天山北坡恰塔斯流域產(chǎn)匯流模型建立淺析

王槐軍

（伊犁水文勘測(cè)局,新疆 伊寧 835000）

0 前言

降雨徑流過程預(yù)報(bào)是降雨徑流預(yù)報(bào)的組成部分,即已知流域產(chǎn)流后計(jì)算流域出口斷面的流量過程[1]。流域產(chǎn)匯流過程在不同的匯流階段,具有不同的特性[2]。單位線法是將流域作為整體,認(rèn)為單位線不變化,也就是將流域產(chǎn)匯流看做一個(gè)不變的系統(tǒng),是一個(gè)“黑箱子”,流域產(chǎn)匯流只是由輸入求出輸出,中間過程由“黑箱”操作,而流域的單位線可以由水文測(cè)站實(shí)測(cè)的輸出和輸入資料通過反演得到,選取單位線法進(jìn)行流域產(chǎn)匯流計(jì)算,從而建立流域產(chǎn)匯流模型[3-5]。本文選取恰塔斯流域恰塔斯水文站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析研究,以供廣大水文同仁們參考使用。

1 流域的選取

單位線法在流域面積較小的流域進(jìn)行匯流計(jì)算時(shí),非線性影響較小,單位線常保持單一,而且小面積上降雨比較均勻,現(xiàn)水文測(cè)站大多都建立在出山口處,氣象輔助觀測(cè)設(shè)施也建立在出山口處,在小流域上,其點(diǎn)降水觀測(cè)數(shù)據(jù)大體上能夠代表整個(gè)流域的降水情況。本次選定使用恰塔斯水文站的相關(guān)資料,以恰塔斯河作為本次產(chǎn)匯流分析研究的對(duì)象。

2 流域概況

恰塔斯河北依天山支脈科古琴山,受地質(zhì)構(gòu)造影響,研究區(qū)涉及流域沉積了巨厚的第四紀(jì)松散的沉積物,主要巖性為黃土狀粉土或粉質(zhì)粘土、砂礫、礫卵石層。恰塔斯河流域,2800 m 以上的高山,土壤為高山草甸土,植被主要是矮生墊狀蒿草苔草；海拔1500 m～2800 m 的中山深林帶,土壤為亞高山草甸土,并分布著一些深林,海拔1500 m 以下為低山丘陵帶,土壤為栗鈣土、黃土、灰鈣土,植被較差。

在出山口處建有恰塔斯水文站,為國(guó)家基本站、天山南坡區(qū)域小河代表站,于1956 年9 月設(shè)立,1971 年10 月下遷5 km 觀測(cè)至今。測(cè)站控制斷面以上集水面積291 km2,河長(zhǎng)43 km,觀測(cè)項(xiàng)目包括水位、流量、降水量、蒸發(fā)量、懸移質(zhì)泥沙、水溫、氣溫、水質(zhì)等資料。上游現(xiàn)無水利工程。

恰塔斯河水源補(bǔ)給為地下水、冰川融雪水和降雨,年最大洪水為混合型,洪水歷時(shí)較長(zhǎng),同時(shí)在出現(xiàn)暴雨時(shí)也易產(chǎn)生暴雨型洪水,流域內(nèi)洪水類型主要有融雪型洪水、暴雨型洪水和融雪與暴雨混合型洪水三種洪水類型,本次主要是對(duì)暴雨型洪水進(jìn)行研究分析,恰塔斯河流向由北向南,地形坡度大,河槽切割較深,利于匯流,為暴雨洪水的形成提供了有利的條件。

3 單位線法原理

單位線法最早是由謝爾曼提出的,定義是流域上分布均勻的單位直接徑流凈雨所形成的徑流過程線,單位是指單位時(shí)段內(nèi)單位凈雨深,時(shí)段可任意取,如：1 h,2 h,3 h,……,單位凈雨深在我國(guó)常取10 mm。

實(shí)際發(fā)生的凈雨,常常不是一個(gè)時(shí)段,也不是一個(gè)單位,實(shí)際應(yīng)用時(shí),有以下假定：

（1）倍比假定,如果單位時(shí)段內(nèi)的凈雨深是n個(gè)單位,它所形成的出流過程線,總歷時(shí)與單位線相同,流量則為單位線的n倍。

（2）疊加假定,如果凈雨歷時(shí)是m個(gè)時(shí)段,則各凈雨所形成的出流過程之間互不干擾,出流斷面的流量過程,等于m個(gè)出流過程之和。

出流Qd,單位線縱坐標(biāo)q和直接凈雨rd間的關(guān)系為：

式中：t為計(jì)算時(shí)刻；i為凈雨時(shí)段數(shù),從1 到m；rd為計(jì)算時(shí)取單位凈雨深（10 mm）的倍數(shù)；Qd為直接徑流流量,m3/s。

