我國(guó)無(wú)資料地區(qū)地表徑流計(jì)算技術(shù)發(fā)展與展望

曾妍妍，賈瑞亮，周金龍，2，3

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074;3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊050061)

由于目前我國(guó)水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的建設(shè)還不是很完善，只有一些較大的流域才設(shè)有水文監(jiān)測(cè)站，而在中小型流域特別是高寒山區(qū)的中小型流域中水文監(jiān)測(cè)站相對(duì)較少[1]。因此在中小流域進(jìn)行水利工程規(guī)劃以及地下水資源評(píng)價(jià)時(shí)，一般缺乏可依據(jù)的實(shí)測(cè)徑流資料，有的甚至連降雨資料都沒有，或者雖有短期實(shí)測(cè)徑流資料但無(wú)法展延。在這種情況下設(shè)計(jì)年徑流量只有通過(guò)間接途徑來(lái)推求。國(guó)內(nèi)無(wú)資料地區(qū)徑流計(jì)算的常規(guī)方法主要有水文比擬法、參數(shù)等值線圖法、徑流系數(shù)法等，21世紀(jì)以來(lái)水文模型開始應(yīng)用于無(wú)資料地區(qū)的地表徑流計(jì)算。

1 水文比擬法

水文比擬法[2]是將參證流域的水文資料移用到設(shè)計(jì)流域上來(lái)的一種方法。這種移用是以設(shè)計(jì)流域影響徑流的各項(xiàng)因素與參證流域影響徑流的各項(xiàng)因素相似為前提。因此使用水文比擬法時(shí)，關(guān)鍵在于選擇恰當(dāng)?shù)膮⒆C流域。

1.1 參證站的選擇

參證站的選擇會(huì)直接影響徑流計(jì)算成果的合理性[3]。無(wú)資料地區(qū)中小型水利工程的徑流分析成果的誤差，對(duì)工程規(guī)模和工程效益的影響程度相對(duì)較大。因此，參證站的選擇應(yīng)從以下幾點(diǎn)考慮[4－6]。

(1)參證流域?qū)崪y(cè)徑流資料主要影響因素(氣候條件、下墊面情況等)應(yīng)與設(shè)計(jì)流域相近。

(2)參證流域應(yīng)具有較長(zhǎng)的實(shí)測(cè)徑流資料。同時(shí)還要對(duì)水文資料進(jìn)行三性(即資料的可靠性、一致性、代表性)審查，以確保徑流分析成果的準(zhǔn)確性，減少計(jì)算誤差。

(3)兩者流域面積不宜相差太大，否則推算的結(jié)果可靠度不高。

1.2 實(shí)例

呂景峰(2002)以馬欄河引水樞紐為例，選取埝里水文觀測(cè)站為參證站，雖然只有10年實(shí)測(cè)徑流系列，但經(jīng)延長(zhǎng)后的水文資料可用面積比法推求馬欄樞紐處的徑流量[7]。陳洪偉等(2006)以位于新疆布爾津縣境內(nèi)的也留曼河流域?yàn)槔?，將海流灘河流域作為參證流域。兩河流域面積相差不是很大，但其徑流量相差卻較大，通過(guò)面積修正，降水量及蒸發(fā)的修正，可得到這兩條河流徑流量的多年平均比例系數(shù)，從而可以計(jì)算出設(shè)計(jì)流域年平均流量系列[8]。吳萬(wàn)虎等(2013)以新疆哈密地區(qū)為例，根據(jù)已建水文站資料，建立了有資料的各水文站8月徑流量與年徑流量間的相關(guān)關(guān)系，然后選擇合適的參證站，移用參證站8月徑流量與年徑流量間的相關(guān)關(guān)系，推算了無(wú)資料河流的年徑流量[9]。

2 參數(shù)等值線圖法

參數(shù)等值線圖法[2]是當(dāng)設(shè)計(jì)區(qū)域缺乏實(shí)測(cè)徑流資料時(shí)，可用各省(區(qū)、市)水文手冊(cè)或水文圖集上的多年平均徑流深、年徑流量變差系數(shù)Cv的等值線圖進(jìn)行地理插值，獲得統(tǒng)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而推求不同頻率下的設(shè)計(jì)徑流值。

