基于双超模型的赵城水文站洪水模拟研究

2020-08-31霍勇峰

山西水利科技 2020年2期

霍勇峰

（山西省水文水资源勘测局山西太原030001）

1 研究背景

双超产流模型是根据半干旱半湿润地区的产流机理，使用带有前期土湿参数的下渗模型建立起来的产流模型。而汾河流域正位于中纬度大陆性季风区，距离海洋较远，还有太行山的阻隔，形成了典型的大陆性季风气候，是典型的半干旱半湿润型地区。

汾河是山西的母亲河，它流经忻州、太原、吕梁、晋中、临汾、运城等6市，全长约713 km，流域面积39 721 km2，为山西的经济发展提供了重要的保障。由于汾河流域暴雨时空分布极不均匀，汛期（6-9月）降雨量能占到全年降水量的70%以上，7、8两个月的降雨更是集中，能占到全年的40%。受降雨影响，汾河流域洪水的时空分布也极其不均，发生时间与暴雨高度一致。上游洪水经过汾河中游平原型河道的调蓄削峰作用，一般不会对下游造成大的灾害。造成汾河下游的灾害性大洪水主要由灵霍山峡区间暴雨洪水及义棠-赵城区间主要支流洪水叠加产生。而汾河下游是最为平缓的一段，平均纵坡约为1.3‰[1]，且由于多年来没有发生较大的洪水，河道行洪能力明显降低，一旦发生洪水，极易造成汾河下游大范围的水灾。赵城水文站正好处于汾河中下游分界处，如果能提前知道赵城洪水的大小，就能及时做好防洪抢险措施，可以最大程度地避免损失。因此，做好赵城的洪水预报就显得尤为重要。

2 双超产流模型简介

流域产流是降雨强度和流域蓄水量共同作用的结果，双超产流模型以降雨强度超过土壤的下渗能力产生地表径流，土壤水分超过田间持水量产生壤中流。下渗模型采用了王印杰[2-4]等研究出的土壤水分特性函数D（B）、K（B）与饱和度的关系：

式中：Ks——饱和土壤的宏观导水率，mm/h；

Ds——张力饱和时的宏观扩散率，mm2/h；

Br——凋萎饱和度，无量纲；

λ=2c+1，c为土壤骨架孔径级配参数，随土壤颗粒变细、粘性增加而加大，无量纲。

由此关系进一步推出了入渗累积量公式[5]：

和入渗率公式：

式中：Sr——风干土壤的吸收率，mm/h1/2；B0——渗前土壤饱和度。

直接将渗前土壤饱和度作为参数来计算入渗曲线，从理论上校正了应用Philip入渗公式时的经验假设，使土壤饱和度的减渗效应得到了理论支撑[6]。

采用相对入渗能力曲线，推出下渗能力归一化流域分配曲线，它是过（1，1）点的单增函数，其函数表达式如下：

b1——单元体饱和时渗能标记统计分布参数；

β0m——β0的上限。

3 赵城洪水模拟

3.1 流域概况

汾河义棠-赵城段，河段干流全长约92 km，区间流域面积约4 731 km2。流域内降雨的年际变化较大，年内分配不均，全年70%降雨量集中在6—9月份，并且多以暴雨形式出现。由于该段地处灵霍山区，是汾河中下游主要的产流区，并且有静升河、交口河、双池河、仁义河、对竹河、团柏河、南涧河等大支流汇入。地质环境复杂，其中砂页岩灌丛山地面积1 909 km2，占总面积的40%；黄土丘陵阶地面积1 123 km2，占总面积的23.7%；灰岩森林山地面积504 km2，占总面积的10.7%；灰岩灌丛山地面积457 km2，占总面积的9.7%；灰岩土石山区面积360 km2，占总面积的7.6%；变质岩森林山地面积212 km2，占总面积的4.5%；变质岩灌丛山地面积114 km2，占总面积的2.4%；砂页岩森林山地面积50 km2，占总面积的1.1%。该段河道坡度小，汛期洪水宣泄不畅，是全河防洪的重点河段。