城市化發(fā)展背景下缺資料地區(qū)徑流量分析

余勝男，樊仕寶，張玉英

(1.深圳市光明區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，廣東 深圳 518000；2.深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000)

深圳市地處廣東省南部，珠江口東岸，東臨大亞灣和大鵬灣，西瀕珠江口和伶仃洋，南部的深圳河與香港相連，北部與東莞、惠州兩城市接壤。深圳作為改革開放先行地，經(jīng)歷了超40年的大規(guī)模建設(shè)，從一個(gè)邊陲小鎮(zhèn)發(fā)展到充滿活力和創(chuàng)新力的國(guó)際化大都市，是我國(guó)快速城市化的典型地區(qū)之一。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，本地區(qū)生產(chǎn)生活需水量連續(xù)增長(zhǎng)；同時(shí)，隨著生活水平的進(jìn)一步提高，人民對(duì)美好生活的向往需求逐漸強(qiáng)烈，河湖生態(tài)環(huán)境需水量也進(jìn)一步提升，導(dǎo)致深圳總需水量倍增，成為全國(guó)嚴(yán)重缺水城市之一[1]。開展區(qū)域內(nèi)徑流量分析，對(duì)充分發(fā)揮本地水資源效益，實(shí)現(xiàn)深圳市高效配置生活生產(chǎn)生態(tài)用水具有重要意義。然而特定的歷史發(fā)展原因，導(dǎo)致過(guò)去三十多年深圳市水文站點(diǎn)稀少，長(zhǎng)系列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大量缺乏[2]，目前徑流量計(jì)算大多根據(jù)省級(jí)徑流等值線量算[3]，但深圳本土1997km2的市域面積僅為全省的1%，徑流等值線的勾畫于深圳而言精度較低，因此缺資料地區(qū)水資源量存在不確定性。且等值線查算結(jié)果統(tǒng)計(jì)尺度為年，無(wú)法直接獲得季、月、旬、日時(shí)間尺度的徑流資料。本文充分調(diào)查收集深圳市城市化發(fā)展前的天然狀態(tài)下短系列歷史水文資料，通過(guò)一系列的分析，計(jì)算出研究區(qū)域的徑流量及其分布情況，為區(qū)域水資源開發(fā)利用、緩解水資源短缺局面提供理論技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)基本情況

1.1 水文氣象基礎(chǔ)資料

研究區(qū)位于珠江流域東江中下游支流，為河流發(fā)源地的短小支流，土地面積168km2，研究區(qū)境內(nèi)現(xiàn)有的流量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建站時(shí)間較晚，大多為2018年前后，監(jiān)測(cè)資料數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于10年。但經(jīng)歷史資料調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)下陂水文站有1959年至1968近10年逐日流量、降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。研究區(qū)內(nèi)雨量觀測(cè)站點(diǎn)13個(gè)，大部分為氣象部門觀測(cè)站點(diǎn)，觀測(cè)系列在30年以上的測(cè)站僅有1個(gè)，即三洲田水庫(kù)雨量站。本次收集該站點(diǎn)1961—2020年雨量數(shù)據(jù)。蒸發(fā)資料方面，深圳市水文觀測(cè)蒸發(fā)站點(diǎn)較少，大部分站點(diǎn)2010年前后才開始監(jiān)測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)，蒸發(fā)數(shù)據(jù)系列長(zhǎng)度無(wú)法滿足使用需求。研究區(qū)西南方向約40km處有國(guó)家氣象站深圳站，本次收集其1961—2020年逐日平均相對(duì)濕度、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速資料。

1.2 水文氣象資料分析

1.2.1三洲田雨量站資料檢驗(yàn)

以三洲田水庫(kù)雨量站為基本站資料，對(duì)1961—2020年的實(shí)測(cè)降雨量系列進(jìn)行分析，1961—2020年雨量平均值為2150mm，采用累積平均值過(guò)程線對(duì)資料“代表性”進(jìn)行檢驗(yàn)，并利用累積距平值[4]、相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法[5]、Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[6]和Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[7]對(duì)系列的一致性進(jìn)行了檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明三洲田水庫(kù)雨量站年、汛期、非汛期降雨量有一定的上升趨勢(shì)，但統(tǒng)計(jì)變量均未超過(guò)95%臨界值，趨勢(shì)并不顯著說(shuō)明通過(guò)一致性假設(shè)檢驗(yàn)。

表1 降雨量趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)

1.2.2下陂站水文資料檢驗(yàn)

下陂水文站由廣東省水文局設(shè)立，資料經(jīng)過(guò)嚴(yán)格整編，刊印于《珠江流域水文年鑒》，流量、降雨資料可靠。本次收集下陂水文站上世紀(jì)60年代觀測(cè)資料，屬于城市化發(fā)展前期，測(cè)量點(diǎn)位置未作大的調(diào)整，站點(diǎn)控制區(qū)域內(nèi)氣候條件基本穩(wěn)定、人類活動(dòng)影響較小，資料系列具有一致性。此外，下陂水文站1959—1968年實(shí)測(cè)降雨資料，平均降雨量為1845mm，最大降雨量為2576.8mm(1964年，豐水年)，最小降雨量為899.6mm(1963年，枯水年)，資料系列涵蓋豐水年及枯水年且平均值接近三洲田雨量站長(zhǎng)系列多年平均值(2150mm)，其實(shí)測(cè)資料能反映豐水年、枯水年產(chǎn)匯流過(guò)程，資料系列具有代表性。

