辽宁省中小流域径流模拟研究

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110003)

辽宁省位于我国东北地区的南部不仅是我国重要的老工业基地，而且属于东北地区农业经济发展的核心区域[1]。占地面积14.8万 km2下设14个省辖市、2个省管县，地形地貌在东、西两侧以山地丘陵为主海拔约500～800 m，中部为辽河平原区海拔约200 m整体向渤海呈马蹄形倾斜。辽东半岛东临黄海，西接渤海近海水面积约6.4万 km，陆地海岸线全长2 292 km位居全国第5，并占全国海岸线12%；属于大陆性季风气候，冬冷漫长，夏热多雨，全年降雨量为600～1 100 mm之间，降雨量和径流量分布不均匀，东部山地丘陵区降雨量较为充足。年均130～200 d为无霜期，年均气温7℃～11℃并且受季风气候影响各区域温差较大，自西南向东北方向呈递减趋势[2]。

辽宁省地形地貌结构复杂主要是以山地、丘陵地和平原区为主，受自然环境及人类活动等因素影响该区域汛期发生泥石流、洪水、山体滑坡等灾害频繁。目前，统计分析法和水文模型为径流模拟的主要方法，其中统计分析法是以水文过程数据资料为依据，其往往受研究区域历史系列完整性和地域性特征准确性的作用影响，致使径流模拟结果与实际过程存在较大偏差；水文模型法在考虑了水文过程的基础上通过构建模型进行径流模拟的方法主要有HBV模型、新安江模型、TopModel模型等，该方法在众多流域中已得到较为广泛推广和应用。据此，本文结合辽宁省中小流域特征利用参数较少、结构简单的SCS模型对大凌河流域的降雨径流进行模拟，并以牤牛河、细河、清河3个典型的小流域为例验证了模型的可行性与准确性[3]。

1 数据资料与方法

1.1 区域概况

本文选择大凌河流域数据资料较好的中小流域牤牛河、细河、清河为研究对象，主要径流建平县、北票市、义县、阜蒙县等区域，各支流纵横交错为生活用水以及工农业用水的主要来源之一。属于大陆性季风气候区，在年内和年际范围内水文要素变化较大且降水量在时空分布上极不均衡，6～9月为该区域降雨旺季其降水量占全年的60.5%以上，大凌河流域为典型的山洪易发多发区并存在明显的丰枯交替性，年降水量约为450～600 mm且存在较为明显的年际变化特性，历史径流量均值为3.286亿 m3，年平均温度为8.5℃～12.7 ℃。流域以低丘陵区为主，山坡陡峭，山体坡度在20°～32°之间，地势起伏较大相对高差约720.15 m，流域内地势结构由南至北逐渐降低，土壤类型有水稻土、褐土和草甸土，地质岩层属性以石英砂岩、泥岩和页岩为主。本文所选水文站点及中小流域详细资料如表1所示。

表1 大凌河中小流域数据资料概况

1.2 研究方法

本文针对大凌河3个中小流域特征采用分辨率为1 km×1 km的DEM数据，然后根据DEM数据的洼地实际状况利用Arc Tool box中水文分析模块进行填充得到无洼地的数据。结合DEM完整数据对水流方向利用最大坡度单流向法进行确定并依次得到河网水系数据和河流汇流累计量，最后对河流边界采用矢量法确定[4]。

SCS模型是以防洪工程和土壤保持工程设计为基础由美国土壤保持局针对小流域洪水设计而研发的一种用于洪峰流量和径流估算的方法，其中水量平衡方程、以及条件假定是SCS模型进行径流量预测分析的前提条件，实际径流量Q、潜在蓄水能力S、最佳径流量P、初损的作用关系应满足下述计算公式

P=Ia+F+Q

(1)

(2)

Ia=λS0

(3)

SCS模型的初损率λ标准值通常为0.2，则由上述公式可得地表径流量Q计算公式：

(4)

上述公式中：Q为地表径流实测值，通常采用次降雨径流深度表征，mm；P、F分别为次降雨量和累计入渗量，mm；S为流域最大蓄水能力，量纲介于0～100之间，mm；Ia、λ分别为初损量和初损率，mm；

CSC模型规定最大蓄水能力S与径流曲线数CN应满足以下关系式：

(5)

结合辽宁省大凌河流域特殊的气候条件和下垫面特性需对SCS模型进行经验公式和参数率定的重新调整，为了最大限度的利用已有研究成果和相关条件，并反映径流量空间变化特征，本文对SCS模型的径流计算方法采用两个参数即系统偏差系数k和初损比例m进行调整，并且所引入的参数可通过SCS模型参数率定和构建过程获取[5-6]。

2 模型的应用

本研究结合大凌河流域降雨蒸散发以及下垫面条件数据资料对面降雨量利用泰森多边形插值法进行求解和确定，并对北漂水文站2005～2015年的降雨量径流过程采用改进的SCS模型进行模拟分析，其中用于模型参数率定的气象水文观测数据来源于2005～2011年，而用于检验模型参数的适用性及模拟效果的观测数据来源于2012～2016年[7-9]。

