范 火 生

(湖南五凌電力科技有限公司，湖南 常德 415000)

流域水文模型是進(jìn)行流域產(chǎn)匯流計(jì)算的重要手段。近些年來(lái)，一方面，隨著計(jì)算機(jī)、地理信息采集等高效便捷技術(shù)的普及，以及學(xué)科交叉思想的興起，使得能夠融合大量流域?qū)傩蕴卣鞯姆植际剿哪Ｐ偷膶?shí)現(xiàn)成為可能；另一方面，下墊面的變化及人們對(duì)水文過(guò)程精細(xì)化模擬的要求，也使得分布式水文模型的研究成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，已逐漸成為行業(yè)研究熱點(diǎn)之一。目前已有許多學(xué)者利用分布式水文模型實(shí)現(xiàn)了流域洪水的精確模擬以及小流域山洪雨量預(yù)警，楊大文等[1]通過(guò)構(gòu)建黃河流域的大尺度分布式水文模型來(lái)探索流域水文時(shí)空演變規(guī)律；李致家等[2]將CASCD2D以及基于此改進(jìn)的GSSHA模型運(yùn)用于欒川流域的徑流模擬，結(jié)果表明，改進(jìn)后的GSSHA模型洪峰、徑流深模擬以及確定性系數(shù)方面均比CASC2D模型有較大提升；劉淑雅等[3]將分布式水文模型用于小流域山洪預(yù)警臨界雨量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了全流域的精細(xì)化模擬，得出了各流域不同初始土壤含水量、不同預(yù)警時(shí)段組合條件下臨界雨量；石朋等[4]在蓄滿產(chǎn)流基礎(chǔ)上忽略計(jì)算單元間的局部水流交換構(gòu)建了一套分布式水文模型，實(shí)驗(yàn)表明該模型在實(shí)驗(yàn)流域同樣具有較強(qiáng)的適用性；雷曉輝等[5][6]在綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有分布式水文模型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上組織開(kāi)發(fā)了一套功能齊全、可擴(kuò)展性強(qiáng)的分布式水文模型EasyDHM。

雖然分布式水文模型在我國(guó)各地區(qū)有著較為廣泛的實(shí)例應(yīng)用研究，但其大多未考慮流域內(nèi)水庫(kù)調(diào)蓄作用。近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)水利設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，已在全國(guó)各地尤其是南方地區(qū)修建了大量中小型水庫(kù)，故未考慮水庫(kù)調(diào)蓄作用的分布式水文模型適用性已逐漸受到制約。基于此本文構(gòu)建了考慮水庫(kù)調(diào)蓄作用的分布式新安江模型，并運(yùn)用于烏江上游三岔河流域，通過(guò)在普定水庫(kù)洪水的實(shí)時(shí)調(diào)控作用對(duì)下游高車水文站洪水進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，以期能為該地區(qū)洪水預(yù)報(bào)以及流域內(nèi)分布式山洪預(yù)警提供技術(shù)支撐。

1 考慮水庫(kù)調(diào)蓄作用的分布式新安江模型構(gòu)建

新安江模型作為我國(guó)南方地區(qū)運(yùn)用最為廣泛的水文模型已成功運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)際工作中，在山洪防治、洪水預(yù)報(bào)、水庫(kù)調(diào)度等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及實(shí)際生產(chǎn)工作的需要，已有學(xué)者[7,8]將集總式新安江改進(jìn)為基于柵格的分布式新安江模型，有效避免了新安江模型未考慮流域時(shí)空分布不均勻性的特點(diǎn)。

