降水時空變異性對遼寧西部洪水模擬精度影響的定量評估研究

師戰(zhàn)偉

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039)

區(qū)域降水時空分布呈現(xiàn)非均勻性，而降水時空分布的不均性將對區(qū)域洪水模擬精度產(chǎn)生最為直接的影響，為此需要對降水時空變異性對區(qū)域洪水精度影響進行定量評估，從而提高區(qū)域洪水模擬精度的影響。當前，國內(nèi)學者大都集中于降水時間變化對區(qū)域洪水模擬影響的定量評估[1- 5]，對于降雨空間變異性對區(qū)域洪水模擬研究還較少，特別是在遼寧西部地區(qū)還未進行相關研究，而遼寧西部區(qū)域降水時空分布十分不均勻，使得區(qū)域洪水模擬精度較低，為此需要定量評估降水時空變異性對遼寧西部洪水模擬精度的影響。為此本文引入在遼寧西部運用較為成熟的非飽和產(chǎn)流模型[6- 9]，并結合單位線匯流方法，分別分析靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)下區(qū)域降水時空變異性對洪水模擬精度的影響。研究成果可為遼寧西部洪水模擬提供降水時空尺度的選擇方案。

1 研究方法

本文采用在遼寧西部應用較為成熟的遼寧非飽和產(chǎn)流模型，該模型主要依據(jù)超滲計算原理，對于超滲產(chǎn)流區(qū)，采用遼寧非飽和模型計算。流域蓄水容量曲線如下。

(1)

式中，F(xiàn)0—產(chǎn)流面積，km2；F—流域面積，km2；β—流域參數(shù)；f—下滲率；P—降雨量，mm。據(jù)此，可推求時段產(chǎn)流量。

(2)

(3)

匯流計算采用綜合單位線法。單位線受氣候、下墊面及流域幾何特征的影響。其中，下墊面因素直接反應在經(jīng)驗公式里，幾何特征則是向無資料地區(qū)外延的參數(shù)。研究以峰值qm與上漲歷時tn作為單位線的表征，并與流域幾何特征參數(shù)進行綜合。對于遼寧省，單位線峰值與流域面積F、河道平均坡度J、河長L、流域形狀系數(shù)密切相關；單位線上漲歷時是的函數(shù)。1h單位線峰值、上漲歷時與流域幾何特性的關系為：

qm=DMg (4)

tn=AGb

(5)

式中，D、g、A，b—相關線的截距于斜率。

M=J0.25f0.5F

(6)

G=LJ-0.5

(7)

時段單位線計算時，先按綜合經(jīng)驗單位線法確定其峰值及上漲歷時，通過變化求得參數(shù)n、k和瞬時單位線，最后通過S(t)曲線轉化為任意時段單位線。

n=P+1

(8)

K=1/(P/tn)=tn/P

(9)

式中，n、k、p—單位線參數(shù)；tn—上漲歷時，h。

本文分別采用動態(tài)和靜態(tài)參數(shù)分析降水時空變異對洪水模擬精度的影響，其中在分析降水空間變異對洪水模擬精度影響時，建立了研究區(qū)域柵格水文模型，結合地理信息空間插值方法將降水數(shù)據(jù)插值到每個柵格中，各柵格采用同一組參數(shù)進行洪水模擬。

2 降雨時空變異對徑流過程影響

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域集水面積為352km2，區(qū)域內(nèi)有6個降水站點，研究區(qū)多年平均降水量為600～800mm，屬于干旱半干旱區(qū)域，本文分別結合不同降水時間和空間尺度，結合遼寧非飽和產(chǎn)流模型，定量評估分析降水時空變異對區(qū)域洪水模擬精度的影響。

2.2 降水時間變異性對流域洪水模擬影響定量評價

2.2.1靜態(tài)參數(shù)下的降水時間變異對洪水模擬精度的影響

為分析靜態(tài)參數(shù)(不同洪水采用同一組模型參數(shù))降水時間尺度變化對區(qū)域洪水模擬精度的影響，結合區(qū)域內(nèi)2場典型大洪水，分析靜態(tài)參數(shù)下降水時間變異對區(qū)域洪水模擬精度的影響，評估結果見表1，并繪制了典型洪水不同時間尺度的洪水過程對比結果，對比結果如圖1所示。