2.1 参数率定

利用改进的SCS模型对2005～2011年的6场典型的降雨径流过程进行模拟分析，结果如表2所示。

表2 大凌河流域率定期6场次降雨径流模拟

纳什系数NSCE也成为模拟结果确定性系数可按下述公式进行求解：

(6)

实测径流量与径流模拟结果之间的贴近程度可采用纳什系数NSCE进行表征和反映，根据相关标准规范和有关研究成果可知，模拟结果精度分别为甲级和乙级时NSCE系数取值范围为大于0.90和0.7～0.9区间。按照此等级标准可知，在大凌河中小流域中改进的SCS模型其降雨径流模拟效果良好，纳什系数NSCE在率定期，各场洪径流模拟结果值均高于0.80，其最大值可达到0.86，由此表明改进的模型具有良好的准确性与适用性，可用于对降雨径流模拟分析。

对径流曲线数CN采用渐近线法进行确定，渐近线法是利用相同重现期的频率对自变量和因变量进行匹配，并确定自变量理论值的一种高等数学极值法。该方法由D.H. Hawkiins基于前期土壤湿度提出的应用于SCS模型CN值计算的方法，它是通过将立地环境划分为湿润、半湿润和干旱3种状态并进行CN1、CN2和CN3的计算分析。渐近线法计算过程为：首先将径流量和降雨量由大到小进行排序，并将同一序列下的数据组进行排序并组成新的数据对；然后利用新的数据组进行相应的S和CN值的计算；最后根据CN值计算结果及其相对应的降雨量，绘制散点图并确定降雨量与径流曲线数的关系函数。平均土壤水分状况CN值采用渐近线计算值，然后利用调节函数进行CN1和CN3值的计算，计算公式如下所示：

(7)

CN3=CN2exp(0.006 73×(100-CN2))

(8)

本研究结合大凌河中小流域多年降雨径流资料，推导出年平均降雨量与渗透量关系式，并利用文中所述相关公式和率定期6场径流数据确定了初损比率m的取值变化区间。考虑到研究流域为中小型流域，其前期土壤湿度变化相对较少，因此CN值取上述计算结果的平均值，改进的SCS模型在率定期的6场次洪率定中其参数值率定结果如表3所示。

表3 改进的SCS模型参数率定结果

2.2 模型验证

对改进的SCS模型的径流模拟效果采用2012～2016年验证期间的3场次洪水进行验证分析，结果如表4所示。

表4 改进的SCS模型在验证期的3场次洪模拟

由表4验证结果可知，利用率定期确定的模型参数对验证期的场洪进行径流模拟表现出良好的模拟效果和可行性，NSCE值模拟结果均大于0.86其最高值达0.91，由此表明在大凌河中小流域降雨径流模拟中改进的SCS模型表现出较强的适用性与可靠性，该技术方案可用于研究流域的径流模拟。

表5 中小流域径流模拟参数及结果

2.3 结果分析

改进的SCS模型参数以及其他中小流域径流模拟结果如表5所示，研究表明，经过率定后的系统偏差系数k和初损比例m参数可直接用于研究流域验证期的径流模拟，确定性系数NSCE在验证期的模拟结果均高于0.80，模拟结果能较好的反映大凌河流域内3个中小流域径流过程的实际状况。

为提升辽宁省中小流域水资源管理、临界雨量计算以及山洪模拟预报的准确性与科学性，本文结合以上分析结果和相关理论对改进的SCS模型作进一步的分析和探讨。改进的SCS模型不仅可提高辽宁省中小流域山洪预警的准确性水平，而且可对洪水的演进过程进行及时准确的跟踪预报并最大程度的降低山洪灾害的损失。以降雨-径流关系为纽带可构建基于降雨、径流和水位关系的改进的SCS模型，为初步判定洪涝致灾临界雨量可选取研究区域警戒水位作为判别依据。本文研究成果可为辽宁省水资源的开发、保护、利用、调度以及分配提供一定的参考和理论方法。改进的SCS模型能够较为准确的表征中小流域的降雨径流关系并且其所需数据资料容易获取，研究结果和方法可有利于提成研究区域水资源的有效利用率[10]。

3 结语

本研究对SCS模型引入系统偏差系数k和初损比例m进行经验公式和参数的重新率定，对辽宁省中小流域采用改进后的模型进行径流模拟，结果表明模型可根据研究区域特殊的气候条件和下垫面实际状况对径流过程进行较为准确的反演模拟。并且该模型具有观测数据精度要求较低、结构简单参数少，可对不同降雨和土壤类型条件下的地表径流过程进行客观、准确描述的优点。经过率定后的系统偏差系数k和初损比例m参数可直接用于研究流域验证期的径流模拟，确定性系数NSCE在验证期的模拟结果均高于0.80，模拟结果能较好的反映大凌河流域内3个中小流域径流过程的实际状况。