對(duì)于工程所在地流域附近找不到參證流域，且工程所在地流域又無(wú)降雨資料，或雖有降雨資料，但代表性不夠，這種情況建議采用等值線圖法[10]。一般對(duì)于小流域，等值線圖法只對(duì)徑流成果進(jìn)行合理性分析，而不直接采用。

2.1 實(shí)例

楊文凱(2008)以屯坪水電站為例[11]，趙淑蘭(2012)以西安市灞橋區(qū)常王項(xiàng)目區(qū)擬修建的攔水壩工程為例[12]，均采用參數(shù)等值線圖法進(jìn)行徑流計(jì)算。流域內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)徑流資料，分別通過(guò)查《貴州省地表水資源》、《西安實(shí)用水文手冊(cè)》中多年平均徑流深等值線圖及多年徑流量變差系數(shù)Cv等值線圖，查得其多年平均徑流深和Cv值，借助于查P－Ⅲ型頻率曲線表，繪制年徑流頻率曲線，最終確定設(shè)計(jì)頻率的年徑流量。謝葆(2013)以麻扎溝出山口為例，采用參數(shù)等值線圖法計(jì)算多年平均徑流量。麻扎溝出山口只有一年實(shí)測(cè)資料，其長(zhǎng)度不能滿足規(guī)范要求。采用的1956～2000年多年平均年徑流深等值線圖，是根據(jù)周邊水文站點(diǎn)多年平均徑流資料進(jìn)行加密及修正，使水文站控制流域區(qū)徑流深等值線圖量算值與實(shí)測(cè)多年平均年徑流深之間的相對(duì)誤差小于±3%[13]。

3 徑流系數(shù)法

徑流系數(shù)法[14]又叫做降雨徑流關(guān)系法，對(duì)于工程所在小流域附近找不到參證流域，但具有較長(zhǎng)系列的降雨資料，經(jīng)分析有比較好的代表性，則建議采用徑流系數(shù)法。即先算出多年平均年降雨量后，再查出其多年平均年徑流系數(shù)，兩者相乘后得出其多年平均年徑流量。此法相對(duì)于無(wú)資料地區(qū)徑流量的其他推求方法，精度較高。用徑流系數(shù)法計(jì)算多年平均年徑流量，關(guān)鍵在于徑流系數(shù)的確定。

3.1 徑流系數(shù)的確定

確定徑流系數(shù)的方法有多種[10]:①對(duì)多年平均年徑流系數(shù)作出了分析成果的地區(qū)可直接查用;②參考臨近已建工程，若有計(jì)算分析或通過(guò)實(shí)測(cè)降雨徑流系列分析計(jì)算的多年平均年徑流系數(shù)可予以移用;③可在地區(qū)水文手冊(cè)(或水文圖集)上查讀出本工程流域形心處的多年平均降雨量和徑流深，從而算出其徑流系數(shù)α。徑流系數(shù)α由式(1)計(jì)算:

3.2 實(shí)例

石鵬等(2007)以鹿角壩水庫(kù)為例[15]，李學(xué)美等(2009)以貴州大營(yíng)煤礦取水口為例[14]，分別選用臨近的開陽(yáng)氣象站及流域周邊的六龍等雨量站作參證站，采用降雨－徑流關(guān)系推求設(shè)計(jì)流域的徑流量。參證站的降雨資料系列均有良好的代表性，用P－Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，計(jì)算出設(shè)計(jì)流域多年降雨量，再分別根據(jù)“多年平均年徑流系數(shù)等值線圖”及《貴州省水資源綜合規(guī)劃水資源及其開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查評(píng)價(jià)》查得多年平均徑流系數(shù)，最終可算出設(shè)計(jì)流域多年平均徑流深及徑流量。李致家等(2012)以濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)、半干旱以及干旱地區(qū)的15個(gè)典型流域?yàn)檠芯繉?duì)象，建立降雨－徑流相關(guān)關(guān)系，經(jīng)分析可知降雨徑流相關(guān)方法在濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)的精度較高，在半干旱和干旱地區(qū)的精度較低[16]。

通過(guò)徑流系數(shù)法使降水資料能夠得到更廣泛的應(yīng)用，在利用有限的資料去推求無(wú)資料地區(qū)水文數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮降水資料的使用效率，消除部分河流水文特征值盲區(qū)都具有一定的意義[17]。

