淮北平原分布式除澇水文模型及應用

趙宏臻,陳 鳴,吳永祥,王高旭,王希之,王德智

(1.南京水利科學研究院,江蘇南京 210029;2.水文水資源及水利工程國家重點試驗室,江蘇南京 210098; 3.中水淮河規劃設計院有限公司,安徽蚌埠 233001)

淮北平原分布式除澇水文模型及應用

趙宏臻1,2,陳 鳴1,2,吳永祥1,2,王高旭1,2,王希之3,王德智3

(1.南京水利科學研究院,江蘇南京 210029;2.水文水資源及水利工程國家重點試驗室,江蘇南京 210098; 3.中水淮河規劃設計院有限公司,安徽蚌埠 233001)

針對目前淮北平原除澇水文計算采用的經驗排模公式僅考慮了設計凈雨和排水面積兩個因素,對于下墊面情況復雜的流域不能很好地反映峰量關系的情況,應用GIS技術根據DEM進行流域劃分、水流方向確定等處理,并結合流域水文地質圖、土壤分布圖等建立GIS圖層,進而構建淮北分布式水文模型。結果表明,該模型可用于無資料地區的排澇水文計算,應用歷史數據對模型參數進行調試,模擬計算精度可達GB/T 22482—2008《水文情報預報規范》的甲級標準。

分布式水文模型；除澇；水文計算；GIS；淮北平原

除澇水文計算是除澇規劃設計中十分重要的技術依據和支撐。目前淮北平原除澇水文計算采用的是經驗排模公式。雖然經驗排模公式簡單易用,并有一定的精度,但經驗排模公式只考慮了設計凈雨和排水面積兩個因素,難以反映下墊面情況復雜條件下流域的峰量關系[1]。

水文模型采用數學表達式描述流域降雨徑流過程,將流域土壤下滲能力、流域蒸發能力、流域匯流時間等影響產匯流因素概化為模型參數。應用水文模型代替傳統經驗排模公式進行除澇計算不但可以計算出比較精確的產水總量,同時可以計算相應設計斷面的洪峰流量和洪水過程。近年來,隨著計算機技術、GIS技術的發展,流域水文過程的模擬也從集總式模型擴展到分布式或者半分布式模型[2]。筆者應用GIS技術根據數字高程模型(DEM)進行流域劃分、水流方向確定等處理,并結合水文地質圖、土壤分布圖等建立GIS圖層,進而構建可用于無資料地區的淮北平原分布式水文模型。

1 基于GIS的分布式水文模型架構

分布式水文模型是指降雨徑流模型結構中各水文要素具有空間的分布特性和隨時間變化的動態特性,能描述水文循環的時空變化過程,能及時地模擬出人類活動或下墊面因素的變化對流域水文循環過程的影響[3-4]。GIS是一種綜合分析和處理數據空間分布的新技術,可以進行詳細的地理條件及氣候條件空間變化分析,因此GIS的出現與發展為分布式降雨徑流模型水文計算的實現提供了有效工具。

利用GIS對流域進行數字地形分析,主要包括：①柵格水流流向確定;②流域分水線確定;③自動生成河網及子流域;④河道與子流域編碼;⑤河段與子流域特性表;⑥具有水文學意義的地形參數提取。

分布式水文模型主要思路是：將流域劃分成若干網格,對每個網格分別輸入不同的降雨,根據各網格內植被、土壤和高程等情勢,對每個網格采用不同的產流模型參數分別計算產流量;通過比較相鄰網格的高程確定各網格的流向,將其徑流演算到流域出口斷面得到流域出口斷面的徑流過程。模型參數由地形、地貌數據結合實測歷史洪水資料率定得到[5-6]?；贕IS的分布式水文模型框架如圖1所示。

