遼寧省中小流域徑流模擬研究

(遼寧水利土木工程咨詢(xún)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

遼寧省位于我國(guó)東北地區(qū)的南部不僅是我國(guó)重要的老工業(yè)基地，而且屬于東北地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域[1]。占地面積14.8萬(wàn) km2下設(shè)14個(gè)省轄市、2個(gè)省管縣，地形地貌在東、西兩側(cè)以山地丘陵為主海拔約500～800 m，中部為遼河平原區(qū)海拔約200 m整體向渤海呈馬蹄形傾斜。遼東半島東臨黃海，西接渤海近海水面積約6.4萬(wàn) km，陸地海岸線全長(zhǎng)2 292 km位居全國(guó)第5，并占全國(guó)海岸線12%；屬于大陸性季風(fēng)氣候，冬冷漫長(zhǎng)，夏熱多雨，全年降雨量為600～1 100 mm之間，降雨量和徑流量分布不均勻，東部山地丘陵區(qū)降雨量較為充足。年均130～200 d為無(wú)霜期，年均氣溫7℃～11℃并且受季風(fēng)氣候影響各區(qū)域溫差較大，自西南向東北方向呈遞減趨勢(shì)[2]。

遼寧省地形地貌結(jié)構(gòu)復(fù)雜主要是以山地、丘陵地和平原區(qū)為主，受自然環(huán)境及人類(lèi)活動(dòng)等因素影響該區(qū)域汛期發(fā)生泥石流、洪水、山體滑坡等災(zāi)害頻繁。目前，統(tǒng)計(jì)分析法和水文模型為徑流模擬的主要方法，其中統(tǒng)計(jì)分析法是以水文過(guò)程數(shù)據(jù)資料為依據(jù)，其往往受研究區(qū)域歷史系列完整性和地域性特征準(zhǔn)確性的作用影響，致使徑流模擬結(jié)果與實(shí)際過(guò)程存在較大偏差；水文模型法在考慮了水文過(guò)程的基礎(chǔ)上通過(guò)構(gòu)建模型進(jìn)行徑流模擬的方法主要有HBV模型、新安江模型、TopModel模型等，該方法在眾多流域中已得到較為廣泛推廣和應(yīng)用。據(jù)此，本文結(jié)合遼寧省中小流域特征利用參數(shù)較少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的SCS模型對(duì)大凌河流域的降雨徑流進(jìn)行模擬，并以牤牛河、細(xì)河、清河3個(gè)典型的小流域?yàn)槔?yàn)證了模型的可行性與準(zhǔn)確性[3]。

1 數(shù)據(jù)資料與方法

1.1 區(qū)域概況

本文選擇大凌河流域數(shù)據(jù)資料較好的中小流域牤牛河、細(xì)河、清河為研究對(duì)象，主要徑流建平縣、北票市、義縣、阜蒙縣等區(qū)域，各支流縱橫交錯(cuò)為生活用水以及工農(nóng)業(yè)用水的主要來(lái)源之一。屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，在年內(nèi)和年際范圍內(nèi)水文要素變化較大且降水量在時(shí)空分布上極不均衡，6～9月為該區(qū)域降雨旺季其降水量占全年的60.5%以上，大凌河流域?yàn)榈湫偷纳胶橐装l(fā)多發(fā)區(qū)并存在明顯的豐枯交替性，年降水量約為450～600 mm且存在較為明顯的年際變化特性，歷史徑流量均值為3.286億 m3，年平均溫度為8.5℃～12.7 ℃。流域以低丘陵區(qū)為主，山坡陡峭，山體坡度在20°～32°之間，地勢(shì)起伏較大相對(duì)高差約720.15 m，流域內(nèi)地勢(shì)結(jié)構(gòu)由南至北逐漸降低，土壤類(lèi)型有水稻土、褐土和草甸土，地質(zhì)巖層屬性以石英砂巖、泥巖和頁(yè)巖為主。本文所選水文站點(diǎn)及中小流域詳細(xì)資料如表1所示。

表1 大凌河中小流域數(shù)據(jù)資料概況

1.2 研究方法

本文針對(duì)大凌河3個(gè)中小流域特征采用分辨率為1 km×1 km的DEM數(shù)據(jù)，然后根據(jù)DEM數(shù)據(jù)的洼地實(shí)際狀況利用Arc Tool box中水文分析模塊進(jìn)行填充得到無(wú)洼地的數(shù)據(jù)。結(jié)合DEM完整數(shù)據(jù)對(duì)水流方向利用最大坡度單流向法進(jìn)行確定并依次得到河網(wǎng)水系數(shù)據(jù)和河流匯流累計(jì)量，最后對(duì)河流邊界采用矢量法確定[4]。

