新安江产流模型在科洛河的改进

李亚龙，吴晓蓓，秦 博

（1.黑龙江省黑河水文局，黑龙江 黑河 164300；2.松辽委黑龙江水文水资源勘测局，黑龙江 黑河 164300）

新安江模型在我国南方湿润地区应用的十分广泛，但在黑龙江省应用的并不多，一方面是因为黑龙江省水文事业发展较缓，雨量站密度远小于南方经济发达省份，另一方面是因为黑龙江省地处高纬地区，冬季漫长寒冷，冰期半年左右，个别地区冰期长达270 d。由于冰雪的影响，水文特性与南方无冻地区的水文特性有较大不同，本文在分析受冻土影响下的寒冷地区水文特性的基础上，将新安江模型应用到科洛河。

1 流域概况

科洛河为嫩江左岸主要支流之一，流域面积7915 km2，属于寒温带大陆性季风气候，气温变化急剧，温差较大，多年平均气温-0.5℃，年最高气温37.0℃，年最低气温-47.0℃，风向多呈北风，最大风力可达8级，一般在5级以下。冬季严寒少雪，夏季温湿多雨，多年平均降水量在500 mm左右。降水和径流年内分布极不均衡，冬季河流长时间结冰封冻，土壤冻结。多年平均封冻天数在170 d左右，最大冻土深度达2.80 m，最大冰厚1.60 m，有冻土存在时间长达270 d之久。冻土的存在使水文情势具有寒冷地区的特点。流域坡度5°～10°，海拔高度在200～300 m之间。为堆积地形，盆地、平原、沟谷地貌特征，植被覆盖良好。

科后水文站是科洛河下游控制站，位于东经125°43′，北纬 49°23′。该站地处嫩江县科洛乡，断面以上至河源长252 km，至河口距离72 km，集水面积7310 km2，测验断面以上有龙门、七星泡、塔溪、向阳、麦海、白云、石头沟、沐河、科后等9个雨量站。

2 冻土存在影响水文特性

由于位于高纬度地区，科洛河流域冬季漫长严寒，地面积雪，土壤冻结，冻土深度多在1 m以上，部分地区有局部和成片的永久性冻土存在。冻土影响水文特性，使新安江产流模型在科洛河应用时效果极差，制作预报方案时，5，6月份和部分7月份径流量明显偏大。经分析去除降雨等误差影响仍无法改变。除永久性冻土外，其他都是冬季冻结，夏季融冻的季节性冻土。河流解冻后，仍有冻土存在，积雪和冻土的存在，改变了包气带厚度和土壤水分的动态规律，降雨径流关系受到制约。冻土的不透水作用，蓄水调节作用，抑制蒸发作用，使降雨入渗、土壤含水量的垂线分布等均不同于无冻地区和无冻期。冻土的存在，增加了土层蓄水量，土改变了土壤含水量的垂线分布，使土壤蒸发能力降低，融冻期土壤入渗能力减小。

3 参数的确定

3.1 流域蒸发和K值分析

该流域冻土从上年10月末冻结，次年3月末4月初上层开始解冻，至8月初冻土化通。有冻土存在时因土壤冻结，毛管输水终止。地面覆雪后，蒸发发生在雪面，而且由于冬季气温极低，蒸发微弱。实际土壤蒸发远小于气候蒸发能力，因此对冻土存在时期的蒸发能力应进行冻土期修正，K值采用清溪站计算值，[6]如表1所示。

表1 清溪站蒸发能力和K值计算表（Wm=120 mm，K=1-Em/Wm）

修正冻土期蒸发能力的方法是，令冻土期实际蒸发能力为Ep，常规法采用的蒸发能力EZ=E601，冻土期蒸发修正系数KE，则

冬季积雪期的Ep和KE近于零，Ep随气温回升和冻土解冻过程确定各月的休整系数KE。对蒸发能力Em修正后按K=1-Em/Wm计算K日和K月消退系数。

3.2 流域最大蓄水容量Wm

流域最大蓄水量Wm，是反映流域蓄水和对降雨径流关系调节性能的参数，其确定方法和雨洪计算相同。但在科洛河流域，年、季降雨量相对偏少，用常规法难以求得Wmax值，因此采用经验法试算，以求得R=f（P+W0）更为合理。其中，R为径流深；P为降雨量；W0为起始蓄水量。经分析，Wmax与气候及下垫面条件有关，该流域虽然降水量不充沛，但植被良好，受冻土不透水层影响，地下水位较高，在植物根系层以上（约0.30 m）土壤湿润，容易蓄满而形成蓄满产流的机制，因此Wmax定位120 mm为宜。当考虑月计算时，降雨和蒸发量均大于次洪过程Wm不宜过小，分层计算中，上层WUM，下层WLM，深层WDM均按降水、蒸发和冻土变化过程取变动值，如表2。

3.3 其他计算的有关问题

1）冻土在封冻过程中，土壤含水量增加，为考虑增加的流域蓄水量，将起始蓄水量计算到3月31日后的W0乘以相应的系数c，此例采用系数为c＝1.2，即 1.2 W0。

表2 科洛河分层模型设置表（Wm=120 mm）mm

2）冻土蓄水按层分配系数。为考虑冻土蓄水量的变化，最好从上年度秋季起开始计算前期蓄水量，可按月计算，因为11月至次年2月为稳定封冻期，降水、蒸发可合并作为一个时段，当计算的W0分配到分层计算模型的各层中去。此时可按分层WUM、WLM和WDM起始值的比例，进行分配，如表2中，11月至次年3月末起始分层蓄水容量为0，70，50 mm，流域最大蓄水容量为120 mm，则分到各层为 0，70/120，50/120，按此比例系数乘以计算的起始W0，即得到各层起始蓄水量。

3）最大蓄水量。最大蓄水量分为上下两层最大蓄水量。上下两层最大蓄水量均为变化值，按下面公式计算，其和为流域最大蓄水容量。

式中：WDMT上层最大蓄水量；KDT消退系数；t，T 为融冻时间与至化通的总历时；a为与消退速度有关的系数，0.8为宜；WXMT下层最大蓄水。

4）蓄水量计算前推时间和起算值。考虑土壤冻结蓄水量增加的特性，W0计算时尽可能跨年计算，为简便和减少工作量，可按月以单层模型计算，受寒区冻土影响，土壤含水量较大，起始值可大一些，可取2/3Wm。

在分析了冻土影响下的水文特性的基础上，采用受冻土影响下的产流模型，在科洛河流域，方案的精度为80%，远高于采用传统方法不足50%的精度，同时采用连续计算的方法，解决了4，5月份的径流计算点子明显偏离曲线的问题，同时解决了6，7月份点子系统性偏大的问题。见图1。

图1 科后降雨径流相关图

[1]肖迪芳、陈培竹.冻土影响下的降雨径流关系[J].水文，1983（2）.

[2]周有才.冻土中水分运动规律[J].黑龙江水利科技，1980（2）.

[3]黑龙江水利科学研究所部份实验资料，1979.

[4]肖迪芳.寒区冻土水文学概论[D].全国冰工程学会文件汇编，1996.

[5]肖迪芳.寒区降雨径流模拟清溪模型[D].兰州冰川冻土学会文件汇编，1996.

[6]肖迪芳.冻土地区年、季降雨径流关系分析[J].黑龙江水利科技，1996（2）.