本文基于此構(gòu)建了考慮水庫(kù)調(diào)蓄作用的分布式新安江模型，具體構(gòu)建原理為：將流域柵格離散化，在每個(gè)柵格上均采用新安江模型進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，以馬斯京根模型進(jìn)行地表水流逐柵格匯流計(jì)算，以滯后演算法進(jìn)行壤中流、地下徑流匯流計(jì)算；將水庫(kù)屬性賦予對(duì)應(yīng)位置柵格處，當(dāng)水流匯流至水庫(kù)柵格處時(shí)則根據(jù)水庫(kù)防洪調(diào)度規(guī)則向下出流，隨后繼續(xù)進(jìn)行逐柵格匯流計(jì)算直至匯流至流于出口處。

1.1 分布式新安江模型產(chǎn)流參數(shù)計(jì)算

分布式新安江模型將流域柵格離散化，每個(gè)柵格內(nèi)均采用新安江模型進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，各柵格單元張力水蓄水容量WM、自由水蓄水容量SM與下墊面屬性相關(guān)，可通過(guò)土地利用、土壤質(zhì)地屬性計(jì)算，具體計(jì)算公式如下：

WM=(θf(wàn)-θr)L包

(1)

(2)

式中：θf(wàn)為田間持水量；θr為凋萎含水量；L包為包氣帶厚度，其中包氣帶的厚度-般為0.5～0.9 m；θs為飽和持水量；L腐腐殖質(zhì)土的厚度，其中腐殖質(zhì)厚度為0～0.3 m，-般平均厚度為0.1 m。

不同土壤特性條件下張力水蓄水容量WM、自由水蓄水容量SM取值見(jiàn)表1。

表1 土壤特性參數(shù)與WM和SM

1.2 柵格拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算

在進(jìn)行逐柵格的匯流計(jì)算前必須先確定柵格的匯流演算次序，本文采用分級(jí)確定法計(jì)算各柵格的匯流級(jí)別并以此確定匯流演算次序，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

(1)DEM填洼。

(2)流向計(jì)算。

(3)累計(jì)流量計(jì)算。

(4)搜索流域面積上累計(jì)流量最大值(即為流域出口)，并賦值為當(dāng)前計(jì)算次序k(k=1)。

陶行知先生曾指出，教師對(duì)學(xué)生應(yīng)一視同仁，不能厚此薄彼。我以確立孩子的自我管理、自信心為切入點(diǎn)。平時(shí)，對(duì)于他一些調(diào)皮搗亂的事，我不是不分青紅皂白的質(zhì)問(wèn)或是大聲地訓(xùn)斥他，而是分情況在合適的場(chǎng)所和風(fēng)細(xì)雨地教導(dǎo)他，教他認(rèn)識(shí)什么是對(duì)的什么是錯(cuò)的，我應(yīng)該做什么不應(yīng)該做什么，學(xué)會(huì)遵守《小學(xué)生行為規(guī)范》。同時(shí)與家長(zhǎng)取得聯(lián)系，讓他們平時(shí)做好孩子的表率，勤于孩子的衛(wèi)生習(xí)慣、養(yǎng)成習(xí)慣的教育和培養(yǎng)。有一次他高興地來(lái)到我面前，甜甜地說(shuō)，老師你看，今天我干凈嗎？說(shuō)著還把小手伸給我看，我和同學(xué)們都感到十分驚訝，也許是我的所作所為起到了“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的作用。

(5)累加k(k=k+1)，按照順時(shí)針?lè)较?從正北方鄰點(diǎn)開(kāi)始)依次掃描所有前一賦值點(diǎn)周圍8個(gè)鄰點(diǎn)，如果鄰點(diǎn)流入前賦值點(diǎn)，則賦值該鄰點(diǎn)當(dāng)前計(jì)算次序k。

(6)重復(fù)步驟(5)直到?jīng)]有柵格可以賦值。

(7)將得到的計(jì)算次序矩陣排序，即將最大值與最小值交換，依次類推，得到柵格演算次序。

1.3 匯流計(jì)算

地表匯流采用馬斯京根法，壤中流地下匯流采用滯后演算法。

馬斯京根匯流公式如下：

(3)

圖1 柵格馬斯京根匯流示意

(4)