單位線可由實(shí)測(cè)資料分析,由實(shí)測(cè)徑流Qd過程和直接徑流時(shí)段凈雨rd,反推逐個(gè)求得q值。具體公式如下：

其中j=1 時(shí)

由以上公式,根據(jù)實(shí)測(cè)資料,逐個(gè)進(jìn)行計(jì)算,直至求出qn,這樣就可以得到一組q的值,即單位線的計(jì)算值。

計(jì)算前首先要求得Qd和rd過程,Qd～t由分割地下水的方法求得,rd可由流域內(nèi)實(shí)測(cè)降雨徑流資料確定的穩(wěn)定下滲率值計(jì)算求得。

4 單位線法推求

恰塔斯河暴雨洪水多集中發(fā)生在7 月～8 月,洪水過程特征一般是獨(dú)立的峰形,無明顯日變化,過程尖瘦或陡漲緩落,漲水歷時(shí)短,一般在0.5 h～1.5 h 左右,漲率大,洪峰流量大,落水歷時(shí)較長(zhǎng),洪量小,是北山區(qū)各河流比較主要的洪水類型之一。為避免前期降水對(duì)徑流過程的影響,在選取典型暴雨洪水過程時(shí),挑選前期久旱無雨,形成洪水過程線是單峰,且徑流過程包含全降水過程,并由降雨主導(dǎo)形成的洪水過程作為典型徑流過程用來推算單位線。最終選取流域2016 年7 月15 日發(fā)生的暴雨洪水作為典型洪水,洪峰流量為144 m3/s,洪水歷時(shí)約2 h。根據(jù)實(shí)測(cè)資料,本次徑流過程包含2 個(gè)降雨時(shí)段,計(jì)算其凈雨rd1、rd2分別為7.4 mm、2.4 mm,Δt選取1 h。由于實(shí)際降雨,流量資料是有誤差的,計(jì)算rd和分割水源中也會(huì)帶入誤差,誤差的累計(jì)和傳遞會(huì)使計(jì)算得出的單位線出現(xiàn)鋸齒狀的波動(dòng),當(dāng)誤差累積到一定量時(shí),還會(huì)出現(xiàn)負(fù)值,所以要對(duì)計(jì)算后的單位線進(jìn)行合理性修正,具體計(jì)算過程見表1。

5 討論

單位線法要求凈雨在面上均勻分布,這也是本次研究分析選取流域面積較小的原因,而凈雨的分布情況與凈雨的分布、凈雨中心的位置、暴雨中心的走向等有關(guān),還需進(jìn)一步驗(yàn)證、解決。在現(xiàn)階段的分析中存在以下問題：

（1）單位線法對(duì)實(shí)測(cè)資料凈雨rd計(jì)算精度要求較高,目前缺乏前期對(duì)凈雨的研究和試驗(yàn)。

（2）在典型洪水過程的選擇上,水文測(cè)站的輔助氣象觀測(cè)資料代表性較低,許多排位較前的大洪水多是由山區(qū)的降水形成的,而水文測(cè)站出山口處的降水實(shí)測(cè)資料過程與洪水過程不一致,甚至無降水資料。

（3）目前,僅用水文測(cè)站的觀測(cè)資料,無法滿足研究分析的需求,還需其他流域內(nèi)的觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)（如：雨強(qiáng)、土壤下滲強(qiáng)度、田間持水量、地下水等）的支撐,以用來分析計(jì)算,或多方法驗(yàn)證求解。

6 結(jié)論

單位線是綜合了影響流域匯流的多種因素,由于是“黑箱”操作,對(duì)于形成匯流的過程不做具體研究,完全是由輸入、輸出資料計(jì)算獲得。而單位線本身是由實(shí)測(cè)資料反推出來的,其形成規(guī)律完全符合研究流域匯流的特性,這也是單位線法主要的優(yōu)點(diǎn)和使用效果較好的原因。若各次洪水推得的單位線變化不大,取平均后可用于預(yù)報(bào)。隨著后期資料的不斷完善,樣本容量的增加,對(duì)單位線不斷地進(jìn)行驗(yàn)證,就能得出更加準(zhǔn)確、符合流域特性的單位線。