基于多水源TVGM模型的下垫面变化对流域洪水的影响

马晓明

(辽宁石佛寺供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 研究区概况

细河是大凌河下游左侧最大支流。源出阜新蒙古族自治县他本扎兰乡东北东骆驼山，流经阜新市区，阜新蒙古族自治县，在义县复兴堡附近汇入大凌河，全长113km，流域面积2932km2[1]。细河流域地处东经121°32′至东经121°53′，北纬41°42′至北纬41°54′之间，属温带半干旱半湿润大陆性季风气候，春季回温较慢，降水较少，夏季温度高，降水集中，常发短时暴雨、冰雹、洪水等灾害性天气，秋季凉爽，降温快，冬季漫长寒冷，多降雪。研究区的年最高气温38.1℃，最低气温-45.2℃，年平均气温5.2℃，年均降水量为413.2mm。

细河流域地处降水量较少的辽西地区，受气候条件和长期以来人类活动双重影响，域内植被稀疏、气候干燥，水土流失较为严重[2]。由于研究区内夏季多短时强降雨过程，加强流域洪水预报对合理利用水资源、提高地质灾害的应对能力具有重要意义。根据相关研究成果，影响流域洪水径流特性的下垫面要素主要是地形、土壤、植被以及水利工程和水保措施，其中植被和水利水保工程受人类活动影响较大[3]。随着近年来国家和地方政府在环保领域投资力度的不断加大，细河流域的植被覆盖状况得到显著改善，工程措施、生物措施以及耕作措施等水土保持措施的大面积推广也成为影响该地区下垫面特征的重要因素。

2 多水源TVGM模型的原理

2.1 模型的产流原理

由于影响因素的复杂性，降雨-径流水文响应是极其复杂的[4]。TVGM模型产流理论是基于上述关系提出的一种时变增益的非线性产流关系[5]。夏军教授在20世纪末期参加“国际河川径流预报”研讨班过程中，通过对全球40多个流域的实测水文资料的分析，开展了水文系统理论方面的研究，并发现了一种时变增益水文系统关系[6]。多水源TVGM模型在传统TVGM模型的基础上增加了地下径流模块以及地下产流参数，不仅可以描述地下径流和降雨量以及土壤湿度之间的相关关系，又能保持模型本身参数少、结构简单的优势，模型的总产流公式如下：

R(t) =Gs(t)P(t)+Gg(t)API(t) =(g1+g2API(t))P(t)+g3API(t)

(1)

式中，R(t)—总产流量；Gs(t)—地表产流量时变增益因子；Gg(t)—地下产流量时变增益因子；P(t)—降雨量；API(t)—土壤湿度；g1、g2—地表产流参数；g3—地下产流参数。

2.2 汇流模型

多水源TVGM模型的地表汇流采用流域分散入流非线性汇流模型[7]，其非线性系统方程如下：

(2)

式中，Qs(t)—地面出流；Rs(t-w)—地面净雨强度；u(Rs(t-w)，w)dw—变动瞬时单位线，是净雨强度和时间的函数。

由于地下水面比降比较平缓，模型的地下汇流过程采用线性水库地下汇流计算公式[8]：

Qg，2=Rg，2(1-kkg)+Qg，1kkg

(3)

式中，Qg，1—时段初地下径流出流量；Qg，2—时段末地下径流出流量；Rg，2—时段内地下产流量；kkg—地下汇流参数。

3 产汇流参数率定和验证

将上节中的多水源TVGM模型应用于细河流域，分别运用历史上的洪水过程进行模型的参数率定和验证，以确定模型在细河流域洪水特征研究中的适用性，为下一步的下垫面变化对流域洪水的影响研究提供必要的研究工具。

为保证参数率定的准确性和适用性，研究中选取细河流域下垫面发生变化之前的8场洪水。其中将5场洪水用于参数率定，其余3场洪水用于模型验证。模型参数率定结果见表1，模型验证结果见表2，模型验证期模拟效果如图1—2所示。