其中：

(5)

式中：xe、ke分別為流量比重因子和蓄量常數(shù)。

產(chǎn)流模型的輸出結(jié)果包括各柵格的流量過(guò)程和土壤飽和度，因此在逐柵格匯流過(guò)程中如柵格d未蓄滿，則上游來(lái)水首先保證d柵格蓄滿才能向下出流。

1.4 流域集水面積閾值確定

逐柵格馬斯京根匯流中河道柵格與坡面柵格參數(shù)取值不同，故需計(jì)算流域集水面積閾值來(lái)區(qū)分坡面與河道柵格。閾值的確定方法大致可分為以下幾種：平均坡度法、試錯(cuò)法、河網(wǎng)密度法等。其中，平均坡降法對(duì)于流域面積變化不敏感[9]。孔凡哲[10]等根據(jù)水系河網(wǎng)密度確定集水面積閾值，隨著集水面積閾值的變化，河網(wǎng)密度隨之變化，在河網(wǎng)密度隨閾值變化趨于平緩時(shí)的對(duì)應(yīng)值即為集水面積閾值。本文采用河網(wǎng)密度法確定研究區(qū)集水面積閾值。

2 實(shí)例應(yīng)用研究

2.1 研究區(qū)域概況

本文以烏江上游三岔河中上游河段流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，流域主要位于貴州省普定縣境內(nèi)。流域內(nèi)有普定水庫(kù)、高車水文站2個(gè)實(shí)測(cè)流量站點(diǎn)，集水面積分別為2 893、4 391 km2，降雨量分配不均勻，主要集中于5-10月，多年平均降雨量為1 187 mm，多年平均氣溫為14.7 ℃ ，多年平均流量約為123 m3/s；流域內(nèi)雨量豐沛、氣溫光照適宜，植被發(fā)育良好多為森林、灌木，土壤類型以壤土、黏壤土為主。圖2為三岔河流域水系站點(diǎn)分布圖。

圖2 三岔河流域水系站點(diǎn)分布

2.2 基礎(chǔ)資料處理

基礎(chǔ)資料處理包括降雨資料插值處理、利用DEM等地理信息數(shù)據(jù)建立流域數(shù)字水系。降雨資料插值處理采用反距離平均法，具體公式如下：

(6)

式中：X為網(wǎng)格中心點(diǎn)資料值；x1、x2、x3為臨近3個(gè)站的資料值。

DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(30 m×30 m),土地利用、土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn，1 km×1 km)，利用Arcgis 10.2提取的相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)，提取流域土地利用、土壤質(zhì)地資料分別如圖3和圖4所示，計(jì)算流域河網(wǎng)密度與集水面積關(guān)系如表2、圖5所示?？梢钥闯黾娣e為350 km2是河網(wǎng)密度變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，故三岔河流域集水面積閾值選取350 km2較為合適。

圖3 三岔河流域土地利用情況

圖4 三岔河流域土壤質(zhì)地情況

2.3 模型參數(shù)優(yōu)選

對(duì)于研究區(qū)內(nèi)構(gòu)建的分布式水文模型采用SCE-UA算法進(jìn)行模型參數(shù)率定[11,12]，該算法結(jié)合了包括基因算法在內(nèi)的一些現(xiàn)有算法的優(yōu)點(diǎn)，是一種以信息共享和生物演化規(guī)律為基礎(chǔ)的非線性混合全局優(yōu)化算法。以納什效率系數(shù)為參數(shù)率定目標(biāo)函數(shù)，選取2000-2014年內(nèi)18場(chǎng)洪水進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證，優(yōu)選所得普定水庫(kù)控制面積和高車區(qū)間參數(shù)結(jié)果分別如表3和表4所示。

