關(guān)系研究較少。根據(jù)溫黃平原水文模型構(gòu)建和模擬的經(jīng)驗，所運用的方法和模型結(jié)構(gòu)有利于實際應(yīng)用，但應(yīng)在進一步研究過程中注重利用3S、DEM等精確描述流域相應(yīng)的空間變異性資料，從而加強模型的物理基礎(chǔ)與可靠性；另一方面，針對溫黃平原水環(huán)境現(xiàn)狀，也要繼續(xù)研究水質(zhì)、水溫、水生植物等對產(chǎn)匯流過程，尤其是蒸發(fā)過程的影響等。

[1]趙人?。饔蛩哪M—新安江模型與陜北模型[M]．北京：水利電力出版社，1984．

[2]趙人?。饔騾R流模型的探討[C]//趙人俊.水文預(yù)報文集．北京：水利電力出版社，1994：150-154.

[3]趙人俊，王佩蘭．新安江模型參數(shù)分析[J]．水文，1988(6)：2-9．

[4]趙人俊，王佩蘭，胡鳳彬．新安江模型的根據(jù)及模型參數(shù)與自然條件的關(guān)系[J]．河海大學(xué)學(xué)報，1992，20(1)：52-59．

(責(zé)任編輯 郎忘憂)

2015-01-26

戴香琳(1983-)，女，工程師，大學(xué)本科，主要從事水文水利計算。

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