SCS模型是以防洪工程和土壤保持工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)由美國(guó)土壤保持局針對(duì)小流域洪水設(shè)計(jì)而研發(fā)的一種用于洪峰流量和徑流估算的方法，其中水量平衡方程、以及條件假定是SCS模型進(jìn)行徑流量預(yù)測(cè)分析的前提條件，實(shí)際徑流量Q、潛在蓄水能力S、最佳徑流量P、初損的作用關(guān)系應(yīng)滿足下述計(jì)算公式

P=Ia+F+Q

(1)

(2)

Ia=λS0

(3)

SCS模型的初損率λ標(biāo)準(zhǔn)值通常為0.2，則由上述公式可得地表徑流量Q計(jì)算公式：

(4)

上述公式中：Q為地表徑流實(shí)測(cè)值，通常采用次降雨徑流深度表征，mm；P、F分別為次降雨量和累計(jì)入滲量，mm；S為流域最大蓄水能力，量綱介于0～100之間，mm；Ia、λ分別為初損量和初損率，mm；

CSC模型規(guī)定最大蓄水能力S與徑流曲線數(shù)CN應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

(5)

結(jié)合遼寧省大凌河流域特殊的氣候條件和下墊面特性需對(duì)SCS模型進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式和參數(shù)率定的重新調(diào)整，為了最大限度的利用已有研究成果和相關(guān)條件，并反映徑流量空間變化特征，本文對(duì)SCS模型的徑流計(jì)算方法采用兩個(gè)參數(shù)即系統(tǒng)偏差系數(shù)k和初損比例m進(jìn)行調(diào)整，并且所引入的參數(shù)可通過(guò)SCS模型參數(shù)率定和構(gòu)建過(guò)程獲取[5-6]。

2 模型的應(yīng)用

本研究結(jié)合大凌河流域降雨蒸散發(fā)以及下墊面條件數(shù)據(jù)資料對(duì)面降雨量利用泰森多邊形插值法進(jìn)行求解和確定，并對(duì)北漂水文站2005～2015年的降雨量徑流過(guò)程采用改進(jìn)的SCS模型進(jìn)行模擬分析，其中用于模型參數(shù)率定的氣象水文觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于2005～2011年，而用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)的適用性及模擬效果的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于2012～2016年[7-9]。

2.1 參數(shù)率定

利用改進(jìn)的SCS模型對(duì)2005～2011年的6場(chǎng)典型的降雨徑流過(guò)程進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如表2所示。

表2 大凌河流域率定期6場(chǎng)次降雨徑流模擬

納什系數(shù)NSCE也成為模擬結(jié)果確定性系數(shù)可按下述公式進(jìn)行求解：

(6)

實(shí)測(cè)徑流量與徑流模擬結(jié)果之間的貼近程度可采用納什系數(shù)NSCE進(jìn)行表征和反映，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和有關(guān)研究成果可知，模擬結(jié)果精度分別為甲級(jí)和乙級(jí)時(shí)NSCE系數(shù)取值范圍為大于0.90和0.7～0.9區(qū)間。按照此等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，在大凌河中小流域中改進(jìn)的SCS模型其降雨徑流模擬效果良好，納什系數(shù)NSCE在率定期，各場(chǎng)洪徑流模擬結(jié)果值均高于0.80，其最大值可達(dá)到0.86，由此表明改進(jìn)的模型具有良好的準(zhǔn)確性與適用性，可用于對(duì)降雨徑流模擬分析。

對(duì)徑流曲線數(shù)CN采用漸近線法進(jìn)行確定，漸近線法是利用相同重現(xiàn)期的頻率對(duì)自變量和因變量進(jìn)行匹配，并確定自變量理論值的一種高等數(shù)學(xué)極值法。該方法由D.H. Hawkiins基于前期土壤濕度提出的應(yīng)用于SCS模型CN值計(jì)算的方法，它是通過(guò)將立地環(huán)境劃分為濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)和干旱3種狀態(tài)并進(jìn)行CN1、CN2和CN3的計(jì)算分析。漸近線法計(jì)算過(guò)程為：首先將徑流量和降雨量由大到小進(jìn)行排序，并將同一序列下的數(shù)據(jù)組進(jìn)行排序并組成新的數(shù)據(jù)對(duì)；然后利用新的數(shù)據(jù)組進(jìn)行相應(yīng)的S和CN值的計(jì)算；最后根據(jù)CN值計(jì)算結(jié)果及其相對(duì)應(yīng)的降雨量，繪制散點(diǎn)圖并確定降雨量與徑流曲線數(shù)的關(guān)系函數(shù)。平均土壤水分狀況CN值采用漸近線計(jì)算值，然后利用調(diào)節(jié)函數(shù)進(jìn)行CN1和CN3值的計(jì)算，計(jì)算公式如下所示：

