退水曲線模型在金沙江流域枯期徑流預(yù)測中的應(yīng)用

任 化 準(zhǔn)

(大唐觀音巖水電開發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617012)

退水曲線模型在金沙江流域枯期徑流預(yù)測中的應(yīng)用

任 化 準(zhǔn)

(大唐觀音巖水電開發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617012)

分析了金沙江中游枯期徑流退水的規(guī)律性，采用最小二乘法對金沙江中游石鼓水文站枯期徑流樣本系列分別求取了退水系數(shù)，然后計算出平均值，得到最終退水曲線模型，并將該模型應(yīng)用于金沙江中游石鼓水文站2014、2015年枯期徑流退水過程預(yù)測，應(yīng)用結(jié)果表明：采用該方法所率定的退水曲線模型在石鼓水文站具有較好的適應(yīng)性，可在該流域推廣應(yīng)用。

退水曲線；金沙江；枯期徑流；最小二乘法

徑流的形成過程具有明顯的季節(jié)性特征，每年汛后都會經(jīng)過一個較長時間的枯水期，這種豐枯變化過程加深了水資源的供需矛盾，對流域水資源的規(guī)劃利用、供水安全及生態(tài)保護提出了更高的要求。在枯水期，這種供需矛盾表現(xiàn)得尤為突出，因此，有必要開展流域枯期徑流預(yù)報工作，量入為出，科學(xué)指導(dǎo)水資源的優(yōu)化利用。目前較常采用的枯期徑流預(yù)報方法主要有[1,2]：退水曲線法，多元線性回歸法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等?？萜趶搅鞯膩碓粗饕獮榱饔蜓雌谀┬钏暗叵滦钏饔蚯捌诮邓疀Q定了枯期流域河網(wǎng)蓄水及地下水蓄水量，若前期降水充沛，則整個流域蓄水量就大，在枯期其徑流得到蓄水的補給量亦較大，枯期降水除蒸發(fā)損失外，一部分匯入河網(wǎng)成為地表徑流，一部分下滲補給地下水[3]。由于枯水期流域降水少，其徑流過程呈現(xiàn)出穩(wěn)定的退水規(guī)律。退水曲線模型在枯期徑流預(yù)測中得到了廣泛的應(yīng)用。2010年，朱成濤等考慮退水系數(shù)隨時間變化特征建立了“基于隨時間變化退水系數(shù)的枯季徑流預(yù)測模型”并取得了較好的擬合效果。2013年，葛永學(xué)等分析了流域特性對退水系數(shù)影響的敏感性，并建立了“基于遺傳算法優(yōu)化退水系數(shù)的枯期徑流預(yù)報模型”，取得了較好的推廣價值[4]。

筆者在分析金沙江中游石鼓水文站枯期徑流系列特性的基礎(chǔ)上，選擇2006～2013年枯期退水過程，應(yīng)用最小二乘法率定退水系數(shù)，建立了枯期徑流預(yù)測的退水曲線模型，并將該模型應(yīng)用于金沙江中游石鼓站枯期徑流預(yù)測，應(yīng)用結(jié)果表明：該模型在石鼓水文站具有較好的適應(yīng)性，可在該流域推廣應(yīng)用。筆者介紹了具體的應(yīng)用過程。

1 流域概況

金沙江流域地跨十余個經(jīng)度及緯度，地形地貌極為復(fù)雜，氣候特征差異很大。直門達以上段地處青藏高原，多年平均降水量約為250～470mm，多年平均氣溫為-5 ℃～3 ℃之間，徑流來源以融雪為主。直門達以下至攀枝花河段降雨、氣溫的總趨勢由上游向下游遞增，奔子欄以上地區(qū)多年平均氣溫為6 ℃～10 ℃，多年平均降水量在500mm左右。以攀枝花附近華坪為例：多年平均氣溫為19.8 ℃，多年平均降水量為1 078.lmm。攀枝花以下河段，尤其是滇東北一帶，受地形和昆明靜止鋒及西南氣流的影響，大部分地區(qū)陰濕多雨，雨日較多。金沙江流域的暴雨比較小，在青藏高原區(qū)，由于其地勢高，山脈呈西北-東南走向，阻擋了加拉灣水汽的輸入，因而其降水量少，其一日的最大降水在大部分地區(qū)為40mm左右。流域內(nèi)橫斷山縱谷區(qū)最大一日降水由北向南遞增，大部分地區(qū)在50～100mm之間。寧蒗附近為一暴雨中心，一日實測最大暴雨為227.8mm。流域內(nèi)云貴高原區(qū)最大一日降水變化不大，一般在100～120mm之間。金沙江中、下游地區(qū)最大一日降水遠大于上游，其他時段的暴雨分布情況亦基本如此。從青藏高原至橫斷山脈，年平均蒸發(fā)量(口徑20cm蒸發(fā)器)大致為1 100～2 500mm，云貴高原區(qū)年平均蒸發(fā)量約為2 000～3 600mm。

金沙江流域的徑流與降水趨勢一致，從上游往下游逐漸增大。徑流年際之間的變化隨流域面積的增大而趨于相對穩(wěn)定。金沙江流域徑流年內(nèi)分配不均，汛期(6～10月)徑流占年徑流的比重呈上游大、中下游小，上游沱沱河站汛期 6～10月的徑流占年徑流的 91.04%，直門達站占全年的 81.5%，比較集中，而其中下游的石鼓、金江街、攀枝花、華彈、屏山各站汛期 (6～10 月)徑流所占年徑流的比重在 74.1%～75.9%范圍內(nèi)變化。

