改進垂向混合產流模型在營口洪水模擬中的應用

王海龍

（遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115000）

1 研究流域概況

近些年來，隨著極端氣候天氣頻發，營口地區的暴雨洪水頻率也逐步增多，為有效應對洪水，需要對洪水進行精準預報，提高區域防洪決策的科學性。營口地區常用的洪水預報方案為降雨徑流經驗關系，這種方式需要采用較長的實測數據系列，且需要對降雨徑流經驗關系進行多次修訂［1-2］。當前，水文模型的多樣化已逐步為區域洪水的精準預報提供了較好的模擬平臺［3］，這其中改進的垂向混合產流模型由于垂直方向可綜合考慮超滲和蓄滿產流機制，在北方地區適用性較好［4-9］，但在營口地區還未得到相關應用，本文結合改進的垂向混合產流模型，以營口地區典型水文站熊岳站15場實測洪水數據，分析該模型的適用性。研究成果對于營口地區洪水預報方案制定具有重要參考價值。

本文以熊岳站為研究實例，熊岳站位于熊岳河上，熊岳河位于蓋州市熊岳鎮。上游分南北兩支，南支（主支）發源于楊運鄉老帽山，北支發源于老平頂，河長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，屬暖溫帶半濕潤季風性氣候，四季分明。春季少雨多風，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。本流域暴雨多數為西風帶系統造成。本流域暴雨中心往往出現在上游八道河一帶，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 改進垂向混合產流模型原理

垂向混合產流中蓄滿、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為蓄滿產流的面積比例系數； FA為實際下滲量（mm）；Wmm為流域最大蓄水量（mm）； α為相應于初始土壤平均含水量為W時的縱坐標值；B為流域蓄水容量分布曲線指數。采用具有流域分布特征的格林—安普特下滲曲線，計算如式（2）～式（4）：

實際下滲量：

地面徑流：RS=PE-FA

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

在產流計算的基礎上，對其水源進行劃分，進入地面以下的水流RR首先補充自由水蓄水量S（mm），然后按照出流系數對壤中流和地下徑流進行劃分，劃分方程如式（3）～式（5）：

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

傳統垂向混合產流在水源劃分時地面以下徑流主要劃分為壤中流和地下徑流兩種水源，而由于在干旱半干旱地區，其土壤蓄水容量一般較大，且由于降雨和下墊面時空分布的不均勻性，土壤缺水量較小的區域遭遇一定量級的降水后其較易形成飽和地面徑流。為此運用三水源新安江結構對垂向混合產流模型的水源結構進行改進，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構

3 模型應用

結合熊岳站1964～2017年實測徑流資料，對改進模型參數進行率定，參數率定結果如表1。

表1 改進模型參數率定成果

結合熊岳站1964～2017年15場典型洪水，對比改進垂向混合產流模型在營口地區洪水模擬精度，結果如表2，并選取6場典型洪水分析改進前后垂向混合產流模型洪水過程的模擬結果，如圖2。

表2 改進前后垂向混合產流模型模擬精度對比

續表2

圖2 垂向混合產流模型典型洪水模擬

從表2可看出，改進后垂向混合產流相比于改進前，在熊岳站洪水模擬各項評價指標中都有明顯改善，其中確定性系數是表示洪水過程模擬精度的高低。改進的垂向混合產流模型的15場洪水確定性系數均值為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，而改進模型在20%以內，相比于原模型，改進模型洪峰和洪量均值分別提高9.5%和10.8%。從峰現時間合格率上，改進的垂向混合產流模型也較原模型有明顯改善，峰現時間合格率提高40%。這主要是改進的垂向混合模型綜合考慮飽和地面徑流，較原模型在水源結構上有所改善，更適合于北方地區有降雨徑流的變化特性。從圖2中選取的6場典型洪水可看出，各場次洪水實測值和模擬值的吻合度都較高，改進的垂向混合產流模型適合于營口地區的洪水模擬。

4 結語

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

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