(7)

CN3=CN2exp(0.006 73×(100-CN2))

(8)

本研究結(jié)合大凌河中小流域多年降雨徑流資料，推導(dǎo)出年平均降雨量與滲透量關(guān)系式，并利用文中所述相關(guān)公式和率定期6場(chǎng)徑流數(shù)據(jù)確定了初損比率m的取值變化區(qū)間?？紤]到研究流域?yàn)橹行⌒土饔颍淝捌谕寥罎穸茸兓鄬?duì)較少，因此CN值取上述計(jì)算結(jié)果的平均值，改進(jìn)的SCS模型在率定期的6場(chǎng)次洪率定中其參數(shù)值率定結(jié)果如表3所示。

表3 改進(jìn)的SCS模型參數(shù)率定結(jié)果

2.2 模型驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)的SCS模型的徑流模擬效果采用2012～2016年驗(yàn)證期間的3場(chǎng)次洪水進(jìn)行驗(yàn)證分析，結(jié)果如表4所示。

表4 改進(jìn)的SCS模型在驗(yàn)證期的3場(chǎng)次洪模擬

由表4驗(yàn)證結(jié)果可知，利用率定期確定的模型參數(shù)對(duì)驗(yàn)證期的場(chǎng)洪進(jìn)行徑流模擬表現(xiàn)出良好的模擬效果和可行性，NSCE值模擬結(jié)果均大于0.86其最高值達(dá)0.91，由此表明在大凌河中小流域降雨徑流模擬中改進(jìn)的SCS模型表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性與可靠性，該技術(shù)方案可用于研究流域的徑流模擬。

表5 中小流域徑流模擬參數(shù)及結(jié)果

2.3 結(jié)果分析

改進(jìn)的SCS模型參數(shù)以及其他中小流域徑流模擬結(jié)果如表5所示，研究表明，經(jīng)過(guò)率定后的系統(tǒng)偏差系數(shù)k和初損比例m參數(shù)可直接用于研究流域驗(yàn)證期的徑流模擬，確定性系數(shù)NSCE在驗(yàn)證期的模擬結(jié)果均高于0.80，模擬結(jié)果能較好的反映大凌河流域內(nèi)3個(gè)中小流域徑流過(guò)程的實(shí)際狀況。

為提升遼寧省中小流域水資源管理、臨界雨量計(jì)算以及山洪模擬預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，本文結(jié)合以上分析結(jié)果和相關(guān)理論對(duì)改進(jìn)的SCS模型作進(jìn)一步的分析和探討。改進(jìn)的SCS模型不僅可提高遼寧省中小流域山洪預(yù)警的準(zhǔn)確性水平，而且可對(duì)洪水的演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的跟蹤預(yù)報(bào)并最大程度的降低山洪災(zāi)害的損失。以降雨-徑流關(guān)系為紐帶可構(gòu)建基于降雨、徑流和水位關(guān)系的改進(jìn)的SCS模型，為初步判定洪澇致災(zāi)臨界雨量可選取研究區(qū)域警戒水位作為判別依據(jù)。本文研究成果可為遼寧省水資源的開(kāi)發(fā)、保護(hù)、利用、調(diào)度以及分配提供一定的參考和理論方法。改進(jìn)的SCS模型能夠較為準(zhǔn)確的表征中小流域的降雨徑流關(guān)系并且其所需數(shù)據(jù)資料容易獲取，研究結(jié)果和方法可有利于提成研究區(qū)域水資源的有效利用率[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)SCS模型引入系統(tǒng)偏差系數(shù)k和初損比例m進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式和參數(shù)的重新率定，對(duì)遼寧省中小流域采用改進(jìn)后的模型進(jìn)行徑流模擬，結(jié)果表明模型可根據(jù)研究區(qū)域特殊的氣候條件和下墊面實(shí)際狀況對(duì)徑流過(guò)程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的反演模擬。并且該模型具有觀測(cè)數(shù)據(jù)精度要求較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單參數(shù)少，可對(duì)不同降雨和土壤類(lèi)型條件下的地表徑流過(guò)程進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確描述的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)率定后的系統(tǒng)偏差系數(shù)k和初損比例m參數(shù)可直接用于研究流域驗(yàn)證期的徑流模擬，確定性系數(shù)NSCE在驗(yàn)證期的模擬結(jié)果均高于0.80，模擬結(jié)果能較好的反映大凌河流域內(nèi)3個(gè)中小流域徑流過(guò)程的實(shí)際狀況。