降水時空變異性對遼寧西部洪水模擬精度影響的定量評估研究

師戰偉

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039)

區域降水時空分布呈現非均勻性，而降水時空分布的不均性將對區域洪水模擬精度產生最為直接的影響，為此需要對降水時空變異性對區域洪水精度影響進行定量評估，從而提高區域洪水模擬精度的影響。當前，國內學者大都集中于降水時間變化對區域洪水模擬影響的定量評估[1- 5]，對于降雨空間變異性對區域洪水模擬研究還較少，特別是在遼寧西部地區還未進行相關研究，而遼寧西部區域降水時空分布十分不均勻，使得區域洪水模擬精度較低，為此需要定量評估降水時空變異性對遼寧西部洪水模擬精度的影響。為此本文引入在遼寧西部運用較為成熟的非飽和產流模型[6- 9]，并結合單位線匯流方法，分別分析靜態和動態參數下區域降水時空變異性對洪水模擬精度的影響。研究成果可為遼寧西部洪水模擬提供降水時空尺度的選擇方案。

1 研究方法

本文采用在遼寧西部應用較為成熟的遼寧非飽和產流模型，該模型主要依據超滲計算原理，對于超滲產流區，采用遼寧非飽和模型計算。流域蓄水容量曲線如下。

(1)

式中，F0—產流面積，km2；F—流域面積，km2；β—流域參數；f—下滲率；P—降雨量，mm。據此，可推求時段產流量。

(2)

(3)

匯流計算采用綜合單位線法。單位線受氣候、下墊面及流域幾何特征的影響。其中，下墊面因素直接反應在經驗公式里，幾何特征則是向無資料地區外延的參數。研究以峰值qm與上漲歷時tn作為單位線的表征，并與流域幾何特征參數進行綜合。對于遼寧省，單位線峰值與流域面積F、河道平均坡度J、河長L、流域形狀系數密切相關；單位線上漲歷時是的函數。1h單位線峰值、上漲歷時與流域幾何特性的關系為：

qm=DMg (4)

tn=AGb

(5)

式中，D、g、A，b—相關線的截距于斜率。

M=J0.25f0.5F

(6)

G=LJ-0.5

(7)

時段單位線計算時，先按綜合經驗單位線法確定其峰值及上漲歷時，通過變化求得參數n、k和瞬時單位線，最后通過S(t)曲線轉化為任意時段單位線。

n=P+1

(8)

K=1/(P/tn)=tn/P

(9)

式中，n、k、p—單位線參數；tn—上漲歷時，h。

本文分別采用動態和靜態參數分析降水時空變異對洪水模擬精度的影響，其中在分析降水空間變異對洪水模擬精度影響時，建立了研究區域柵格水文模型，結合地理信息空間插值方法將降水數據插值到每個柵格中，各柵格采用同一組參數進行洪水模擬。

2 降雨時空變異對徑流過程影響

2.1 研究區域概況

研究區域集水面積為352km2，區域內有6個降水站點，研究區多年平均降水量為600～800mm，屬于干旱半干旱區域，本文分別結合不同降水時間和空間尺度，結合遼寧非飽和產流模型，定量評估分析降水時空變異對區域洪水模擬精度的影響。

2.2 降水時間變異性對流域洪水模擬影響定量評價

2.2.1靜態參數下的降水時間變異對洪水模擬精度的影響

為分析靜態參數(不同洪水采用同一組模型參數)降水時間尺度變化對區域洪水模擬精度的影響，結合區域內2場典型大洪水，分析靜態參數下降水時間變異對區域洪水模擬精度的影響，評估結果見表1，并繪制了典型洪水不同時間尺度的洪水過程對比結果，對比結果如圖1所示。

從表1可以看出，在靜態參數下隨著降水時間尺度的縮短，其洪峰和洪量計算誤差減少較為明顯，隨著降水時間尺度逐步遞減，區域洪量和洪峰計算誤差的遞減率均值分別為-8.99%和-5.85%，但對洪水過程(峰現時間、確定性系數)影響程度較小，這主要是降水時間尺度越短，單位線時段轉換的時間縮短，因而對其洪峰和洪量影響較大。從圖1中選取的典型洪水各時段過程對比結果也可以看出，各時間段洪水過程變化差異較大，但是隨著降水時間尺度的縮短，洪峰和洪量的計算偏差都有較為明顯的減小。

2.2.2動態參數下的降水時間變異對洪水過程影響

在靜態參數分析的基礎上，采用動態參數(不同降水時間尺度采用不同參數)定量分析動態參數下降水時間變異對洪水過程的影響，模型動態參數設置結果見表2，各時間尺度下洪水對比結果見表3。

表2 遼寧非飽和產流模型動態參數設置結果

圖1 靜態參數下#20130722典型洪水不同降水時間尺度洪水過程對比

洪水編號201108052014072620150722時間分辨率1h5h7h1h5h7h1h5h7h確定性系數0.7540.5290.5150.8530.6430.5940.7870.5520.513洪峰誤差/%8.956.546.2110.219.459.157.597.216.48峰現時間誤差/h0-1-1222-1-10洪量誤差/%-10.12-9.75-8.47-11.23-10.11-9.21-9.35-8.49-7.95

從表3可以看出，在動態參數下，降水時間變異性對洪水過程影響程度較低，各洪水過程下，洪峰和洪量計算誤差隨降水時間縮短，其遞減幅度均值分別為-1.64%和-1.68%，在動態參數下，降水時間變異性對研究區域洪水模擬精度影響較小。這主要是因為動態參數下，綜合考慮了降水時間變異性對洪水模擬的影響，因而在動態參數下降水時間變異對洪水模擬精度影響程度較低。

3 降水空間變異性對洪水模擬影響定量評價

在分析降水時間變異的基礎上，建立基于柵格尺度的遼寧非飽和產流模型，定量分析靜態和動態參數下不同空間分辨率(柵格大小)降雨數據對洪水模擬精度的影響，分析結果見表4、5。

從表4、5中可以看出，在靜態參數下，隨著降水空間分辨率的遞減，其洪量和洪峰計算誤差都有較為明顯的縮減，隨著降水空間分辨率的逐級變化，變幅均值分別達到7.94%和9.44%，而在動態參數下，洪量和洪峰計算誤差變幅較小，分別為2.49%和2.46%，這主要是因為在靜態參數下，隨著降水空間分辨率的精確，降水在空間上的差異

表4 靜態參數下降水空間變異性對洪水模擬精度的影響結果

表5 動態參數下降水空間變異性對洪水模擬精度的影響結果

性得到減小，因為提高了洪水模擬的精度。而在動態參數下，由于考慮了參數的優化性，削減了降水空間變異對洪水模擬精度的影響，使得在動態參數下，洪水模擬精度影響程度較低。

4 結語

本文結合遼寧非飽和產流模型，對遼寧西部某區域降水時空變異對洪水模擬精度影響進行定量評估，評估取得以下結論。

(1)靜態參數下，降水時空變異性對洪峰和洪量誤差影響程度明顯，但對洪水過程如峰現時間誤差和過程擬合度影響較低。

(2)動態參數下，由于綜合考慮參數優化性，降水時空變異對洪水模擬精度影響較低，因此應著重考慮靜態參數下降水時空變異性對洪峰模擬精度的影響。

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