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)新力的國際化大都市，是我國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；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)致過去三十多年深圳市水文站點(diǎn)稀少，長系列監(jiān)測數(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)測站點(diǎn)建站時(shí)間較晚，大多為2018年前后，監(jiān)測資料數(shù)據(jù)長度小于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)測數(shù)據(jù)。研究區(qū)內(nèi)雨量觀測站點(diǎn)13個(gè)，大部分為氣象部門觀測站點(diǎn)，觀測系列在30年以上的測站僅有1個(gè)，即三洲田水庫雨量站。本次收集該站點(diǎn)1961—2020年雨量數(shù)據(jù)。蒸發(fā)資料方面，深圳市水文觀測蒸發(fā)站點(diǎn)較少，大部分站點(diǎn)2010年前后才開始監(jiān)測蒸發(fā)數(shù)據(jù)，蒸發(fā)數(shù)據(jù)系列長度無法滿足使用需求。研究區(qū)西南方向約40km處有國家氣象站深圳站，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)

以三洲田水庫雨量站為基本站資料，對(duì)1961—2020年的實(shí)測降雨量系列進(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)果表明三洲田水庫雨量站年、汛期、非汛期降雨量有一定的上升趨勢，但統(tǒng)計(jì)變量均未超過95%臨界值，趨勢并不顯著說明通過一致性假設(shè)檢驗(yàn)。

表1 降雨量趨勢顯著性檢驗(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年代觀測資料，屬于城市化發(fā)展前期，測量點(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系列多年平均值(2150mm)，其實(shí)測資料能反映豐水年、枯水年產(chǎn)匯流過程，資料系列具有代表性。

1.2.3蒸發(fā)資料折算分析

為獲得長系列逐日蒸發(fā)資料，本次收集國家氣象站深圳站1961—2020年觀測資料，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)語言描述成一系列簡化的量的形式，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^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)地處我國南方珠江三角洲濕潤地區(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)測降雨、實(shí)測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，以模擬徑流過程與實(shí)測徑流過程之間總水量平衡、徑流過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)果見表2。10年實(shí)測平均年徑流系數(shù)為0.505，和模擬平均年徑流系數(shù)為0.512基本一致，結(jié)果見表3。模型模擬過程及實(shí)測過程對(duì)比如圖2所示，模型模擬累積過程及實(shí)測過程對(duì)比如圖3所示。

圖2 下陂站NAM模型模擬過程及實(shí)測過程圖

圖3 下陂站NAM模型模擬累積過程及實(shí)測過程圖

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)的長系列徑流過程，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%，說明深圳河道雨洪同期的規(guī)律明顯，年內(nèi)各旬占比見表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，一場降雨一場洪水過程，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m3，其中建城區(qū)和生態(tài)區(qū)徑流量具體見表7。

5 結(jié)語

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，無過境水，流域面積小、比降大，產(chǎn)匯流時(shí)間不超過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)合未來深圳市水文站網(wǎng)建設(shè)逐步完善后進(jìn)一步率定。