基于多水源TVGM模型的下墊面變化對(duì)流域洪水的影響

馬曉明

(遼寧石佛寺供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 研究區(qū)概況

細(xì)河是大凌河下游左側(cè)最大支流。源出阜新蒙古族自治縣他本扎蘭鄉(xiāng)東北東駱駝山，流經(jīng)阜新市區(qū)，阜新蒙古族自治縣，在義縣復(fù)興堡附近匯入大凌河，全長(zhǎng)113km，流域面積2932km2[1]。細(xì)河流域地處東經(jīng)121°32′至東經(jīng)121°53′，北緯41°42′至北緯41°54′之間，屬溫帶半干旱半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，春季回溫較慢，降水較少，夏季溫度高，降水集中，常發(fā)短時(shí)暴雨、冰雹、洪水等災(zāi)害性天氣，秋季涼爽，降溫快，冬季漫長(zhǎng)寒冷，多降雪。研究區(qū)的年最高氣溫38.1℃，最低氣溫-45.2℃，年平均氣溫5.2℃，年均降水量為413.2mm。

細(xì)河流域地處降水量較少的遼西地區(qū)，受氣候條件和長(zhǎng)期以來人類活動(dòng)雙重影響，域內(nèi)植被稀疏、氣候干燥，水土流失較為嚴(yán)重[2]。由于研究區(qū)內(nèi)夏季多短時(shí)強(qiáng)降雨過程，加強(qiáng)流域洪水預(yù)報(bào)對(duì)合理利用水資源、提高地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)對(duì)能力具有重要意義。根據(jù)相關(guān)研究成果，影響流域洪水徑流特性的下墊面要素主要是地形、土壤、植被以及水利工程和水保措施，其中植被和水利水保工程受人類活動(dòng)影響較大[3]。隨著近年來國(guó)家和地方政府在環(huán)保領(lǐng)域投資力度的不斷加大，細(xì)河流域的植被覆蓋狀況得到顯著改善，工程措施、生物措施以及耕作措施等水土保持措施的大面積推廣也成為影響該地區(qū)下墊面特征的重要因素。

2 多水源TVGM模型的原理

2.1 模型的產(chǎn)流原理

由于影響因素的復(fù)雜性，降雨-徑流水文響應(yīng)是極其復(fù)雜的[4]。TVGM模型產(chǎn)流理論是基于上述關(guān)系提出的一種時(shí)變?cè)鲆娴姆蔷€性產(chǎn)流關(guān)系[5]。夏軍教授在20世紀(jì)末期參加“國(guó)際河川徑流預(yù)報(bào)”研討班過程中，通過對(duì)全球40多個(gè)流域的實(shí)測(cè)水文資料的分析，開展了水文系統(tǒng)理論方面的研究，并發(fā)現(xiàn)了一種時(shí)變?cè)鲆嫠南到y(tǒng)關(guān)系[6]。多水源TVGM模型在傳統(tǒng)TVGM模型的基礎(chǔ)上增加了地下徑流模塊以及地下產(chǎn)流參數(shù)，不僅可以描述地下徑流和降雨量以及土壤濕度之間的相關(guān)關(guān)系，又能保持模型本身參數(shù)少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，模型的總產(chǎn)流公式如下：

R(t) =Gs(t)P(t)+Gg(t)API(t) =(g1+g2API(t))P(t)+g3API(t)

(1)

式中，R(t)—總產(chǎn)流量；Gs(t)—地表產(chǎn)流量時(shí)變?cè)鲆嬉蜃?；Gg(t)—地下產(chǎn)流量時(shí)變?cè)鲆嬉蜃樱籔(t)—降雨量；API(t)—土壤濕度；g1、g2—地表產(chǎn)流參數(shù)；g3—地下產(chǎn)流參數(shù)。

2.2 匯流模型

多水源TVGM模型的地表匯流采用流域分散入流非線性匯流模型[7]，其非線性系統(tǒng)方程如下：

(2)