從表1可以看出，在靜態(tài)參數(shù)下隨著降水時間尺度的縮短，其洪峰和洪量計算誤差減少較為明顯，隨著降水時間尺度逐步遞減，區(qū)域洪量和洪峰計算誤差的遞減率均值分別為-8.99%和-5.85%，但對洪水過程(峰現(xiàn)時間、確定性系數(shù))影響程度較小，這主要是降水時間尺度越短，單位線時段轉換的時間縮短，因而對其洪峰和洪量影響較大。從圖1中選取的典型洪水各時段過程對比結果也可以看出，各時間段洪水過程變化差異較大，但是隨著降水時間尺度的縮短，洪峰和洪量的計算偏差都有較為明顯的減小。

2.2.2動態(tài)參數(shù)下的降水時間變異對洪水過程影響

在靜態(tài)參數(shù)分析的基礎上，采用動態(tài)參數(shù)(不同降水時間尺度采用不同參數(shù))定量分析動態(tài)參數(shù)下降水時間變異對洪水過程的影響，模型動態(tài)參數(shù)設置結果見表2，各時間尺度下洪水對比結果見表3。

表2 遼寧非飽和產(chǎn)流模型動態(tài)參數(shù)設置結果

圖1 靜態(tài)參數(shù)下#20130722典型洪水不同降水時間尺度洪水過程對比

洪水編號201108052014072620150722時間分辨率1h5h7h1h5h7h1h5h7h確定性系數(shù)0.7540.5290.5150.8530.6430.5940.7870.5520.513洪峰誤差/%8.956.546.2110.219.459.157.597.216.48峰現(xiàn)時間誤差/h0-1-1222-1-10洪量誤差/%-10.12-9.75-8.47-11.23-10.11-9.21-9.35-8.49-7.95

從表3可以看出，在動態(tài)參數(shù)下，降水時間變異性對洪水過程影響程度較低，各洪水過程下，洪峰和洪量計算誤差隨降水時間縮短，其遞減幅度均值分別為-1.64%和-1.68%，在動態(tài)參數(shù)下，降水時間變異性對研究區(qū)域洪水模擬精度影響較小。這主要是因為動態(tài)參數(shù)下，綜合考慮了降水時間變異性對洪水模擬的影響，因而在動態(tài)參數(shù)下降水時間變異對洪水模擬精度影響程度較低。

3 降水空間變異性對洪水模擬影響定量評價

在分析降水時間變異的基礎上，建立基于柵格尺度的遼寧非飽和產(chǎn)流模型，定量分析靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)下不同空間分辨率(柵格大小)降雨數(shù)據(jù)對洪水模擬精度的影響，分析結果見表4、5。

從表4、5中可以看出，在靜態(tài)參數(shù)下，隨著降水空間分辨率的遞減，其洪量和洪峰計算誤差都有較為明顯的縮減，隨著降水空間分辨率的逐級變化，變幅均值分別達到7.94%和9.44%，而在動態(tài)參數(shù)下，洪量和洪峰計算誤差變幅較小，分別為2.49%和2.46%，這主要是因為在靜態(tài)參數(shù)下，隨著降水空間分辨率的精確，降水在空間上的差異

表4 靜態(tài)參數(shù)下降水空間變異性對洪水模擬精度的影響結果

表5 動態(tài)參數(shù)下降水空間變異性對洪水模擬精度的影響結果

性得到減小，因為提高了洪水模擬的精度。而在動態(tài)參數(shù)下，由于考慮了參數(shù)的優(yōu)化性，削減了降水空間變異對洪水模擬精度的影響，使得在動態(tài)參數(shù)下，洪水模擬精度影響程度較低。

4 結語

本文結合遼寧非飽和產(chǎn)流模型，對遼寧西部某區(qū)域降水時空變異對洪水模擬精度影響進行定量評估，評估取得以下結論。

(1)靜態(tài)參數(shù)下，降水時空變異性對洪峰和洪量誤差影響程度明顯，但對洪水過程如峰現(xiàn)時間誤差和過程擬合度影響較低。

(2)動態(tài)參數(shù)下，由于綜合考慮參數(shù)優(yōu)化性，降水時空變異對洪水模擬精度影響較低，因此應著重考慮靜態(tài)參數(shù)下降水時空變異性對洪峰模擬精度的影響。

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