东湾流域下垫面变化及其子流域嵌套分析

赵 旭，赵丽霞，王黎明，徐十锋

（1.河南省开封水文水资源勘测局，河南开封475003；2.黄河水利委员会水文局，河南郑州450004）

东湾流域下垫面变化及其子流域嵌套分析

赵 旭1，赵丽霞2，王黎明2，徐十锋2

（1.河南省开封水文水资源勘测局，河南开封475003；2.黄河水利委员会水文局，河南郑州450004）

采用双累积曲线法和新安江模型分析东湾流域1960—2011年降水及径流变化，将东湾流域洪水系列划分为1994年前后2个系列，并以东湾流域与其潭头、栾川2个子流域为研究对象，用1994年前后东湾流域率定出来的两套参数模拟其子流域。结果表明：下垫面的变化影响到嵌套流域的降雨径流关系，1994年前东湾流域的参数对其子流域的模拟较好，1994年后东湾流域的参数模拟其子流域的精度已经达不到洪水的精度要求。

双累积曲线；新安江模型；下垫面变化；水文模拟；嵌套流域；东湾流域

随着社会经济的迅速发展及人口的不断增加，伊洛河流域内人类活动影响不断加剧，从而引起了流域下垫面条件发生了较大变化。东湾流域地处黄河流域中游伊河流域，为半湿润地区，属于混合产流区，主要以蓄满产流为主。采用双累积曲线法和新安江模型分析模拟东湾流域洪水资料，划分研究阶段，模拟东湾流域嵌套子流域，探讨下垫面变化对参数的影响，对于水资源管理和防洪抗旱具有重要的理论与现实意义。

1 研究区概况

东湾流域位于伊河河源地区，流域面积为2 856 km2，属大陆性季风气候。降水量的年内分布极不均匀，每年7—9月流域的降水量占年降水总量的一半以上，降水年际变化较大，年最大降水量是年最小降水量的2倍左右。

用ArcGis软件对东湾流域的DEM数据进行流域提取、河网生成，用泰森多边形法将流域划分为8块单元面积，蒸发资料采用下游黑石关站的同时间系列实测蒸发资料。流域所划分的子流域及其代表雨量站点见表1。

表1 东湾子流域面积权重

2 研究阶段划分

2.1 双累积曲线法

采用双累积曲线方法分析降水径流累积关系出现突变的时间，在直角坐标系中绘制1960—2011年降水连续累积值与径流深连续累计值的关系线。该方法在长期演变分析中具有简单和直观地特点且应用广泛[1]。如果双累积曲线的斜率发生变化，则表示2个变量之间的比值发生了改变。如果忽略比值是变量的可能性，那么斜率发生突变点所对应的年份就是两个变量累积关系出现突变的时间[2，3]，东湾流域降雨径流深双累积曲线图如图1所示。

图1 东湾站降雨～径流双累积曲线图

由图1可知，东湾流域的年降雨～径流关系存在比较明显的转折点。年降雨径流系列分成2段：1960—1994，1994—2011。

2.2 新安江模型

将1970—2011年东湾流域的整个实测资料系列输入到新安江模型[4，5]中，对模型参数进行率定。在率定的过程中发现，1994年前后模型对洪水模拟的精度差异明显，结合东湾流域Mann-Kendall法和降雨径流双累积曲线分析结果，选择1994年作为分界点，对东湾流域1970—2011年的实测资料进行分段研究，进行日模和次模，分析模拟结果。

根据东湾流域的自然特征，设定参数初始值，并保持非敏感参数不变，在参数率定的过程中调整敏感参数值，根据东湾流域实地调研，不考虑气候变化的因素，选择1970—2011年的日资料；在1970—1994年间选择了13场洪水；在1994—2011年间选择了13场洪水，利用新安江模型分别对不同时期的洪水进行模拟分析。本文着重研究下垫面变化条件下流域张力水容量WM、蒸散发折算系数K以及河网消退系数CS[6-7]的变化情况，参数的率定结果见表2，3。

由表3可看出：东湾流域1994年前选择了13场洪水，次洪径流量模拟合格率为76.9%；1994年后选择了13场洪水，径流深模拟合格率为76.9%，总体来说，新安江模型能够在满足参数合理性的条件下，在东湾流域有较好的适用性。对比表格2次洪模拟参数变化幅度，SM在1994年前后有明显的不同，由34增加到了60，说明表层土自由水容量增大，结合前面参数WM大的分析，可以认为，随着人类活动影响的增加及气候的变化，流域的调蓄作用有所变大。

表2 东湾流域1994年前后新安江日模次模参数率定结果

表3 东湾流域洪水模拟成果统计表

3 东湾流域参数情况下嵌套流域径流和洪水模拟

3.1 潭头流域径流和洪水模拟

潭头流域为东湾流域的子流域，流域面积1 395 km2，占东湾流域的49%左右。降水分布不均匀且年内变化大，多年平均雨量1 000 mm左右，主要集中在7—9月，用东湾流域的参数模拟潭头流域，见表4。

