雙超模型在小流域洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

□□（華北水利水電大學(xué)）

雙超模型在小流域洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

□邱 林□薛 飛（華北水利水電大學(xué)）

在半干旱半濕潤地區(qū)，其降雨徑流的形成過程十分復(fù)雜，既有蓄滿產(chǎn)流，又有超滲產(chǎn)流。為了適應(yīng)這種復(fù)雜的降雨徑流的形成機(jī)制，建立適用于超滲產(chǎn)生地表徑流和超蓄產(chǎn)生壤中流的“雙超”產(chǎn)匯流模型，并將其應(yīng)用于山西省古縣小流域洪水模擬預(yù)報(bào)。計(jì)算結(jié)果表明，該模型模擬預(yù)報(bào)的洪水過程與實(shí)測洪水過程基本吻合。

降雨徑流；產(chǎn)流；匯流；洪水預(yù)報(bào)

0 引言

中國北方大多屬于半干旱半濕潤地區(qū)，降雨的時空分布很不均勻，干旱季節(jié)降雨很少，土壤處于缺水狀態(tài)，其產(chǎn)匯流與濕潤地區(qū)產(chǎn)匯流特征區(qū)別明顯。新安江模型通常以蓄滿產(chǎn)流為基礎(chǔ)，適用于濕潤地區(qū)；陜北模型以超滲產(chǎn)流為基礎(chǔ)，其適用于干旱地區(qū)。對半干旱半濕潤的地區(qū)，既有蓄滿產(chǎn)流，又有超滲產(chǎn)流，單獨(dú)使用新安江模型或陜北模型，難以取得理想的效果。

介于濕潤與干旱之間的半干旱半濕潤地區(qū)的產(chǎn)流方式，從理論上講，應(yīng)該是超滲超持的，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過下滲能力后產(chǎn)生地面徑流，即超滲產(chǎn)生地面徑流；當(dāng)流域中的土壤蓄水量超過田間持水量時產(chǎn)生壤中流，即超持產(chǎn)生壤中流和地下徑流。因而，該類地區(qū)的產(chǎn)流機(jī)制與規(guī)律，需要使用具有雙超結(jié)構(gòu)的產(chǎn)流模型進(jìn)行模擬。文章在對雙超模型研究的基礎(chǔ)上，以山西省古縣小流域?yàn)槔?，運(yùn)用雙超模型進(jìn)行了洪水模擬應(yīng)用研究。

1 雙超模型結(jié)構(gòu)

1.1 雙超模型的原理及結(jié)構(gòu)

雙超模型是一個分布式水文模型，這種模型全面考慮降雨和下墊面時間和空間分布的不均勻性，利用雙超模型降雨和下墊面要素的空間變化能夠?qū)樗纬勺龀龀浞值姆从场Ａ硗猓Ｐ蛯φ羯l(fā)、土壤水分、徑流深等空間不均性要素進(jìn)行輸出。

雙超模型的主要思路是：先將流域劃分成若干個大小不一的網(wǎng)格，在每個網(wǎng)格中分別輸入不同的降雨資料，通過各網(wǎng)格內(nèi)下墊面要素及高程，利用不同的參數(shù)分別對每個網(wǎng)格進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算；通過網(wǎng)格高程的不同，確定各網(wǎng)格的流向，根據(jù)各網(wǎng)格的坡度、糙率和土壤等因素的不同確定參數(shù)，將其徑流演算成流域出口斷面的徑流過程。其中雙超模型的參數(shù)由地形、地貌等數(shù)據(jù)以及結(jié)合實(shí)測的歷史洪水資料率定得到的。

雙超產(chǎn)流模型認(rèn)為：當(dāng)降雨強(qiáng)度大于入滲能力后的降水就會形成地表徑流，是徑流的一部分而不是全部，如果滲入包氣帶或影響層內(nèi)的降水達(dá)到田間持水量后，就會產(chǎn)生壤中流和地下徑流，產(chǎn)生的壤中流和地下徑流是在重力水的影響下沿分層介質(zhì)流動的。這就是“雙超模型”的產(chǎn)流機(jī)制，即超滲產(chǎn)生地表徑流，超持產(chǎn)生壤中流和地下徑流。

由于流域內(nèi)各點(diǎn)的入滲能力和土壤機(jī)制不同，所以將下滲曲線與下滲能力的流域分配曲線結(jié)合進(jìn)行歸一化分配，應(yīng)用納什單位線進(jìn)行匯流計(jì)算，這就是運(yùn)用“雙超模型”進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算的方法。

1.2 產(chǎn)流模型

1.2.1 雙超模型入滲公式（Richards方程新解）

式中：f為入滲率曲線函數(shù)；Sr為充分風(fēng)干土壤吸收率；Ks為土壤最大導(dǎo)水率滲前土壤充水度；θ為土壤濕度；n為0土壤孔隙率；c為土壤孔徑級配參數(shù),值域一般為3～6；F為累計(jì)入滲曲線函數(shù)；t為時間。