式中，Qs(t)—地面出流；Rs(t-w)—地面凈雨強(qiáng)度；u(Rs(t-w)，w)dw—變動(dòng)瞬時(shí)單位線，是凈雨強(qiáng)度和時(shí)間的函數(shù)。

由于地下水面比降比較平緩，模型的地下匯流過程采用線性水庫(kù)地下匯流計(jì)算公式[8]：

Qg，2=Rg，2(1-kkg)+Qg，1kkg

(3)

式中，Qg，1—時(shí)段初地下徑流出流量；Qg，2—時(shí)段末地下徑流出流量；Rg，2—時(shí)段內(nèi)地下產(chǎn)流量；kkg—地下匯流參數(shù)。

3 產(chǎn)匯流參數(shù)率定和驗(yàn)證

將上節(jié)中的多水源TVGM模型應(yīng)用于細(xì)河流域，分別運(yùn)用歷史上的洪水過程進(jìn)行模型的參數(shù)率定和驗(yàn)證，以確定模型在細(xì)河流域洪水特征研究中的適用性，為下一步的下墊面變化對(duì)流域洪水的影響研究提供必要的研究工具。

為保證參數(shù)率定的準(zhǔn)確性和適用性，研究中選取細(xì)河流域下墊面發(fā)生變化之前的8場(chǎng)洪水。其中將5場(chǎng)洪水用于參數(shù)率定，其余3場(chǎng)洪水用于模型驗(yàn)證。模型參數(shù)率定結(jié)果見表1，模型驗(yàn)證結(jié)果見表2，模型驗(yàn)證期模擬效果如圖1—2所示。

表1 模型參數(shù)的率定結(jié)果

圖1 19730625洪水模擬效果

圖2 19730801洪水模擬效果

由表2和圖1可知，多水源TVGM模型在細(xì)河流域具有較好的洪水模擬效果，無論是洪峰流量的誤差、洪量誤差還是峰現(xiàn)時(shí)間的誤差都不大。其中洪峰流量的誤差大多都在10%以內(nèi)，誤差的最小值為3.25%，最大值為16.95%；洪峰流量的誤差最小值為5.08%，最大值為28.00%；從峰現(xiàn)時(shí)間而言，僅有3個(gè)場(chǎng)次的洪水出現(xiàn)了1h以上的誤差，其余場(chǎng)次的洪水模擬效果良好。從Nash系數(shù)來看，模擬結(jié)果基本在0.8以上，僅有3場(chǎng)洪水的數(shù)值較小，其主要原因是峰現(xiàn)時(shí)間模擬出現(xiàn)誤差所致，但是這3場(chǎng)洪水的洪峰流量與洪量的模擬誤差不大?？傊?，對(duì)細(xì)河流域而言，多水源TVGM模型具有較好的率定和模擬效果，可以用于后續(xù)研究中對(duì)細(xì)河流域的洪水模擬，并用于細(xì)河流域的產(chǎn)流和匯流參數(shù)變化以及產(chǎn)匯流變化對(duì)本流域洪水的影響。

表2 細(xì)河流域洪水模擬結(jié)果

4 下墊面變化對(duì)細(xì)河流域洪水規(guī)律影響的模擬分析

前文提到，得益于國(guó)家對(duì)流域水土保持工作的重視，細(xì)河流域近年來不斷加大相關(guān)領(lǐng)域的政策和財(cái)政投入，流域內(nèi)的植被覆蓋率得到了大幅提升。顯然，水土保持工作中的工程措施、生物措施以及耕作措施的應(yīng)用必然對(duì)細(xì)河流域的下墊面特征產(chǎn)生重要影響。因此，本節(jié)試圖利用多水源TVGM模型對(duì)下墊面變化前后的洪水過程進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而獲得下墊面特征變化對(duì)流域洪水規(guī)律的影響。根據(jù)上文方法首先對(duì)細(xì)河流域下墊面變化后的產(chǎn)匯流參數(shù)進(jìn)行模擬率定，結(jié)果見表3。