4 其他常規(guī)方法

4.1 綜合分析法

楊鳴嬋等(1999)以某市擬建的一座為城市供水的地表水源工程為例，采用綜合分析法，即將水文比擬法和參數(shù)等值線圖法綜合起來(lái)，利用參證站實(shí)測(cè)徑流系列，推求無(wú)資料地區(qū)(設(shè)計(jì)站)的年、月徑流系列。該方法先按參數(shù)等值線圖確定設(shè)計(jì)流域的設(shè)計(jì)年徑流參數(shù)，再按水文比擬法的基本要求選擇參證站，計(jì)算參證站年徑流統(tǒng)計(jì)參數(shù)，利用設(shè)計(jì)站與參證站年徑流統(tǒng)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，修正參證站的年徑流系列，使之成為具有設(shè)計(jì)站統(tǒng)計(jì)特征的年徑流系列，再利用參證站各年的年內(nèi)分配，求得設(shè)計(jì)站月徑流系列，從而用于水庫(kù)的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算[18]。

4.2 區(qū)域回歸分析法

柴曉玲等(2005)以長(zhǎng)江中游干流區(qū)和漢水下游的22個(gè)子流域?yàn)槔?，?yīng)用區(qū)域回歸分析法進(jìn)行無(wú)資料地區(qū)徑流計(jì)算，采用快速樣本聚類劃分水文一致區(qū)，通過(guò)簡(jiǎn)單的水量平衡建立徑流量與特征變量的區(qū)域回歸方程，運(yùn)用加權(quán)最小二乘法估算回歸系數(shù)，推求年平均徑流及不同保證率下的徑流量[19]。

4.3 倍比系數(shù)法

吳紅燕(2013)以新疆北塔山烏倫布拉克等五條泉水河及泉眼為例，應(yīng)用倍比系數(shù)法進(jìn)行無(wú)資料地區(qū)徑流計(jì)算。倍比系數(shù)法是基于研究區(qū)實(shí)測(cè)流量資料來(lái)推求多年平均徑流量的方法，考慮了研究區(qū)各河溝的氣象條件、降水及徑流的實(shí)際情況，對(duì)計(jì)算參數(shù)綜合分析，從而建立起理論模式，因此這種方法具有一定的理論基礎(chǔ)，所受地區(qū)的局限性小，也有較好的精度，故此法具有比較廣泛的實(shí)用性。但受資料條件所限，經(jīng)驗(yàn)公式尚有待優(yōu)化、完善[20]。

4.4 水量平衡法

高萍(2011)以和布克賽爾水庫(kù)為例，采用水庫(kù)水量平衡法計(jì)算水庫(kù)設(shè)計(jì)年徑流量，并用水量估算法對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。水量平衡法以水庫(kù)調(diào)查資料為依據(jù)進(jìn)行分析，充分利用水庫(kù)區(qū)域內(nèi)以及周邊站的資料，分析各要素間的關(guān)系和變化特點(diǎn)，然后進(jìn)行計(jì)算[21]。

4.5 水文查勘法

對(duì)于完全沒有資料，也找不到相似流域的小河或間歇性河流，此時(shí)可進(jìn)行水文查勘，收集水文資料，進(jìn)行正常年徑流量的估算。這項(xiàng)任務(wù)一般是通過(guò)野外實(shí)地查勘訪問，了解多年期間典型水位過(guò)程線，河道特性，建立水位流量關(guān)系曲線，從而推算出近似的流量過(guò)程線，并估算其正常年徑流量。水文查勘工作，不僅對(duì)完全無(wú)資料的小河有必要，就是對(duì)有資料的水流域也是不可缺少的[1，11]。

4.6 地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法

經(jīng)驗(yàn)公式主要是與年徑流影響因素建立的關(guān)系，一般可以在當(dāng)?shù)氐摹端氖謨?cè)》中查得。這類方法的精度較低，但在進(jìn)行流域初步規(guī)劃，需要快速估算流域的地表水資源及水力蘊(yùn)藏量時(shí)，有實(shí)用價(jià)值[1，11，22]。

除上述方法外，在無(wú)資料地區(qū)還有用徑流深區(qū)域綜合法[24]、隨機(jī)模擬法[22]、水熱平衡法、年徑流統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖法[20]等來(lái)進(jìn)行徑流計(jì)算。

5 水文模型應(yīng)用

對(duì)于無(wú)資料地區(qū)徑流計(jì)算，除以上提及的常規(guī)方法外，建立流域水文模型也是徑流計(jì)算技術(shù)的重要手段。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，水文模型在徑流計(jì)算中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。目前世界上已有很多種流域水文模型，以下介紹的水文徑流模型主要有SCS模型、IHACRES模型及新安江模型等。