2 枯期徑流特性分析

金沙江中游枯期受青藏高原南支西風(fēng)環(huán)流的影響，天氣晴朗、干燥，降雨少?？菟趶?1月至次年5月，枯期徑流量約占年徑流總量的25%，最枯的2～4月僅占年徑流總量的7%左右?？菁緩搅髯兓骄彛^為穩(wěn)定且呈現(xiàn)明顯的退水規(guī)律[5,6](圖1)。

圖1 2005～2015年石鼓站徑流過程線圖

從圖 1中可以發(fā)現(xiàn)，金沙江中游流域退水期的退水過程具有明顯的規(guī)律性。石鼓水文站歷年徑流過程資料顯示：金沙江中游枯期降水很少，徑流主要由壤中流和地下徑流組成，從10月開始退水至次年 4 月，且不同年份退水趨勢十分接近。4月份流域降水逐漸增加且氣溫呈逐漸上升趨勢，由于降水及冰川融雪產(chǎn)流的增加，流域逐步開始漲水。石鼓水文站枯期徑流過程呈現(xiàn)的上述明顯規(guī)律性為筆者文中采用的退水曲線模型適應(yīng)性提供了有力依據(jù)。

3 退水曲線原理

退水曲線為流域蓄水消退曲線，筆者在文中采用的是經(jīng)典退水曲線(式1)：

Qt=Q0e-βt

(1)

式中 Q0為退水開始時的流量，m3/s；Qt為退水開始后時段t的流量，m3/s；β為退水系數(shù)。從式(1)中不難發(fā)現(xiàn)；只要知道Q0和β值，就能應(yīng)用退水曲線公式推求任意時段的流量Qt。將式(1)變形得到式(2)：

lnQt=lnQ0-βt

(2)

推求β的方法主要有：

② 由若干個lnQt點繪lnQt～t圖，其直線斜率即為β。

③ 根據(jù)式(2)可知：lnQt與lnQ0及時間t為線性關(guān)系。為了反映整個樣本的特性，筆者根據(jù)實測徑流資料，采用最小二乘法估算β。

4 應(yīng)用實例

石鼓水文站是金沙江中游梯級水電站入庫徑流控制站，其水文信息的準(zhǔn)確性對科學(xué)指導(dǎo)金沙江中游梯級水庫的安全、經(jīng)濟運行、發(fā)電、防洪調(diào)度決策作用顯著，因此，有必要開展石鼓水文站徑流預(yù)報研究工作。

由于金沙江中游枯期徑流過程呈現(xiàn)明顯的退水規(guī)律性，因此，筆者選取石鼓水文站2006～2014年枯期日徑流時間序列建立模型，其中選取2006～2013年枯期徑流資料進行模型參數(shù)率定，采用2014、2015年的枯期日徑流時間序列檢驗?zāi)Ｐ?。?yīng)用所選取的枯期徑流序列，分別對模擬樣本歷年枯期退水徑流過程應(yīng)用最小二乘法得到模型退水系數(shù)，然后求其平均值，該值即為模型的退水系數(shù)(表1)。

表1 樣本各年份退水曲線β值表

將所得β平均值代入式(2)，得到最終退水曲線模型(式3)：

Qt=Q0e-0.018 1t

(3)

應(yīng)用所得到的退水曲線模型分別對2014、2015年枯期退水過程進行預(yù)測，其結(jié)果見圖2、3。

圖2 2014年退水過程擬合曲線圖

圖3 2015年退水過程擬合曲線圖

5 結(jié) 語

(1) 圖2、3擬合曲線結(jié)果顯示，退水曲線模型在石鼓站2014、2015年枯期退水過程模擬預(yù)測中擬合效果較好。

(2) 實例應(yīng)用表明：筆者在文中所采用的、以各年份枯期退水徑流過程應(yīng)用最小二乘法得到各年份模型退水系數(shù)，然后求其平均值，即為模型退水系數(shù)的方法，其在退水曲線模型參數(shù)估計中適應(yīng)性較好，可推廣應(yīng)用。

(3)金沙江中游枯水期受青藏高原南支西風(fēng)環(huán)流的影響，降水少，徑流主要由壤中流和地下徑流組成，退水過程規(guī)律性明顯。筆者采用的退水曲線模型計算簡單，擬合效果好，可為金沙江中游流域枯期徑流預(yù)測提供參考。

[1] 王麗學(xué),楊 軍，等. 基于灰色系統(tǒng)與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中長期水文預(yù)報[J]. 人民長江, 2015, 46(17): 15-17.

[2] 王 琪, 張亭亭. 基于多元回復(fù)分析的大伙房水庫徑流中長期預(yù)報[J]. 水力發(fā)電, 2014, 40(5): 17-20.

[3] 朱成濤,蹇德平，等. 基于隨時間變化退水系數(shù)的枯季預(yù)報方法研究[J]. 人民長江, 2010, 41(3): 31-33.

[4] 葛永學(xué),江 濤，等. 西江枯季徑流退水系數(shù)與流域特征關(guān)系研究[J].水文, 2014, 34(1):72-76.

[5] 李武階, 王繼竹, 郭英蓮,等. 金沙江中下游流域面雨量特征分析 [J]. 長江流域資源與環(huán)境 , 2014, 23(6):846-853.

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(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-10

TV7;TV121;[TV

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1001-2184(2017)01-0088-03

任化準(zhǔn)(1985-)，男，四川綿陽人，工程師，碩士，從事水文預(yù)報及水庫調(diào)度工作.