分布式流域水文模型在温黄平原的应用

戴香琳，陈 芬，曾钢锋

(台州市水利水电勘测设计院，浙江 台州 318000)



分布式流域水文模型在温黄平原的应用

戴香琳，陈 芬，曾钢锋

(台州市水利水电勘测设计院，浙江 台州 318000)

针对温黄平原产汇流特点，提出不同下垫面降雨、径流时空转化的分布式流域水文模型，平原区按水面、旱地、水田和城镇属性计算产流、按经验汇流曲线计算汇流，山丘区采用新安江模型、马斯京根法计算产汇流。率定与验证洪水模拟应用实例表明，提出的分布式流域水文模型能够为平原河网水动力模型提供精度较高的流量边界条件。

分布式水文模型；温黄平原；降雨径流；产汇流

沿海平原河网区地势平坦，河湖串联，其洪水受上游山丘区来水、当地降雨、下游顶托(如河口潮汐顶托、台风增水顶托等)和人类活动等综合影响，产汇流机制复杂。通过建立全流域水文水动力学数学模型，选取平原区水位站作为控制断面，以计算水位与实测水位的拟合进行模型的率定验证。

在陆地水循环中，水的迁移转化受地形、地貌与下垫面等影响，不同地区的产汇流规律是不同的，研究方法与手段需要有针对性。本文探讨反映温黄平原河网和山丘区产汇流特征的模拟计算方法，以0509号“麦莎”台风、“20090929”短历时暴雨过程为率定和验证洪水，检验模型结构的合理性和参数的准确性。

1 研究区域和模型原理

1.1 研究区域概况

温黄平原位于浙江省的椒江及灵江干流以南，乐清湾以北，东部和东南部濒临东海，总面积约2 358 km2，其中山丘区、平原区各占1/2，区域内有永宁江和金清2大重要水系，河道全长4 352 km，水域总面积78.09 km2，多年平均降雨量1 683 mm，雨量多集中在4—9月，阶段雨量占全年雨量的70%～80%，多年平均水资源量22.07亿m3，产水系数0.56，产水模数93.6万m3/km2。

1.2 模型的构建与输入

流域降雨推求流域出口的河川径流的模拟主要分为产流与汇流2部分。产流过程是指降雨经过扣损变成净雨，汇流过程是指各分区净雨汇集到出口控制断面或排入河网。温黄平原水文模型中，平原区降雨产流按水面、旱地、水田和城镇4类下垫面分别计算、汇流按经验汇流曲线计算；山丘区产流采用河海大学赵人俊等人开发研制的新安江模型计算，汇流采用麦克锡于1938年提出的马斯京根法计算。

1.2.1 平原区产汇流模型

针对下垫面的空间分布差别较大，根据现有的资料条件，平原区产流模型将流域平原区下垫面分为水面、旱地、水田、城镇4类，分别采用各自的产流模型进行产流模拟。各水利分区的产流量为分区内各种下垫面产流量的加权平均，即：

R=f1RW+f2RR+f3RL+f4RC

(1)

式中：R为水利分区产流量(mm)；RW，RR，RL，RC为水面、水田、旱地及城镇产流量(mm)；f1，f2，f3，f4为水面、水田、旱地及城镇面积的比例。

利用概化河道、水闸等分割平原区河网多边形，并进行栅格化，每个网格采用最短流程法来实现产水空间分配，并采用经验汇流曲线模拟产水时间分配。

1.2.2 山丘区产汇流模型

温黄平原山丘区属湿润地区，流域内植被良好，植物根系发达，存在质地疏松的腐殖层，包气带只在20～30 cm范围内缺水，缺水量不过30～50 mm，土壤水很容易达到田间持水量，产流方式主要是蓄满产流，可以用三水源、三层蒸发模式的新安江模型来模拟产流过程，再采用马斯京根法进行分区出口以下河道的洪水演算，求得汇入平原河网的流量过程。

1.2.3 模型的输入与计算

雨量及蒸发过程作为水文产汇流模型的输入，用于计算区域的降雨产流过程，以流量作为水文模型的输出，与沿江沿海潮位一起作为水动力模型的上下边界条件，将平原区河网概化后的一维河网、零维调蓄区和堰坝工程单元，运用水量平衡方程原理，采用圣维南方程组求解河道水位。

2 率定与验证

将温黄平原流域按自然流域划分成10个平原区、39个山丘区，采用海门、路桥、长潭水库、温岭等13个雨量站以及长潭水库、金清闸等蒸发站的资料，将时段雨量、蒸发数据输入温黄平原水利计算模型，选取西江闸、路桥、温岭等12个代表点作为水位拟合对象(见图1～2)。

图1 平原区分区图

图2 山丘区分区图

2.1 0509号“麦莎”台风

0509号“麦莎”台风于8月6日凌晨在玉环县干江镇登陆，此次台风是一次典型的风、雨、潮 “三碰头”。温黄平原普降大暴雨，永宁江水系三日面雨量达406.3 mm，其重现期大于10 a一遇；金清水系三日面雨量达244.7 mm，其重现期约为5 a一遇。受天文大潮汛制约，河网排涝不利，致使温黄平原长时间被洪水淹没。期间0509号“麦莎”台风各站点计算水位过程与实测水位过程验证见图3。

