改進(jìn)垂向混合產(chǎn)流模型在營(yíng)口洪水模擬中的應(yīng)用

王海龍

（遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115000）

1 研究流域概況

近些年來，隨著極端氣候天氣頻發(fā)，營(yíng)口地區(qū)的暴雨洪水頻率也逐步增多，為有效應(yīng)對(duì)洪水，需要對(duì)洪水進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，提高區(qū)域防洪決策的科學(xué)性。營(yíng)口地區(qū)常用的洪水預(yù)報(bào)方案為降雨徑流經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，這種方式需要采用較長(zhǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)系列，且需要對(duì)降雨徑流經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行多次修訂［1-2］。當(dāng)前，水文模型的多樣化已逐步為區(qū)域洪水的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)提供了較好的模擬平臺(tái)［3］，這其中改進(jìn)的垂向混合產(chǎn)流模型由于垂直方向可綜合考慮超滲和蓄滿產(chǎn)流機(jī)制，在北方地區(qū)適用性較好［4-9］，但在營(yíng)口地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用，本文結(jié)合改進(jìn)的垂向混合產(chǎn)流模型，以營(yíng)口地區(qū)典型水文站熊岳站15場(chǎng)實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)，分析該模型的適用性。研究成果對(duì)于營(yíng)口地區(qū)洪水預(yù)報(bào)方案制定具有重要參考價(jià)值。

本文以熊岳站為研究實(shí)例，熊岳站位于熊岳河上，熊岳河位于蓋州市熊岳鎮(zhèn)。上游分南北兩支，南支（主支）發(fā)源于楊運(yùn)鄉(xiāng)老帽山，北支發(fā)源于老平頂，河長(zhǎng)44.2km，流域面積352km2，河道平均比降0.315%，熊岳水文站斷面以上面積307km2，河長(zhǎng)南支29.2km、北支28.2km。該流域植被良好，包氣帶較薄，地下水埋藏較深，熊岳鎮(zhèn)東南的熊岳河谷有豐富的地下溫泉。該流域處于中緯度地區(qū)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，四季分明。春季少雨多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。本流域暴雨多數(shù)為西風(fēng)帶系統(tǒng)造成。本流域暴雨中心往往出現(xiàn)在上游八道河一帶，八道河24 h最大降雨量289.9mm （1981年7月27日），本流域年最大降雨量1088.9mm（1964年），最小降雨量355.4mm（1944年）多年平均降雨量為702mm。

2 改進(jìn)垂向混合產(chǎn)流模型原理

垂向混合產(chǎn)流中蓄滿、超滲的流域面積比例是隨前期土壤含水量和下滲水量的變化而改變，如式（1）：

式中 α為蓄滿產(chǎn)流的面積比例系數(shù)； FA為實(shí)際下滲量（mm）；Wmm為流域最大蓄水量（mm）； α為相應(yīng)于初始土壤平均含水量為W時(shí)的縱坐標(biāo)值；B為流域蓄水容量分布曲線指數(shù)。采用具有流域分布特征的格林—安普特下滲曲線，計(jì)算如式（2）～式（4）：

實(shí)際下滲量：

地面徑流：RS=PE-FA

式中 FM為流域平均下滲能力 （mm）；FC為穩(wěn)定下滲率（mm/s）；WM為流域平均蓄水容量（mm）；W為流域?qū)嶋H土壤含水量（mm）；KF為土壤缺水量對(duì)下滲率影響的靈敏系數(shù)；BF為反映下滲能力空間分布特征的參數(shù)；PE為扣除雨間蒸發(fā)的降雨（mm）；RS為地面徑流（mm）。

在產(chǎn)流計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)其水源進(jìn)行劃分，進(jìn)入地面以下的水流RR首先補(bǔ)充自由水蓄水量S（mm），然后按照出流系數(shù)對(duì)壤中流和地下徑流進(jìn)行劃分，劃分方程如式（3）～式（5）：

