淮北平原分布式除涝水文模型及应用

赵宏臻,陈 鸣,吴永祥,王高旭,王希之,王德智

(1.南京水利科学研究院,江苏南京 210029;2.水文水资源及水利工程国家重点试验室,江苏南京 210098; 3.中水淮河规划设计院有限公司,安徽蚌埠 233001)

淮北平原分布式除涝水文模型及应用

赵宏臻1,2,陈 鸣1,2,吴永祥1,2,王高旭1,2,王希之3,王德智3

(1.南京水利科学研究院,江苏南京 210029;2.水文水资源及水利工程国家重点试验室,江苏南京 210098; 3.中水淮河规划设计院有限公司,安徽蚌埠 233001)

针对目前淮北平原除涝水文计算采用的经验排模公式仅考虑了设计净雨和排水面积两个因素,对于下垫面情况复杂的流域不能很好地反映峰量关系的情况,应用GIS技术根据DEM进行流域划分、水流方向确定等处理,并结合流域水文地质图、土壤分布图等建立GIS图层,进而构建淮北分布式水文模型。结果表明,该模型可用于无资料地区的排涝水文计算,应用历史数据对模型参数进行调试,模拟计算精度可达GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》的甲级标准。

分布式水文模型；除涝；水文计算；GIS；淮北平原

除涝水文计算是除涝规划设计中十分重要的技术依据和支撑。目前淮北平原除涝水文计算采用的是经验排模公式。虽然经验排模公式简单易用,并有一定的精度,但经验排模公式只考虑了设计净雨和排水面积两个因素,难以反映下垫面情况复杂条件下流域的峰量关系[1]。

水文模型采用数学表达式描述流域降雨径流过程,将流域土壤下渗能力、流域蒸发能力、流域汇流时间等影响产汇流因素概化为模型参数。应用水文模型代替传统经验排模公式进行除涝计算不但可以计算出比较精确的产水总量,同时可以计算相应设计断面的洪峰流量和洪水过程。近年来,随着计算机技术、GIS技术的发展,流域水文过程的模拟也从集总式模型扩展到分布式或者半分布式模型[2]。笔者应用GIS技术根据数字高程模型(DEM)进行流域划分、水流方向确定等处理,并结合水文地质图、土壤分布图等建立GIS图层,进而构建可用于无资料地区的淮北平原分布式水文模型。

1 基于GIS的分布式水文模型架构

分布式水文模型是指降雨径流模型结构中各水文要素具有空间的分布特性和随时间变化的动态特性,能描述水文循环的时空变化过程,能及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域水文循环过程的影响[3-4]。GIS是一种综合分析和处理数据空间分布的新技术,可以进行详细的地理条件及气候条件空间变化分析,因此GIS的出现与发展为分布式降雨径流模型水文计算的实现提供了有效工具。

利用GIS对流域进行数字地形分析,主要包括：①栅格水流流向确定;②流域分水线确定;③自动生成河网及子流域;④河道与子流域编码;⑤河段与子流域特性表;⑥具有水文学意义的地形参数提取。

分布式水文模型主要思路是：将流域划分成若干网格,对每个网格分别输入不同的降雨,根据各网格内植被、土壤和高程等情势,对每个网格采用不同的产流模型参数分别计算产流量;通过比较相邻网格的高程确定各网格的流向,将其径流演算到流域出口断面得到流域出口断面的径流过程。模型参数由地形、地貌数据结合实测历史洪水资料率定得到[5-6]。基于GIS的分布式水文模型框架如图1所示。

图1 基于GIS的分布式水文模型框架

2 降雨径流计算

在GIS划分产水单元的基础上,对每一产水单元进行产流计算,进而根据水力联系进行汇流计算,生成流域出口断面的流量过程。汾泉河降雨径流模型是描述垂向交换为主的平原水文模型[7-8],适合黄淮海平原浅层地下水地区[9-11]。

汾泉河降雨径流模型将控制产流的土层分为上层(耕作层)和下层(包括犁底层)两部分。降雨(P)满足上层土壤持水能力(Wnm)后形成自由水(R1),一部分水(Rg1)通过大孔隙下渗直接补给地下水蓄水体,一部分水(F)渗入下土层。满足上述两部分下渗后的剩余水量则作侧向运动形成表层径流(Rs),这部分水量与不透水面积上形成的地表直接径流(Rd)统称为表层和地表径流,经坡面沟道调蓄汇流后形成表层流量(Qs)。

F首先被下土层吸收,在下层土壤持水能力已满足的地方形成稳定入渗(Rg2)补给地下水。Rg1与Rg2称为地下水补给量,经地下水库调蓄汇流后成地下水流量(Qg)。表层流量与地下水流量之和为产水单元流量(Q)。

蒸发时,首先以蒸发能力蒸发上层土壤水,蒸发量为E1;上层土壤水蒸发完后开始蒸发下层土壤水,其蒸发量为E2;蒸发下层土壤水同时,由于毛细管的作用,地下水不断向下土层供水,其供水量称为潜水蒸发量(Eg)。模型结构见图2。