图3a 西江闸上洪水过程图

图3b 路桥洪水过程图

图3c 麻车桥洪水过程图

图3d 大溪洪水过程图

图3e 温岭洪水过程图

图3f 金清闸洪水过程图

2.2 “20090929”短历时暴雨

该次降雨从9月28日08时开始，至10月1日06时结束。温黄平原各县(市、区)面平均降雨量分别为：黄岩208 mm、路桥288 mm、椒江188 mm、温岭348 mm。各主要水位站点中，路桥站最高水位为3.11 m，温岭站最高水位为3.27 m，黄岩西江闸站最高水位为3.58 m。期间“20090929”暴雨各站点计算水位过程与实测水位过程验证见图4。

图4a 路桥洪水过程图

图4b 麻车桥洪水过程图

图4c 泽国洪水过程图

图4d 温岭洪水过程图

图4e 金清闸洪水过程图

3 模型评价

3.1 0509“麦莎”台风计算成果

定性地从图3中可以看出，各站点实测水位过程线与模型计算过程线吻合良好，成果较为满意。依据SL 250—2000《水文情报预报》中洪水预报成果的评价方法，选用绝对误差与确定系数2项指标，定量地对本次洪水计算过程进行评价(见表1)。

表1 0509“麦莎”雨洪过程各验证点确定性系数与误差表

序号站点实测/m计算/m误差/m确定性系数1黄沙闸上3.673.61-0.060.962黄沙闸下3.643.62-0.020.973山头泾闸上3.273.320.050.90

续表1

在确定系数方面，除西江闸上外，其他站点基本在0.90左右，说明模型计算过程线与实测过程线的吻合程度较好。西江闸过程线主要是洪峰过后的水位降落段计算与实测有一定的偏差，这种偏离一方面来源于资料的精度，另一方面也与模型中西江闸的调度方式与实际的调度方式的差别有关。

在最高水位的绝对误差方面，除路桥站误差稍大外，其他各站误差均较小，但均在0.10 m以内。

3.2 “0929”短历时暴雨计算成果

从图4中可以看出，各站点实测水位过程线整体拟合较好，洪水退水段计算成果与实测数据稍有偏离。定量指标见表2，在确定系数方面，除山头泾闸外，其他站点基本在0.90左右，说明模型计算过程线与实测过程线的吻合程度较好。

山头泾闸确定性系数较低，从过程线上看，计算高水位出现时间与实测存在一定的误差，实际上，对于温黄平原闸控河道水系，高水位的出现一方面与降雨有关，另一方面直接与闸的调度相关，计算高水位出现时间晚于实测高水位时间，并且计算水位值低于实测值，这与该闸的调度控运相关，可能的原因是模型设定的控运方式、控制水位与该场洪水实际的调度方式存在一定的差别，开闸较早、时间较长、计算水位并未上涨到实测的高水位。

在最高水位绝对误差方面，除温岭、山头泾闸外，别的验证站点误差均较小。其中温岭的误差是系统性的，可能与地形变化、零维要素设置合理性有关，山头泾闸的问题可能与控运调度直接相关。

表2 “0929”短历时暴雨各验证点确定性系数与误差表

序号站点实测/m计算/m误差/m确定性系数1黄沙闸上3.463.39-0.070.932黄沙闸下3.463.37-0.090.943山头泾闸上3.092.90-0.190.724坝头闸下3.223.16-0.070.966椒江石柱2.782.77-0.010.867路桥3.083.150.070.968麻车桥2.972.90-0.070.969泽国3.012.97-0.040.9610大溪3.143.150.010.9511温岭3.233.430.200.8812金清闸2.452.440.060.87

4 结 语

运用平原区和山丘区产汇流模型在温黄平原水利计算模型进行了2005年“麦莎”台风、“20090929”短历时暴雨过程水位过程的模拟，从模拟的精度来看，代表站水位过程的确定性系数均在0.8以上，模拟的精度较高，达到了预期目标。

温黄平原水利计算模型中水文模型都是基于已有研究成果，概念清楚，结构简单，模型的参数决定于流域的气候、地质、地貌、土壤、植被等自然条件，因此是有地区规律的。直接根据流域的自然条件来确定模型的参数已有一些研究，如WM、UM、DM、B、C等这些参数都给出了地区的大致取值范围[1-4]。但是对于新安江模型的汇流参数如CS (河网水流消退系数)、马斯京根参数与下垫面的关系研究较少。由于资料限制，许多流域信息、特征、地理信息特征无法准确获得和使用，使得对于水文模型与流域下垫面之间的关系研究较少。根据温黄平原水文模型构建和模拟的经验，所运用的方法和模型结构有利于实际应用，但应在进一步研究过程中注重利用3S、DEM等精确描述流域相应的空间变异性资料，从而加强模型的物理基础与可靠性；另一方面，针对温黄平原水环境现状，也要继续研究水质、水温、水生植物等对产汇流过程，尤其是蒸发过程的影响等。

[1]赵人俊．流域水文模拟—新安江模型与陕北模型[M]．北京：水利电力出版社，1984．

[2]赵人俊．流域汇流模型的探讨[C]//赵人俊.水文预报文集．北京：水利电力出版社，1994：150-154.

[3]赵人俊，王佩兰．新安江模型参数分析[J]．水文，1988(6)：2-9．

[4]赵人俊，王佩兰，胡凤彬．新安江模型的根据及模型参数与自然条件的关系[J]．河海大学学报，1992，20(1)：52-59．

(责任编辑 郎忘忧)

2015-01-26

戴香琳(1983-)，女，工程师，大学本科，主要从事水文水利计算。

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