1.2.3蒸發(fā)資料折算分析

為獲得長(zhǎng)系列逐日蒸發(fā)資料，本次收集國(guó)家氣象站深圳站1961—2020年觀測(cè)資料，采用蒸發(fā)量(E)的經(jīng)驗(yàn)公式[8]計(jì)算研究區(qū)逐日蒸發(fā)量。

1.3 研究區(qū)下墊面情況

研究區(qū)在經(jīng)過(guò)多年發(fā)展后，城市化增加了房屋和道路等不透水面積及排水設(shè)施，下墊面發(fā)生較大變化，改變了徑流形成的條件。本文對(duì)其下墊面情況進(jìn)行解析，劃分生態(tài)區(qū)(73.81km2)及公園綠地(39.97km2)、水面(2.012km2)、硬化路面及屋面(51.54km2)、非鋪砌土路面(0.55km2)等類型。研究區(qū)下墊面解析結(jié)果如圖1所示。

圖1 研究區(qū)下墊面解析成果示意圖

2 NAM模型構(gòu)建

2.1 模型簡(jiǎn)介

NAM模型是一個(gè)集總參數(shù)的概念性水文模型，它模擬的是自然流域的降雨徑流[9]。模型將水循環(huán)中的土壤狀態(tài)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述成一系列簡(jiǎn)化的量的形式，分4層蓄水體進(jìn)行流域產(chǎn)匯流模擬計(jì)算，4層蓄水體分別為融雪蓄水層(snow storage)、地表蓄水層(Surface Storage)、淺層蓄水層(Lower Zone Storage)、地下蓄水層(Groundwater Storage)。降水進(jìn)入地表蓄水層后，先用于植物蒸發(fā)和補(bǔ)充地表蓄水層蓄水，當(dāng)?shù)乇硇钏畬有钏^(guò)蓄水能力時(shí)，將生成地表徑流。

2.2 模型適應(yīng)性分析及參數(shù)優(yōu)選

研究區(qū)地處我國(guó)南方珠江三角洲濕潤(rùn)地區(qū)，氣候暖熱，降水豐沛，年際變差較大，其生態(tài)區(qū)(73.81km2)流域植被覆蓋較好，表土的下滲能力很強(qiáng)，流域內(nèi)壤中流和地下徑流豐富，地下水埋深較淺，具有蓄滿產(chǎn)流的特點(diǎn)。生態(tài)區(qū)位于深圳市生態(tài)控制線范圍內(nèi)，滿足自然流域的特征，因此選用適合于本地區(qū)的NAM模型進(jìn)行分析。

模型率定期為城市化前的1959—1968年，采用下陂水文站實(shí)測(cè)降雨、實(shí)測(cè)徑流以及深圳氣象站同期計(jì)算蒸發(fā)數(shù)據(jù)，將降雨、蒸發(fā)資料系列作為模型的輸入條件，給定模型地表和根區(qū)儲(chǔ)水層含水量，坡面流和壤中流，地下水埋深初始條件，以模擬徑流過(guò)程與實(shí)測(cè)徑流過(guò)程之間總水量平衡、徑流過(guò)程線形狀相似作為目標(biāo)函數(shù)，調(diào)整優(yōu)化模型參數(shù)[10]，直至模型效果收斂為止，對(duì)應(yīng)參數(shù)即為模型參數(shù)優(yōu)選成果。

2.3 模型擬合效果

2.3.1模型模擬結(jié)果

采用 NAM 模型對(duì)下陂站1959—1968年10年模擬徑流深與實(shí)測(cè)年徑流深對(duì)比，最大相對(duì)誤差為-17%，平均相對(duì)誤差-1%，結(jié)果見(jiàn)表2。10年實(shí)測(cè)平均年徑流系數(shù)為0.505，和模擬平均年徑流系數(shù)為0.512基本一致，結(jié)果見(jiàn)表3。模型模擬過(guò)程及實(shí)測(cè)過(guò)程對(duì)比如圖2所示，模型模擬累積過(guò)程及實(shí)測(cè)過(guò)程對(duì)比如圖3所示。

圖2 下陂站NAM模型模擬過(guò)程及實(shí)測(cè)過(guò)程圖

圖3 下陂站NAM模型模擬累積過(guò)程及實(shí)測(cè)過(guò)程圖

表2 下陂站NAM模型模擬徑流深結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表3 下陂站NAM模型模擬徑流系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.3.2模型評(píng)定

根據(jù)GB/T 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》[11]，在調(diào)試參數(shù)時(shí)，擬合精度以兩種目標(biāo)函數(shù)表達(dá)，即確定性系數(shù)準(zhǔn)則和合格率準(zhǔn)則。預(yù)報(bào)項(xiàng)目的精度按合格率或確定性系數(shù)的大小分為3個(gè)等級(jí)，預(yù)報(bào)項(xiàng)目精度等級(jí)規(guī)定確定見(jiàn)表4。