圖1 基于GIS的分布式水文模型框架

2 降雨徑流計算

在GIS劃分產水單元的基礎上,對每一產水單元進行產流計算,進而根據水力聯系進行匯流計算,生成流域出口斷面的流量過程。汾泉河降雨徑流模型是描述垂向交換為主的平原水文模型[7-8],適合黃淮海平原淺層地下水地區[9-11]。

汾泉河降雨徑流模型將控制產流的土層分為上層(耕作層)和下層(包括犁底層)兩部分。降雨(P)滿足上層土壤持水能力(Wnm)后形成自由水(R1),一部分水(Rg1)通過大孔隙下滲直接補給地下水蓄水體,一部分水(F)滲入下土層。滿足上述兩部分下滲后的剩余水量則作側向運動形成表層徑流(Rs),這部分水量與不透水面積上形成的地表直接徑流(Rd)統稱為表層和地表徑流,經坡面溝道調蓄匯流后形成表層流量(Qs)。

F首先被下土層吸收,在下層土壤持水能力已滿足的地方形成穩定入滲(Rg2)補給地下水。Rg1與Rg2稱為地下水補給量,經地下水庫調蓄匯流后成地下水流量(Qg)。表層流量與地下水流量之和為產水單元流量(Q)。

蒸發時,首先以蒸發能力蒸發上層土壤水,蒸發量為E1;上層土壤水蒸發完后開始蒸發下層土壤水,其蒸發量為E2;蒸發下層土壤水同時,由于毛細管的作用,地下水不斷向下土層供水,其供水量稱為潛水蒸發量(Eg)。模型結構見圖2。

圖2 汾泉河降雨徑流模型結構

考慮到GIS應用以及目前水情測報系統的廣泛應用,雨水情數據頻次現已可達分鐘級,對原汾泉河降雨徑流模型做以下兩點改進：①計算時段以1h為單位,通過提高時間分辨率獲取真實峰現時間和洪峰量值;②坡面匯流采用Nash單位線進行匯流計算,其模型參數可通過流域坡度、流域下墊面等地理因子獲取,以便模型在無資料地區的推廣應用[12-13]。

3 模型應用

3.1 GIS圖層

水文、地質、土壤分布等基礎數據是構建分布式水文模型的基礎。這些數據大多與現實中的某一特定的位置或區域(點、線或面)相聯系,且具有空間屬性。分布式水文模型中GIS的主要專題圖層的構建可詳見表1、圖3。

圖3 淮河平原主要專題圖層示意圖

表1 分布式水文模型中主要專題圖層

3.2 模型參數率定

收集淮北平原區內主要子流域的洪水資料,其中包括汾泉河流域中周莊站、石橋口站和沈丘站20場洪水資料;澮河流域中黃口集站、臨渙集站16場洪水資料;西淝河流域中王市集站6場洪水資料;閭河流域中王勿橋站、包信站24場洪水資料以及谷河流域公橋站15場洪水資料,通過對模型進行調整參數和驗證,模擬結果如表2和圖4所示。

表2 試驗流域調整參數合格率

從模擬結果可以看到模擬精度最低的是西淝河流域,其合格率為83.3%,達到GB/T 22482—2008《水文情報預報規范》的乙級標準。此外,其他流域的合格率由于均大于85%,滿足GB/T 22482—2008《水文情報預報規范》甲級標準的要求。

3.3 設計及超標洪水計算

3.3.1 設計洪水計算

圖4 汾泉河流域周莊站洪水模擬計算與實測過程比較

將不同頻率的設計暴雨作為模型輸入計算相應頻率的設計洪水過程,其中10年一遇的設計洪水模擬過程見圖5。對各個頻率的最大24 h平均流量與現行排模公式計算的流量進行計算并比較后發現兩者誤差在-2.7%～16.9%之間,最大誤差控制在20%以內(表3)。