表3 下墊面變化后的模型參數(shù)率定結(jié)果

選擇細(xì)河流域具有暴雨和洪水之間存在良好對(duì)應(yīng)關(guān)系的18場(chǎng)洪水進(jìn)行模擬計(jì)算。為了獲得更為精準(zhǔn)的模擬結(jié)果，將上述洪水按照大于10年一遇的洪水為大水、5年至10年一遇的洪水為中水，小于5年一遇的洪水為小水進(jìn)行洪水的量級(jí)劃分。選定的18場(chǎng)洪水中有大水4場(chǎng)、中水4場(chǎng)、小水10場(chǎng)。利用多水源TVGM模型對(duì)上述不同量級(jí)的洪水對(duì)流域下墊面發(fā)生變化前后的洪水進(jìn)行模擬，得到變異前后的模擬結(jié)果，兩者之間的差異就是下墊面變化對(duì)細(xì)河流域洪水的影響響度。模擬結(jié)果見表4。由表4數(shù)據(jù)可以看出，下墊面變化之后的洪峰流量和洪量均有明顯減小。其中，大水情況下的洪峰平均衰減率為21.86%，洪量的平均衰減率為10.88%；中水情況下的洪峰平均衰減率為26.43%，洪量的平均衰減率為24.28%；小水情況下的洪峰平均衰減率為38.64%，洪量的平均衰減率為15.57%?？梢姡榉辶髁亢秃榱烤S著洪水量級(jí)的增大而減小，同時(shí)洪量的衰減率小于洪峰流量的衰減率。

表4 細(xì)河流域下墊面變化洪水模擬結(jié)果

圖3—8是不同洪水量級(jí)下，部分場(chǎng)次洪水在下墊面變化前后的洪水過程模擬結(jié)果。由圖可知，細(xì)河流域下墊面的變化能夠?qū)Σ煌?jí)別的洪水產(chǎn)生明顯的消峰和坦化作用，但是不同級(jí)別的洪水條件下，表現(xiàn)的作用也有細(xì)微差別。其中，下墊面變化對(duì)大中型洪水主要起到消峰作用，對(duì)洪水過程線并無顯著的影響；對(duì)小型洪水而言，下墊面的變化主要影響洪水過程線，坦化作用明顯，對(duì)洪量減少方面作用比較有限。

圖3 19800704洪水過程模擬結(jié)果

圖4 19830721洪水過程模擬結(jié)果

圖5 19780624洪水過程模擬結(jié)果

圖6 19920809洪水過程模擬結(jié)果

圖7 19790716洪水過程模擬結(jié)果

圖8 20100803洪水過程模擬結(jié)果

5 結(jié)語

本文以遼西地區(qū)大凌河的支流細(xì)河為研究對(duì)象，分析了流域下墊面變化對(duì)洪水過程的影響，并得到如下結(jié)論。

(1)近年來細(xì)河流域的植被覆蓋狀況得到顯著改善，而工程措施、生物措施以及耕作措施等水土保持措施的大面積推廣也成為影響該地區(qū)下墊面特征的重要因素。

(2)通過產(chǎn)匯流參數(shù)的率定和驗(yàn)證，說明多水源TVGM模型在細(xì)河流域具有較好的適用性，可以用于下墊面變化對(duì)洪水影響的研究。

(3)利用多水源TVGM模型對(duì)細(xì)河流域不同量級(jí)洪水下墊面變化前后的洪水特征進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示下墊面條件的變化可以消減洪峰流量和洪量，且洪水級(jí)別越低衰減作用越大；對(duì)級(jí)別高的洪水主要表現(xiàn)為消峰作用，對(duì)級(jí)別低的洪水主要表現(xiàn)為坦化作用。