图2 汾泉河降雨径流模型结构

考虑到GIS应用以及目前水情测报系统的广泛应用,雨水情数据频次现已可达分钟级,对原汾泉河降雨径流模型做以下两点改进：①计算时段以1h为单位,通过提高时间分辨率获取真实峰现时间和洪峰量值;②坡面汇流采用Nash单位线进行汇流计算,其模型参数可通过流域坡度、流域下垫面等地理因子获取,以便模型在无资料地区的推广应用[12-13]。

3 模型应用

3.1 GIS图层

水文、地质、土壤分布等基础数据是构建分布式水文模型的基础。这些数据大多与现实中的某一特定的位置或区域(点、线或面)相联系,且具有空间属性。分布式水文模型中GIS的主要专题图层的构建可详见表1、图3。

图3 淮河平原主要专题图层示意图

表1 分布式水文模型中主要专题图层

3.2 模型参数率定

收集淮北平原区内主要子流域的洪水资料,其中包括汾泉河流域中周庄站、石桥口站和沈丘站20场洪水资料;浍河流域中黄口集站、临涣集站16场洪水资料;西淝河流域中王市集站6场洪水资料;闾河流域中王勿桥站、包信站24场洪水资料以及谷河流域公桥站15场洪水资料,通过对模型进行调整参数和验证,模拟结果如表2和图4所示。

表2 试验流域调整参数合格率

从模拟结果可以看到模拟精度最低的是西淝河流域,其合格率为83.3%,达到GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》的乙级标准。此外,其他流域的合格率由于均大于85%,满足GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》甲级标准的要求。

3.3 设计及超标洪水计算

3.3.1 设计洪水计算

图4 汾泉河流域周庄站洪水模拟计算与实测过程比较

将不同频率的设计暴雨作为模型输入计算相应频率的设计洪水过程,其中10年一遇的设计洪水模拟过程见图5。对各个频率的最大24 h平均流量与现行排模公式计算的流量进行计算并比较后发现两者误差在-2.7%～16.9%之间,最大误差控制在20%以内(表3)。

3.3.2 超标洪水计算

目前淮北平原发生超标准洪水时经常出现漫滩现象,而目前在模拟计算中常只考虑洪水在河槽中的情况,故导致模拟计算洪峰大于实际洪峰流量的情况,引入削峰系数以消除模拟计算与实际洪峰流量间的差异。淮北平原目前对10年一遇洪水采用的削峰系数为0.9,20年一遇的为0.85,50年一遇的为0.8[9]。

图5 10年一遇设计洪水模拟过程

表3 排模公式计算与模型计算洪峰流量比较

通过对5个试验流域内共6场超标洪水资料展开分析,发现全部6场超标洪水实测过程线均呈现了峰型肥胖及退水拥堵、缓慢之势。表4反映了超标洪水模拟与实测洪峰流量之间的差异,通过计算结果表明超标准洪水的削峰系数在0.78～0.92之间,与淮北平原现行的削峰系数基本一致。

表4 超标洪水模拟与实测结果比较

4 结 论

a.应用GIS技术进行流域划分、水流方向确定等处理,并通过整个淮北平原的水文地质图、土壤分布图等建立GIS图层,进而构建能够用于无资料地区的分布式水文模型除涝水文计算。

b.应用历史数据对分布式降雨径流模型参数进行调试,该模型不仅可较精确地计算洪量,还可以较精确地计算洪峰值和峰现时间,模拟计算精度达GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》的甲级标准。

c.对于超标洪水,计算过程呈较尖削型,而实际过程中,由于漫滩影响,呈现了峰型肥胖及退水拥堵、缓慢之势。采用模型模拟计算超标洪水,削峰系数在0.78～0.92之间,与现行采用的削峰系数基本一致。

d.本次计算设计洪水与传统经验公式计算有近17%的误差。如将本文提出分布式水文模型实际应用与除涝水文设计计算,还需收集更多的资料进行验证。

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Research and application of distributed waterlogging control hydrological model for Huaibei Plain

ZHAO Hongzhen1,2,CHEN Ming1,2,WU Yongxiang1,2,WANG Gaoxu1,2, WANG Xizhi3,WANG Dezhi3
(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China; 2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China; 3.China Water Huaihe Planning,Design and Research Co.,Ltd.,Bengbu 233001,China)

The current empirical drainage modeling formula for waterlogging control hydrological computation for the Huaihe Plain only considers two factors,the design net rainfall and the drainage area.It cannot reflect the relationship between peak discharge and runoff volume for complex underlying surface regions.In order to solve this problem,GIS technology was used to divide catchments according to a DEM and determine the flow direction. According to the hydrogeological map and soil profile,a GIS layer was constructed and a distributed waterlogging control hydrological model was developed.This model can be applied to waterlogging control hydrological computation in ungauged watersheds.Historical data were used to adjust the parameters of the model.The results show that the simulation accuracy can reach the criterion of Grade A stipulated in the Standard for Hydrological Information and Hydrological Forecasting.

distributed hydrological model;waterlogging control;hydrological computation;GIS;Huaibei Plain

P333

A

10046933(2014)04001404

20140401 编辑：高渭文)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.004

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07506-004-003);国家自然科学基金(51109138);南京水利科学研究院基金(Y512005);水利部公益性行业科研专项(201301002)

赵宏臻(1989—),男,硕士研究生,研究方向为洪水预报。E-mail：e_zhen@126.com

陈鸣,教授级高级工程师。E-mail：mchen@nhri.cn