3.3.2 超標洪水計算

目前淮北平原發生超標準洪水時經常出現漫灘現象,而目前在模擬計算中常只考慮洪水在河槽中的情況,故導致模擬計算洪峰大于實際洪峰流量的情況,引入削峰系數以消除模擬計算與實際洪峰流量間的差異。淮北平原目前對10年一遇洪水采用的削峰系數為0.9,20年一遇的為0.85,50年一遇的為0.8[9]。

圖5 10年一遇設計洪水模擬過程

表3 排模公式計算與模型計算洪峰流量比較

通過對5個試驗流域內共6場超標洪水資料展開分析,發現全部6場超標洪水實測過程線均呈現了峰型肥胖及退水擁堵、緩慢之勢。表4反映了超標洪水模擬與實測洪峰流量之間的差異,通過計算結果表明超標準洪水的削峰系數在0.78～0.92之間,與淮北平原現行的削峰系數基本一致。

表4 超標洪水模擬與實測結果比較

4 結 論

a.應用GIS技術進行流域劃分、水流方向確定等處理,并通過整個淮北平原的水文地質圖、土壤分布圖等建立GIS圖層,進而構建能夠用于無資料地區的分布式水文模型除澇水文計算。

b.應用歷史數據對分布式降雨徑流模型參數進行調試,該模型不僅可較精確地計算洪量,還可以較精確地計算洪峰值和峰現時間,模擬計算精度達GB/T 22482—2008《水文情報預報規范》的甲級標準。

c.對于超標洪水,計算過程呈較尖削型,而實際過程中,由于漫灘影響,呈現了峰型肥胖及退水擁堵、緩慢之勢。采用模型模擬計算超標洪水,削峰系數在0.78～0.92之間,與現行采用的削峰系數基本一致。

d.本次計算設計洪水與傳統經驗公式計算有近17%的誤差。如將本文提出分布式水文模型實際應用與除澇水文設計計算,還需收集更多的資料進行驗證。

[1]中水淮河規劃設計院有限公司.淮北平原除澇水文計算研究與復核工作大綱[R].蚌埠：中水淮河規劃設計研究有限公司,2009.

[2]SIVAPALAN M,TAKEUCHI K,FRANKS S W,et al.Iahs decade on predictions in ungauged basins(pub),2003—2012：shaping an exciting future for the hydrological sciences[J].Hydrological Sciences Journal,2003,48(6)：857-880.

[3]芮孝芳,黃國如.分布式水文模型的現狀與未來[J].水利水電科技進展,2004,24(2)：55-58.(RUI Xiaofang, HUANGGuoru.Currentsituationofdistributed hydrological model and its future development[J]. AdvancesinSciencesandTechnologyofWater Resources,2004,24(2)：55-58.(in Chinese))

[4]王中根,劉昌明,左其亭,等.基于DEM的分布式水文模型構建方法[J].地理科學進展,2002,21(5)：430-439.(WANG Zhonggen,LIU Changming,ZUO Qiting,et al.Methods of constructing distributed hydrological model based on DEM[J].Progress in Geography,2002,21(5)：430-439.(in Chinese))

[5]毛維新,李蘭,武見,等.數字流域水文模擬在增江流域中的應用[J].中國農村水利水電,2005(5)：27-29, 32.(MAO Weixin,LI Lan,WU Jian,et al.Application of hydrological simulation of digital watershed in Zeng River watershed[J].China Rural Water and Hydropower,2005 (5)：27-29,32.(in Chinese))[6]都金康,謝順平,許有鵬,等.分布式降雨徑流物理模型的建立和應用[J].水科學進展,2006,17(5)：637-644.(DU Jinkang,XIE Shunping,XU Youpeng,et al. Developmentandapplicationofaphysically-based distributed rainfall-runoff model[J].Advances in Water Science,2006,17(5)：637-644.(in Chinese))

[7]劉新仁,費永法.汾泉河平原水文綜合模型[J].河海大學學報：自然科學版,1993,21(6)：10-16.(LIU Xinren,FEI Yongfa.Fenquanhe plain area comprehensive hydrologic model[J].Journal of Hohai University：Natural Sciences,1993,21(6)：10-16.(in Chinese))

