天山北坡恰塔斯流域產(chǎn)匯流模型建立淺析

王槐軍

（伊犁水文勘測局,新疆 伊寧 835000）

0 前言

降雨徑流過程預報是降雨徑流預報的組成部分,即已知流域產(chǎn)流后計算流域出口斷面的流量過程[1]。流域產(chǎn)匯流過程在不同的匯流階段,具有不同的特性[2]。單位線法是將流域作為整體,認為單位線不變化,也就是將流域產(chǎn)匯流看做一個不變的系統(tǒng),是一個“黑箱子”,流域產(chǎn)匯流只是由輸入求出輸出,中間過程由“黑箱”操作,而流域的單位線可以由水文測站實測的輸出和輸入資料通過反演得到,選取單位線法進行流域產(chǎn)匯流計算,從而建立流域產(chǎn)匯流模型[3-5]。本文選取恰塔斯流域恰塔斯水文站實測資料進行分析研究,以供廣大水文同仁們參考使用。

1 流域的選取

單位線法在流域面積較小的流域進行匯流計算時,非線性影響較小,單位線常保持單一,而且小面積上降雨比較均勻,現(xiàn)水文測站大多都建立在出山口處,氣象輔助觀測設施也建立在出山口處,在小流域上,其點降水觀測數(shù)據(jù)大體上能夠代表整個流域的降水情況。本次選定使用恰塔斯水文站的相關資料,以恰塔斯河作為本次產(chǎn)匯流分析研究的對象。

2 流域概況

恰塔斯河北依天山支脈科古琴山,受地質構造影響,研究區(qū)涉及流域沉積了巨厚的第四紀松散的沉積物,主要巖性為黃土狀粉土或粉質粘土、砂礫、礫卵石層。恰塔斯河流域,2800 m 以上的高山,土壤為高山草甸土,植被主要是矮生墊狀蒿草苔草；海拔1500 m～2800 m 的中山深林帶,土壤為亞高山草甸土,并分布著一些深林,海拔1500 m 以下為低山丘陵帶,土壤為栗鈣土、黃土、灰鈣土,植被較差。

在出山口處建有恰塔斯水文站,為國家基本站、天山南坡區(qū)域小河代表站,于1956 年9 月設立,1971 年10 月下遷5 km 觀測至今。測站控制斷面以上集水面積291 km2,河長43 km,觀測項目包括水位、流量、降水量、蒸發(fā)量、懸移質泥沙、水溫、氣溫、水質等資料。上游現(xiàn)無水利工程。

恰塔斯河水源補給為地下水、冰川融雪水和降雨,年最大洪水為混合型,洪水歷時較長,同時在出現(xiàn)暴雨時也易產(chǎn)生暴雨型洪水,流域內洪水類型主要有融雪型洪水、暴雨型洪水和融雪與暴雨混合型洪水三種洪水類型,本次主要是對暴雨型洪水進行研究分析,恰塔斯河流向由北向南,地形坡度大,河槽切割較深,利于匯流,為暴雨洪水的形成提供了有利的條件。

3 單位線法原理

單位線法最早是由謝爾曼提出的,定義是流域上分布均勻的單位直接徑流凈雨所形成的徑流過程線,單位是指單位時段內單位凈雨深,時段可任意取,如：1 h,2 h,3 h,……,單位凈雨深在我國常取10 mm。

實際發(fā)生的凈雨,常常不是一個時段,也不是一個單位,實際應用時,有以下假定：

（1）倍比假定,如果單位時段內的凈雨深是n個單位,它所形成的出流過程線,總歷時與單位線相同,流量則為單位線的n倍。

（2）疊加假定,如果凈雨歷時是m個時段,則各凈雨所形成的出流過程之間互不干擾,出流斷面的流量過程,等于m個出流過程之和。

出流Qd,單位線縱坐標q和直接凈雨rd間的關系為：

式中：t為計算時刻；i為凈雨時段數(shù),從1 到m；rd為計算時取單位凈雨深（10 mm）的倍數(shù)；Qd為直接徑流流量,m3/s。

單位線可由實測資料分析,由實測徑流Qd過程和直接徑流時段凈雨rd,反推逐個求得q值。具體公式如下：

其中j=1 時

由以上公式,根據(jù)實測資料,逐個進行計算,直至求出qn,這樣就可以得到一組q的值,即單位線的計算值。

計算前首先要求得Qd和rd過程,Qd～t由分割地下水的方法求得,rd可由流域內實測降雨徑流資料確定的穩(wěn)定下滲率值計算求得。

4 單位線法推求

恰塔斯河暴雨洪水多集中發(fā)生在7 月～8 月,洪水過程特征一般是獨立的峰形,無明顯日變化,過程尖瘦或陡漲緩落,漲水歷時短,一般在0.5 h～1.5 h 左右,漲率大,洪峰流量大,落水歷時較長,洪量小,是北山區(qū)各河流比較主要的洪水類型之一。為避免前期降水對徑流過程的影響,在選取典型暴雨洪水過程時,挑選前期久旱無雨,形成洪水過程線是單峰,且徑流過程包含全降水過程,并由降雨主導形成的洪水過程作為典型徑流過程用來推算單位線。最終選取流域2016 年7 月15 日發(fā)生的暴雨洪水作為典型洪水,洪峰流量為144 m3/s,洪水歷時約2 h。根據(jù)實測資料,本次徑流過程包含2 個降雨時段,計算其凈雨rd1、rd2分別為7.4 mm、2.4 mm,Δt選取1 h。由于實際降雨,流量資料是有誤差的,計算rd和分割水源中也會帶入誤差,誤差的累計和傳遞會使計算得出的單位線出現(xiàn)鋸齒狀的波動,當誤差累積到一定量時,還會出現(xiàn)負值,所以要對計算后的單位線進行合理性修正,具體計算過程見表1。

5 討論

單位線法要求凈雨在面上均勻分布,這也是本次研究分析選取流域面積較小的原因,而凈雨的分布情況與凈雨的分布、凈雨中心的位置、暴雨中心的走向等有關,還需進一步驗證、解決。在現(xiàn)階段的分析中存在以下問題：

（1）單位線法對實測資料凈雨rd計算精度要求較高,目前缺乏前期對凈雨的研究和試驗。

（2）在典型洪水過程的選擇上,水文測站的輔助氣象觀測資料代表性較低,許多排位較前的大洪水多是由山區(qū)的降水形成的,而水文測站出山口處的降水實測資料過程與洪水過程不一致,甚至無降水資料。

（3）目前,僅用水文測站的觀測資料,無法滿足研究分析的需求,還需其他流域內的觀測或實驗數(shù)據(jù)（如：雨強、土壤下滲強度、田間持水量、地下水等）的支撐,以用來分析計算,或多方法驗證求解。

6 結論

單位線是綜合了影響流域匯流的多種因素,由于是“黑箱”操作,對于形成匯流的過程不做具體研究,完全是由輸入、輸出資料計算獲得。而單位線本身是由實測資料反推出來的,其形成規(guī)律完全符合研究流域匯流的特性,這也是單位線法主要的優(yōu)點和使用效果較好的原因。若各次洪水推得的單位線變化不大,取平均后可用于預報。隨著后期資料的不斷完善,樣本容量的增加,對單位線不斷地進行驗證,就能得出更加準確、符合流域特性的單位線。