1.2.2 雙超模型入滲能力歸一化分配曲線

在同一坐標(biāo)系中把各點(diǎn)的入滲能力繪出，這肯定是一組雜亂無章、無規(guī)律的曲線簇。當(dāng)流域的充水度為曲線簇一定存在著一個最大的入滲率連接起來，這就形成了下滲歷時曲線其稱為虛構(gòu)點(diǎn)的下滲能力曲線，記為fm這對于一個固定的流域而言，所形成的曲線應(yīng)該是唯一的。

式中：B分配級數(shù)，α0-臨界雨強(qiáng)。

匯流時地表徑流采用單位線法，壤中流采用線性水庫法。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 古縣小流域概況

古縣小流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，氣溫四季分明，春季的時候干旱并且多風(fēng)，氣溫回升的比較快，夏季高溫伴隨著多雨，秋季涼爽而且濕潤，冬季干燥寒冷。古縣小流域境內(nèi)年平均氣溫12℃左右。最冷的時候出現(xiàn)在1月份，月平均氣溫-3.60℃，最熱的時候出現(xiàn)在7月份，月平均氣溫25℃。在古縣小流域境內(nèi)測得最高氣溫為39℃，測得最低氣溫為-23.40℃。古縣小流域降水分布東北多，西南少，年平均水量558.50 mm，降雨的時間分布和空間分布極不均衡，60%的降水集中在7、8、9三個月內(nèi)，這是典型的半干旱半濕潤地區(qū)。

2.2 古縣小流域資料情況

東莊水文站是古縣流域其中一個水文站，其包括7個基本雨量站，這7個基本雨量站分布位置合理分布在東莊水文站上游的東北、東南及正東的方向。根據(jù)現(xiàn)有的降雨資料，選取具有代表性的1981，1985，1989，1996，1999，2003，2008年7a的雨情資料。

2.3 古縣小流域洪水模擬

通過雙超模型對這7場洪水進(jìn)行模擬，通過模擬結(jié)果可以看出，模型模擬歷史洪水的場次評定結(jié)果比較合理，可以將這種模型用于同類地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)以及徑流的模擬計(jì)算，如表1。

表1 雙超模型模擬歷史洪水場次評定成果表

表1模擬了歷史上的7場洪水，其中包括枯水年，平水年，豐水年，計(jì)算的數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差在允許的范圍之內(nèi)，模擬結(jié)果符合實(shí)際的要求，所以可以應(yīng)用于該地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)。

圖1和圖2分別對19770626號洪水，19710628號洪水進(jìn)行模擬，圖1表示19770626號洪水，是由3次短歷時降雨場次造成的，前兩次的降雨主要用于補(bǔ)充流域的下墊面的缺水量，并沒有形成明顯的徑流，第三次的降雨比較大，在這之前流域的降雨量已經(jīng)滿足下墊面的需水量，所以形成壤中流和地下徑流，并且形成了地表徑流。圖2表示的是19710628號洪水，兩個長歷時的降雨過程形成了19710628號洪水，這場降雨強(qiáng)度比較小，在這種長歷時降雨的作用下一直填充下墊面的需水量徑流成分當(dāng)中幾乎沒有地表徑流，當(dāng)降雨量達(dá)到了流域下墊面的田間持水量之后，開始產(chǎn)生地表徑流和壤中流，一開始是不存在壤中流的。雙超模型模擬出的徑流成分中，地表徑流和壤中流的比例也大致和以上分析相吻合，這說明對不同類型的降雨，雙超模型在該類地區(qū)具有適應(yīng)性。

圖119770626 號洪水模擬結(jié)果圖

圖219710628 號洪水模擬結(jié)果圖

通過對古縣小流域的洪水模擬，雙超模型模擬的地表徑流和壤中流的比例也大致和以上分析相吻合，這說明雙超模型在該類地區(qū)對不同類型的降雨同樣適用。通過對圖1、圖2兩場洪水進(jìn)行模擬可以知道，模擬結(jié)構(gòu)符合要求，誤差在允許范圍之內(nèi)，其參數(shù)符合要求而且彈性較大。通過分析可知“雙超模型”在半干濕地區(qū)是適用的。

3 結(jié)語

通過運(yùn)用雙超模型模擬計(jì)算古縣流域洪水，對比分析實(shí)測洪水與模擬洪水，發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算精度較高，計(jì)算結(jié)果比較理想。

文章的工作表明，在半干旱半濕潤地區(qū)運(yùn)用雙超模型進(jìn)行流域洪水模擬預(yù)報(bào)是可行的。鑒于半干旱半濕潤地區(qū)的小流域內(nèi)，降水在時空分布上隨機(jī)性大，流域下墊面狀況在空間分布上變化劇烈，洪水具有暴漲暴落的特點(diǎn)，為提高洪水預(yù)報(bào)的精度，建議在有條件的情況下適當(dāng)加密雨量觀測站網(wǎng)。

（編輯：符蕾）

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2016-11-10