5.1 SCS模型

SCS模型又稱徑流曲線法，是用來(lái)估算無(wú)實(shí)測(cè)徑流資料地區(qū)地表徑流量的模型。其計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，所需的資料易于獲取，由于它考慮了流域下墊面的特點(diǎn)，還可用來(lái)評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響[24]。由于SCS模型最初是基于小流域設(shè)計(jì)開發(fā)，故該模型通常用于小流域徑流計(jì)[22]。

徐秋寧等(2002)用SCS模型對(duì)陜北、渭北多個(gè)小型集水區(qū)降雨徑流量進(jìn)行了分析與計(jì)算。得出SCS模型考慮了徑流與土壤特性和土地利用情況的關(guān)系，是一種較好的小型集水區(qū)徑流計(jì)算方法[25]。柳行等(2011)以土門西溝小流域?yàn)槔捎肧CS模型，利用已知的降雨數(shù)據(jù)，對(duì)徑流量進(jìn)行模擬，并把模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果做比較，檢測(cè)得該模型適用于該流域，并為無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)測(cè)等工作提供相關(guān)參考[26]。

5.2 IHACRES模型

IHACRES模型是以單位線為基礎(chǔ)的降雨徑流模型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、概念明確、優(yōu)選參數(shù)少，已被廣泛研究和應(yīng)用[27]。

柴曉玲等(2006)選擇石門、高關(guān)、白云山水庫(kù)流域以及漢江支流牧馬河四個(gè)流域，假定其中一個(gè)流域有實(shí)測(cè)資料，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選之后移用于其它流域，運(yùn)用IHACRES模型進(jìn)行徑流模擬，結(jié)果表明IHACRES模型適用于無(wú)資料地區(qū)的徑流模擬中[22]。余香英等(2010)以深圳石巖河流域?yàn)槔鶕?jù)其降雨徑流過(guò)程的特征，修正了IHACRES水文模型，并將其與CLUE方法結(jié)合，提出了資料缺乏地區(qū)降雨徑流的分析方法[28]。

5.3 新安江模型

新安江模型是趙人俊等在1973年對(duì)新安江水庫(kù)做入庫(kù)流量預(yù)報(bào)工作中，歸納成的一個(gè)完整的降雨徑流模型[22]。新安江模型在國(guó)內(nèi)已得到了廣泛的應(yīng)用。

景少波等(2009)采用含融雪結(jié)構(gòu)的三水源新安江模型，對(duì)葉爾羌河2001～2005年的日徑流過(guò)程進(jìn)行了模擬，最終表明模擬對(duì)葉爾羌河徑流過(guò)程模擬是可行的[29]。王鵬(2012)以天山南坡典型流域KM河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，選擇含融雪型結(jié)構(gòu)的新安江模型。結(jié)果表明:含融雪結(jié)構(gòu)的新安江模型在KM河流域是適用的，為資料缺乏流域的研究提供了一種新的方法[30]。

5.4 其它水文模型

無(wú)資料地區(qū)地表徑流計(jì)算的水文模型還有:SRM融雪徑流模型[31]、SWAT 模型[32]等。

6 展望

(1)由于影響流域徑流量的因素較多，如流域面積、氣候和下墊面條件等，因素差異的辨別與修正、徑流系數(shù)的選取會(huì)直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度[33]。因此，為滿足工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)及地下水資源評(píng)價(jià)的需要，應(yīng)盡可能選用多種方法進(jìn)行徑流分析計(jì)算，然后進(jìn)行方法比選，最終選擇合理的計(jì)算方法，以保證計(jì)算成果的精度。

(2)針對(duì)當(dāng)今傳統(tǒng)的水文測(cè)站大量減少的事實(shí)，水文數(shù)據(jù)的搜集整理必須采用新的思維和手段。在無(wú)資料地區(qū)，傳統(tǒng)的水位、流量等數(shù)據(jù)是很難得到的，所以必須建立一種新的水文數(shù)據(jù)庫(kù)，更廣泛的收集相關(guān)信息到庫(kù)中，以供新的水文模型使用。新的數(shù)據(jù)庫(kù)還應(yīng)該有良好的數(shù)據(jù)接口，能夠和遙感衛(wèi)星做到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞和更新[34]。

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