表1 模型参数的率定结果

图1 19730625洪水模拟效果

图2 19730801洪水模拟效果

由表2和图1可知，多水源TVGM模型在细河流域具有较好的洪水模拟效果，无论是洪峰流量的误差、洪量误差还是峰现时间的误差都不大。其中洪峰流量的误差大多都在10%以内，误差的最小值为3.25%，最大值为16.95%；洪峰流量的误差最小值为5.08%，最大值为28.00%；从峰现时间而言，仅有3个场次的洪水出现了1h以上的误差，其余场次的洪水模拟效果良好。从Nash系数来看，模拟结果基本在0.8以上，仅有3场洪水的数值较小，其主要原因是峰现时间模拟出现误差所致，但是这3场洪水的洪峰流量与洪量的模拟误差不大。总之，对细河流域而言，多水源TVGM模型具有较好的率定和模拟效果，可以用于后续研究中对细河流域的洪水模拟，并用于细河流域的产流和汇流参数变化以及产汇流变化对本流域洪水的影响。

表2 细河流域洪水模拟结果

4 下垫面变化对细河流域洪水规律影响的模拟分析

前文提到，得益于国家对流域水土保持工作的重视，细河流域近年来不断加大相关领域的政策和财政投入，流域内的植被覆盖率得到了大幅提升。显然，水土保持工作中的工程措施、生物措施以及耕作措施的应用必然对细河流域的下垫面特征产生重要影响。因此，本节试图利用多水源TVGM模型对下垫面变化前后的洪水过程进行模拟分析，进而获得下垫面特征变化对流域洪水规律的影响。根据上文方法首先对细河流域下垫面变化后的产汇流参数进行模拟率定，结果见表3。

表3 下垫面变化后的模型参数率定结果

选择细河流域具有暴雨和洪水之间存在良好对应关系的18场洪水进行模拟计算。为了获得更为精准的模拟结果，将上述洪水按照大于10年一遇的洪水为大水、5年至10年一遇的洪水为中水，小于5年一遇的洪水为小水进行洪水的量级划分。选定的18场洪水中有大水4场、中水4场、小水10场。利用多水源TVGM模型对上述不同量级的洪水对流域下垫面发生变化前后的洪水进行模拟，得到变异前后的模拟结果，两者之间的差异就是下垫面变化对细河流域洪水的影响响度。模拟结果见表4。由表4数据可以看出，下垫面变化之后的洪峰流量和洪量均有明显减小。其中，大水情况下的洪峰平均衰减率为21.86%，洪量的平均衰减率为10.88%；中水情况下的洪峰平均衰减率为26.43%，洪量的平均衰减率为24.28%；小水情况下的洪峰平均衰减率为38.64%，洪量的平均衰减率为15.57%。可见，洪峰流量和洪量均随着洪水量级的增大而减小，同时洪量的衰减率小于洪峰流量的衰减率。

表4 细河流域下垫面变化洪水模拟结果

图3—8是不同洪水量级下，部分场次洪水在下垫面变化前后的洪水过程模拟结果。由图可知，细河流域下垫面的变化能够对不同级别的洪水产生明显的消峰和坦化作用，但是不同级别的洪水条件下，表现的作用也有细微差别。其中，下垫面变化对大中型洪水主要起到消峰作用，对洪水过程线并无显著的影响；对小型洪水而言，下垫面的变化主要影响洪水过程线，坦化作用明显，对洪量减少方面作用比较有限。

图3 19800704洪水过程模拟结果

图4 19830721洪水过程模拟结果

图5 19780624洪水过程模拟结果

图6 19920809洪水过程模拟结果

图7 19790716洪水过程模拟结果

图8 20100803洪水过程模拟结果

5 结语

本文以辽西地区大凌河的支流细河为研究对象，分析了流域下垫面变化对洪水过程的影响，并得到如下结论。

(1)近年来细河流域的植被覆盖状况得到显著改善，而工程措施、生物措施以及耕作措施等水土保持措施的大面积推广也成为影响该地区下垫面特征的重要因素。

(2)通过产汇流参数的率定和验证，说明多水源TVGM模型在细河流域具有较好的适用性，可以用于下垫面变化对洪水影响的研究。

(3)利用多水源TVGM模型对细河流域不同量级洪水下垫面变化前后的洪水特征进行模拟，结果显示下垫面条件的变化可以消减洪峰流量和洪量，且洪水级别越低衰减作用越大；对级别高的洪水主要表现为消峰作用，对级别低的洪水主要表现为坦化作用。