式中 St為t時(shí)段達(dá)到自由水的蓄水量（mm）；St-1為t-1時(shí)段達(dá)到自由水的蓄水量（mm）；RIt及RGt分別為t時(shí)段壤中流及地下徑流；KI，KG分別為兩種水源的出流系數(shù)。

傳統(tǒng)垂向混合產(chǎn)流在水源劃分時(shí)地面以下徑流主要?jiǎng)澐譃槿乐辛骱偷叵聫搅鲀煞N水源，而由于在干旱半干旱地區(qū)，其土壤蓄水容量一般較大，且由于降雨和下墊面時(shí)空分布的不均勻性，土壤缺水量較小的區(qū)域遭遇一定量級(jí)的降水后其較易形成飽和地面徑流。為此運(yùn)用三水源新安江結(jié)構(gòu)對(duì)垂向混合產(chǎn)流模型的水源結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，劃分為飽和地表、壤中及地下徑流3種水源，如圖1。

圖1 新安江三水源劃分結(jié)構(gòu)

3 模型應(yīng)用

結(jié)合熊岳站1964～2017年實(shí)測(cè)徑流資料，對(duì)改進(jìn)模型參數(shù)進(jìn)行率定，參數(shù)率定結(jié)果如表1。

表1 改進(jìn)模型參數(shù)率定成果

結(jié)合熊岳站1964～2017年15場(chǎng)典型洪水，對(duì)比改進(jìn)垂向混合產(chǎn)流模型在營(yíng)口地區(qū)洪水模擬精度，結(jié)果如表2，并選取6場(chǎng)典型洪水分析改進(jìn)前后垂向混合產(chǎn)流模型洪水過程的模擬結(jié)果，如圖2。

表2 改進(jìn)前后垂向混合產(chǎn)流模型模擬精度對(duì)比

續(xù)表2

圖2 垂向混合產(chǎn)流模型典型洪水模擬

從表2可看出，改進(jìn)后垂向混合產(chǎn)流相比于改進(jìn)前，在熊岳站洪水模擬各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中都有明顯改善，其中確定性系數(shù)是表示洪水過程模擬精度的高低。改進(jìn)的垂向混合產(chǎn)流模型的15場(chǎng)洪水確定性系數(shù)均值為0.738，相比于原模型提高0.295，在洪峰和洪量誤差上，改進(jìn)模型也較原模型有較為明顯的改善，原模型洪峰和洪量誤差均在20%以上，而改進(jìn)模型在20%以內(nèi)，相比于原模型，改進(jìn)模型洪峰和洪量均值分別提高9.5%和10.8%。從峰現(xiàn)時(shí)間合格率上，改進(jìn)的垂向混合產(chǎn)流模型也較原模型有明顯改善，峰現(xiàn)時(shí)間合格率提高40%。這主要是改進(jìn)的垂向混合模型綜合考慮飽和地面徑流，較原模型在水源結(jié)構(gòu)上有所改善，更適合于北方地區(qū)有降雨徑流的變化特性。從圖2中選取的6場(chǎng)典型洪水可看出，各場(chǎng)次洪水實(shí)測(cè)值和模擬值的吻合度都較高，改進(jìn)的垂向混合產(chǎn)流模型適合于營(yíng)口地區(qū)的洪水模擬。

4 結(jié)語

（1） 改進(jìn)的垂向混合產(chǎn)流模型由于綜合考慮飽和地面徑流，改善傳統(tǒng)模型的水源劃分結(jié)果，在熊岳站模擬精度都較原模型有較大程度改善，更適用于營(yíng)口地區(qū)的洪水模擬。

（2） 由于本文選取站點(diǎn)較少，在以后研究中還需引入更多的站點(diǎn)，從而充分論證改進(jìn)垂向混合產(chǎn)流模型在營(yíng)口地區(qū)洪水模擬的適用性。