[8]王井泉.淮北坡水區概念性流域水文模型[J].水文, 1989(3)：25-29.(WANGJingquan.Conceptual hydrological model of Huaibeipo aera[J].Hydrology,1989 (3)：25-29.(in Chinese))

[9]唐柏林,費永法.汾泉河平原水文模型在防洪除澇水文計算及水資源評價方面的應用[J].治淮,1996(3)：29-30.(TANGBolin,FEIYongfa.Applicationof Fenquanhe plain hydrological model in hydrology flood control waterlogging calculation and evaluation of water resources[J].Zhihuai,1996(3)：29-30.(in Chinese))

[10]路偉亭,王玉山.淮北地區除澇水文計算辦法探討[J].治淮,2012(5)：15-16.(LU Weiting,WANG Yushan. DiscussioninHuaibeiareahydrologywaterlogging calculation method[J].Zhihuai,2012(5)：15-16.(in Chinese))

[11]楊傳國,余鐘波,郝振純,等.淮河流域典型洪水年流量空間分布的季節特征[J].河海大學學報：自然科學版,2012,40(1)：33-36.(YANG Chuanguo,YU Zhongbo,HAO Zhenchun,et al.Seasonal characteristics of spatial distribution of streamflow in a typical flood year in Huaihe Basin[J].Journal of Hohai University：Natural Sciences,2012,40(1)：33-36.(in Chinese))

[12]張建新,惠士博,謝森傳.利用降雨入滲產流分析原理和Nash單位線匯流方法進行排澇模數計算的研究[J].水文,2002,22(3)：1-4.(ZHANG Jianxin,HUI Shibo,XIE Senchuan.Study on drainage modulus in plain watersheds by using infiltration-runoff math-theoretical analysis and Nash's instantaneous unit curve method[J]. Hydrology,2002,22(3)：1-4.(in Chinese))

[13]陳鳴,孫以三.水庫實時水情預報調度系統開發及應用[J].中國水利,2005(23)：41-42.(CHEN Ming,SUN Yishan.Real-time forecast and regulation system of water conditions in reservoirs and its applications[J].China Water Resources,2005(23)：41-42.(in Chinese))

Research and application of distributed waterlogging control hydrological model for Huaibei Plain

ZHAO Hongzhen1,2,CHEN Ming1,2,WU Yongxiang1,2,WANG Gaoxu1,2, WANG Xizhi3,WANG Dezhi3
(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China; 2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China; 3.China Water Huaihe Planning,Design and Research Co.,Ltd.,Bengbu 233001,China)

The current empirical drainage modeling formula for waterlogging control hydrological computation for the Huaihe Plain only considers two factors,the design net rainfall and the drainage area.It cannot reflect the relationship between peak discharge and runoff volume for complex underlying surface regions.In order to solve this problem,GIS technology was used to divide catchments according to a DEM and determine the flow direction. According to the hydrogeological map and soil profile,a GIS layer was constructed and a distributed waterlogging control hydrological model was developed.This model can be applied to waterlogging control hydrological computation in ungauged watersheds.Historical data were used to adjust the parameters of the model.The results show that the simulation accuracy can reach the criterion of Grade A stipulated in the Standard for Hydrological Information and Hydrological Forecasting.

distributed hydrological model;waterlogging control;hydrological computation;GIS;Huaibei Plain

P333

A

10046933(2014)04001404

20140401 編輯：高渭文)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.004

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07506-004-003);國家自然科學基金(51109138);南京水利科學研究院基金(Y512005);水利部公益性行業科研專項(201301002)

趙宏臻(1989—),男,碩士研究生,研究方向為洪水預報。E-mail：e_zhen@126.com

陳鳴,教授級高級工程師。E-mail：mchen@nhri.cn