天山北坡恰塔斯流域产汇流模型建立浅析

王槐军

（伊犁水文勘测局,新疆 伊宁 835000）

0 前言

降雨径流过程预报是降雨径流预报的组成部分,即已知流域产流后计算流域出口断面的流量过程[1]。流域产汇流过程在不同的汇流阶段,具有不同的特性[2]。单位线法是将流域作为整体,认为单位线不变化,也就是将流域产汇流看做一个不变的系统,是一个“黑箱子”,流域产汇流只是由输入求出输出,中间过程由“黑箱”操作,而流域的单位线可以由水文测站实测的输出和输入资料通过反演得到,选取单位线法进行流域产汇流计算,从而建立流域产汇流模型[3-5]。本文选取恰塔斯流域恰塔斯水文站实测资料进行分析研究,以供广大水文同仁们参考使用。

1 流域的选取

单位线法在流域面积较小的流域进行汇流计算时,非线性影响较小,单位线常保持单一,而且小面积上降雨比较均匀,现水文测站大多都建立在出山口处,气象辅助观测设施也建立在出山口处,在小流域上,其点降水观测数据大体上能够代表整个流域的降水情况。本次选定使用恰塔斯水文站的相关资料,以恰塔斯河作为本次产汇流分析研究的对象。

2 流域概况

恰塔斯河北依天山支脉科古琴山,受地质构造影响,研究区涉及流域沉积了巨厚的第四纪松散的沉积物,主要岩性为黄土状粉土或粉质粘土、砂砾、砾卵石层。恰塔斯河流域,2800 m 以上的高山,土壤为高山草甸土,植被主要是矮生垫状蒿草苔草；海拔1500 m～2800 m 的中山深林带,土壤为亚高山草甸土,并分布着一些深林,海拔1500 m 以下为低山丘陵带,土壤为栗钙土、黄土、灰钙土,植被较差。

在出山口处建有恰塔斯水文站,为国家基本站、天山南坡区域小河代表站,于1956 年9 月设立,1971 年10 月下迁5 km 观测至今。测站控制断面以上集水面积291 km2,河长43 km,观测项目包括水位、流量、降水量、蒸发量、悬移质泥沙、水温、气温、水质等资料。上游现无水利工程。

恰塔斯河水源补给为地下水、冰川融雪水和降雨,年最大洪水为混合型,洪水历时较长,同时在出现暴雨时也易产生暴雨型洪水,流域内洪水类型主要有融雪型洪水、暴雨型洪水和融雪与暴雨混合型洪水三种洪水类型,本次主要是对暴雨型洪水进行研究分析,恰塔斯河流向由北向南,地形坡度大,河槽切割较深,利于汇流,为暴雨洪水的形成提供了有利的条件。

3 单位线法原理

单位线法最早是由谢尔曼提出的,定义是流域上分布均匀的单位直接径流净雨所形成的径流过程线,单位是指单位时段内单位净雨深,时段可任意取,如：1 h,2 h,3 h,……,单位净雨深在我国常取10 mm。

实际发生的净雨,常常不是一个时段,也不是一个单位,实际应用时,有以下假定：

（1）倍比假定,如果单位时段内的净雨深是n个单位,它所形成的出流过程线,总历时与单位线相同,流量则为单位线的n倍。

（2）叠加假定,如果净雨历时是m个时段,则各净雨所形成的出流过程之间互不干扰,出流断面的流量过程,等于m个出流过程之和。

出流Qd,单位线纵坐标q和直接净雨rd间的关系为：

式中：t为计算时刻；i为净雨时段数,从1 到m；rd为计算时取单位净雨深（10 mm）的倍数；Qd为直接径流流量,m3/s。

单位线可由实测资料分析,由实测径流Qd过程和直接径流时段净雨rd,反推逐个求得q值。具体公式如下：

其中j=1 时

由以上公式,根据实测资料,逐个进行计算,直至求出qn,这样就可以得到一组q的值,即单位线的计算值。

计算前首先要求得Qd和rd过程,Qd～t由分割地下水的方法求得,rd可由流域内实测降雨径流资料确定的稳定下渗率值计算求得。

4 单位线法推求

恰塔斯河暴雨洪水多集中发生在7 月～8 月,洪水过程特征一般是独立的峰形,无明显日变化,过程尖瘦或陡涨缓落,涨水历时短,一般在0.5 h～1.5 h 左右,涨率大,洪峰流量大,落水历时较长,洪量小,是北山区各河流比较主要的洪水类型之一。为避免前期降水对径流过程的影响,在选取典型暴雨洪水过程时,挑选前期久旱无雨,形成洪水过程线是单峰,且径流过程包含全降水过程,并由降雨主导形成的洪水过程作为典型径流过程用来推算单位线。最终选取流域2016 年7 月15 日发生的暴雨洪水作为典型洪水,洪峰流量为144 m3/s,洪水历时约2 h。根据实测资料,本次径流过程包含2 个降雨时段,计算其净雨rd1、rd2分别为7.4 mm、2.4 mm,Δt选取1 h。由于实际降雨,流量资料是有误差的,计算rd和分割水源中也会带入误差,误差的累计和传递会使计算得出的单位线出现锯齿状的波动,当误差累积到一定量时,还会出现负值,所以要对计算后的单位线进行合理性修正,具体计算过程见表1。

5 讨论

单位线法要求净雨在面上均匀分布,这也是本次研究分析选取流域面积较小的原因,而净雨的分布情况与净雨的分布、净雨中心的位置、暴雨中心的走向等有关,还需进一步验证、解决。在现阶段的分析中存在以下问题：

（1）单位线法对实测资料净雨rd计算精度要求较高,目前缺乏前期对净雨的研究和试验。

（2）在典型洪水过程的选择上,水文测站的辅助气象观测资料代表性较低,许多排位较前的大洪水多是由山区的降水形成的,而水文测站出山口处的降水实测资料过程与洪水过程不一致,甚至无降水资料。

（3）目前,仅用水文测站的观测资料,无法满足研究分析的需求,还需其他流域内的观测或实验数据（如：雨强、土壤下渗强度、田间持水量、地下水等）的支撑,以用来分析计算,或多方法验证求解。

6 结论

单位线是综合了影响流域汇流的多种因素,由于是“黑箱”操作,对于形成汇流的过程不做具体研究,完全是由输入、输出资料计算获得。而单位线本身是由实测资料反推出来的,其形成规律完全符合研究流域汇流的特性,这也是单位线法主要的优点和使用效果较好的原因。若各次洪水推得的单位线变化不大,取平均后可用于预报。随着后期资料的不断完善,样本容量的增加,对单位线不断地进行验证,就能得出更加准确、符合流域特性的单位线。