表2 三岔河流域集水面積與河網(wǎng)密度關(guān)系

圖5 三岔河流域集水面積與河網(wǎng)密度關(guān)系

表3 普定水庫(kù)控制面積參數(shù)優(yōu)選結(jié)果

表4 高車普定水庫(kù)區(qū)間參數(shù)優(yōu)選結(jié)果

2.4 參數(shù)率定與驗(yàn)證

選取普定水庫(kù)和高車水文站18場(chǎng)洪水率定與驗(yàn)證結(jié)果分別如表5、表6所示，部分場(chǎng)次洪水過(guò)程模擬結(jié)果如圖6～圖9所示，經(jīng)普定水庫(kù)調(diào)蓄后部分洪水下泄流量過(guò)程如圖10、圖11所示。

表5 普定水庫(kù)場(chǎng)次洪水參數(shù)率定與驗(yàn)證結(jié)果

表6 高車水文站場(chǎng)次洪水參數(shù)率定與驗(yàn)證結(jié)果

圖6 普定水庫(kù)20070707號(hào)洪水

圖7 普定水庫(kù)20100614號(hào)洪水

圖8 高車水文站20070707號(hào)洪水

圖9 高車水文站20100614號(hào)洪水

圖10 普定水庫(kù)20070707號(hào)洪水下泄流量

圖11 普定水庫(kù)20100614號(hào)洪水下泄流量

通過(guò)上述圖表反映信息可知構(gòu)建的分布式新安江模型可以很好地模擬三岔河流域的洪水過(guò)程。其中普定水庫(kù)洪水模擬結(jié)果平均納什效率系數(shù)達(dá)到0.85，洪峰合格率達(dá)到89%，峰現(xiàn)時(shí)間合格率達(dá)到77.8%；高車水文站洪水模擬結(jié)果平均納什效率系數(shù)達(dá)到0.95，洪峰合格率達(dá)到100%，峰現(xiàn)時(shí)間合格率達(dá)到94.5%。通過(guò)分析圖6～圖9普定水庫(kù)和高車水文站部分洪水模擬過(guò)程圖，以及經(jīng)普定水庫(kù)調(diào)蓄后的下泄流量過(guò)程可知，高車水文站20070707號(hào)洪水主要來(lái)源于上游普定水庫(kù)下泄流量，而20100614號(hào)洪水經(jīng)普定水庫(kù)調(diào)蓄之后洪峰流量?jī)H為171.3 m3/s,故下游高車水文站洪水來(lái)源主要為區(qū)間產(chǎn)流。因此本文構(gòu)建的分布式新安江模型在有效考慮水庫(kù)調(diào)蓄作用影響的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了三岔河流域洪水過(guò)程的精細(xì)化模擬，可以作為該地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)模型，同時(shí)可以為該地區(qū)的任意點(diǎn)山洪預(yù)警提供技術(shù)支撐。

3 結(jié) 語(yǔ)

分布式水文模型作為水文領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，已廣泛運(yùn)用于洪水預(yù)報(bào)、山洪災(zāi)害預(yù)警、水庫(kù)調(diào)度等實(shí)際生產(chǎn)工作中，然而隨著大量中小型水庫(kù)的修建，分布式水文模型適用范圍已逐漸受到制約。本文基于此構(gòu)建了基于水庫(kù)調(diào)蓄作用下的分布式新安江模型，并將其應(yīng)用于烏江上游三岔河流域，通過(guò)分析模擬結(jié)果可知：所構(gòu)建的模型能夠很好地模擬該流域的洪水過(guò)程，有效地將普定水庫(kù)對(duì)洪水的調(diào)蓄作用考慮進(jìn)來(lái)，對(duì)普定水庫(kù)和高車水文站洪水模擬平均納什效率系數(shù)分別達(dá)到了0.85和0.95,可以作為該地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)模型。同時(shí)可結(jié)合該流域內(nèi)山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)結(jié)果中各地的危險(xiǎn)流量成果以及水庫(kù)調(diào)度規(guī)則實(shí)現(xiàn)全流域分布式山洪雨量預(yù)警。