表4 研究區(qū)生態(tài)控制區(qū)年設(shè)計(jì)徑流深成果表

表4 預(yù)報(bào)精度等級(jí)表

下陂站1959—1968年模型模擬徑流深總體相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，最大相對(duì)誤差為1967年16.8%，其余年份最大相對(duì)誤差基本在10%左右，均小于20%，所以模型合格率指標(biāo)評(píng)定為甲級(jí)。經(jīng)計(jì)算，模型確定性系數(shù)為0.76，由表4可知，模型確定性系數(shù)指標(biāo)評(píng)定為乙級(jí)。綜上可知，模型模擬結(jié)果好，對(duì)研究區(qū)缺實(shí)測(cè)徑流資料的情況，可用于生態(tài)區(qū)天然條件下降雨～徑流分析計(jì)算。

2.4 模型預(yù)測(cè)結(jié)果

應(yīng)用率定的模型參數(shù)，將1961—2020年蒸發(fā)資料及三洲田雨量站的逐日雨量資料作為模型輸入，計(jì)算得到的1961—2020年徑流深系列，采用P-III型曲線適線，年徑流深頻率曲線如圖3所示，徑流深統(tǒng)計(jì)參數(shù)及成果見(jiàn)表5。同時(shí)，根據(jù)《廣東省水文圖集》，查得坪山河流域多年平均年徑流深1100mm，徑流統(tǒng)計(jì)參數(shù)Cv=0.38，Cs=2Cv，可計(jì)算各個(gè)頻率下的設(shè)計(jì)徑流深，可知本次模擬計(jì)算值與水文圖集查圖成果基本一致，本次徑流分析成果合理，本次采用模擬計(jì)算成果。

3 研究區(qū)產(chǎn)流特性分析

應(yīng)用NAM模型模擬了研究區(qū)生態(tài)控制區(qū)域內(nèi)的長(zhǎng)系列徑流過(guò)程，將模型模擬歷年徑流量逐旬分析可知，4—10月徑流量占比與降雨量全年比重占比相當(dāng)，約為全年的90%，說(shuō)明深圳河道雨洪同期的規(guī)律明顯，年內(nèi)各旬占比見(jiàn)表6。

表6 多年平均年內(nèi)各旬月徑流深、降雨統(tǒng)計(jì)表

另外，研究區(qū)為河流發(fā)源地的短小支流，河道屬于雨源型河流，一場(chǎng)降雨一場(chǎng)洪水過(guò)程，產(chǎn)匯流時(shí)間均在1d內(nèi)。

4 徑流量分析

4.1 城市建設(shè)區(qū)徑流量

研究區(qū)建城區(qū)下墊面發(fā)生較大變化，城市產(chǎn)匯流機(jī)理相對(duì)天然狀態(tài)下有較大結(jié)構(gòu)調(diào)整，根據(jù)GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]中對(duì)各種下墊面徑流系數(shù)的參考界定，公園綠地(徑流系數(shù)0.15)、水面(徑流系數(shù)1)、硬化路面及屋面(0.9)、非鋪砌土路面(0.35)，由于城市相對(duì)硬化下墊面產(chǎn)流、管網(wǎng)匯流后其產(chǎn)匯流時(shí)間小于24h，故利用三洲田水庫(kù)逐日降雨量乘對(duì)應(yīng)徑流系數(shù)可計(jì)算各下墊面逐日產(chǎn)流量。

4.2 研究區(qū)徑流總量

將各分區(qū)內(nèi)徑流量成果求和得到研究區(qū)多年平均徑流量為18622萬(wàn)m3，其中建城區(qū)和生態(tài)區(qū)徑流量具體見(jiàn)表7。

5 結(jié)語(yǔ)

城市化發(fā)展背景下缺資料地區(qū)水資源量分析計(jì)算問(wèn)題是現(xiàn)今許多城市面臨的難題，本文充分考慮深圳市一半山水一半城，以及研究區(qū)位于東江中下游支流的上游河源段，無(wú)過(guò)境水，流域面積小、比降大，產(chǎn)匯流時(shí)間不超過(guò)24h等典型特征后，將缺資料地區(qū)水資源量劃分為生態(tài)區(qū)及建成區(qū)來(lái)計(jì)算，從而獲得逐日區(qū)域徑流量。該數(shù)據(jù)對(duì)于河道生態(tài)環(huán)境景觀用水平衡分析具有重要意義。本文對(duì)于生態(tài)區(qū)徑流量計(jì)算中，經(jīng)模擬值與實(shí)測(cè)值、《廣東省水文圖集》誤差分析論證模型合理性，但建城區(qū)下墊面徑流系數(shù)采用的是GB 50014—2021中的數(shù)值，對(duì)于研究區(qū)域需結(jié)合未來(lái)深圳市水文站網(wǎng)建設(shè)逐步完善后進(jìn)一步率定。