表4 潭头流域1994年前后新安江日模结果

由表4可以看出采用东湾流域的参数，计算的径流量2000年以前普遍都偏小，从2000年起开始偏大。2000年以前，模拟值平均偏小了21.5%，2000年以后模拟偏大59.9%。以径流相对误差小于20%为标准，日模率定结果合格的洪水只有10年，合格率只有28.5%。

选取潭头和东湾流域同一时期的12场洪水进行次洪模拟，表5是次洪模型参数情况下洪水模拟的特征值，可以看出采用东湾洪水模型调式的参数，总体平均径流深偏小了22.3%，洪峰偏小30.6%。以相对误差小于20%为标准，洪量模拟值合格的有8年，洪峰模拟值合格的有5年。

表5 潭头流域1994年前后新安江次洪模拟结果

3.2 栾川流域径流和洪水模拟

栾川流域是潭头的一个子流域，流域面积346 km2，该流域属温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。多年平均降雨量862.8 mm，主要集中在7—9月，50%以上集中在汛期，降水量的分布极不均匀且年际变化较大，年最大降水量是年最小降水量的2倍左右。用率定出东湾流域的新安江模型参数来模拟潭头的流域洪水，然后与潭头的实测洪水相比，分析在东湾流域参数情况下潭头的模拟结果，见表6，7。

由表6可以看出，采用东湾流域参数计算的径流量普遍都偏小，模拟平均偏小了16.4%。以径流相对误差小于20%为标准，日模率定结果合格的洪水有23年，合格率为60.5%。

表6 潭头流域1994年前后新安江日模结果

表7 潭头流域1994年前后新安江次洪模拟结果

由表7可以看出，采用东湾洪水模型调式的参数，总体平均径流深偏小了4.1%，洪峰偏小13.1%。以相对误差小于20%为标准，洪量模拟值合格的有8年，洪峰模拟值合格的有7年。1994年以前的洪量的误差波动较小，1994年以后的洪量的误差波动较大，波动较大主要表现在小洪水的模拟上。

3.3 嵌套流域分析

对东湾流域模拟的参数在3个流域应用的日模型常日的合格率做对比分析，见表8，9。

表8 潭头流域1994年前后新安江日模型参数率定结果

使用东湾流域日模拟参数，潭头流域模拟的日模型精度在1998年以前为39.1%，1998年以后为15.4%，整体为28.6%；栾川流域模拟的日模型精度在1994年以前为61.9%，1994年以后为58.8%，整体为60%，整体达到了丙级精度。由上面的数据分析得出，在下垫面改变之前的3个流域的嵌套关系要好于下垫面改变之后的关系，下垫面的改变对嵌套流域的嵌套关系有影响。

表9 东湾参数各流域次模型模拟情况%

从整体上看，下垫面变化前的参数在不同流域模拟的合格率的变化都比较稳定，而下垫面变化以后则相差的比较大。下垫面的变化对流域嵌套关系的变化有影响。

4 结论

采用双累积曲线法和新安江模型法找出东湾流域径流序列突变年份，划分成1994年前后2个系列，在东湾流域应用新安江模型进行分期参数率定，得出1994年前后不同的两组参数。由参数的变化可以看出，1994年后，流域的调蓄能力在变大。结合东湾流域的发展状况以及相关资料，可以分析其变化的原因：一是流域内中小型水库的建设和退耕还林政策的贯彻实施，使蒸发量增大，土壤蓄水量增大，导致参数K与CS值增大；二是人口的增多，加大了地下水开采的力度，使得包气带加厚，地下蓄水容量增大，即WM增大。

以东湾、潭头、栾川3个流域的嵌套关系作为研究对象。将东湾流域的率定参数应用于其子流域潭头和栾川流域中对比洪水的模拟情况，通过分析比较可以看出：1994年以前的流域之间的相互模拟较好，1994年以后流域之间的相互模拟较差，1994年后的下垫面的变化影响了嵌套流域的模拟。

用新安江模型得到的是流域整个下垫面的平均的改变，具体流域小部分下垫面的改变没有体现出来，所以下垫面的改变对嵌套流域的具体影响是模糊的。结合下垫面变化的详细情况，对流域再进行分块比对，探讨分析下垫面变化时如何影响嵌套流域的模拟，将是一个有价值的研究方向。

［1］张利茹，张建云，刘九夫，等.近50年中国不同气候区典型流域降雨径流变化趋势［J］.水利发电，2011，37（10）：14—17.

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TV121+.1；TV122

B

1002—0624（2017）10—0030—04

国家重点研发计划项目（2016YFC0400909；2016 YFC0402703）、水利部公益性行业科研专项（201301066）。

2017-06-15