基于多水源TVGM模型的下墊面變化對流域洪水的影響

馬曉明

(遼寧石佛寺供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 研究區(qū)概況

細河是大凌河下游左側最大支流。源出阜新蒙古族自治縣他本扎蘭鄉(xiāng)東北東駱駝山，流經(jīng)阜新市區(qū)，阜新蒙古族自治縣，在義縣復興堡附近匯入大凌河，全長113km，流域面積2932km2[1]。細河流域地處東經(jīng)121°32′至東經(jīng)121°53′，北緯41°42′至北緯41°54′之間，屬溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候，春季回溫較慢，降水較少，夏季溫度高，降水集中，常發(fā)短時暴雨、冰雹、洪水等災害性天氣，秋季涼爽，降溫快，冬季漫長寒冷，多降雪。研究區(qū)的年最高氣溫38.1℃，最低氣溫-45.2℃，年平均氣溫5.2℃，年均降水量為413.2mm。

細河流域地處降水量較少的遼西地區(qū)，受氣候條件和長期以來人類活動雙重影響，域內植被稀疏、氣候干燥，水土流失較為嚴重[2]。由于研究區(qū)內夏季多短時強降雨過程，加強流域洪水預報對合理利用水資源、提高地質災害的應對能力具有重要意義。根據(jù)相關研究成果，影響流域洪水徑流特性的下墊面要素主要是地形、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類活動影響較大[3]。隨著近年來國家和地方政府在環(huán)保領域投資力度的不斷加大，細河流域的植被覆蓋狀況得到顯著改善，工程措施、生物措施以及耕作措施等水土保持措施的大面積推廣也成為影響該地區(qū)下墊面特征的重要因素。

2 多水源TVGM模型的原理

2.1 模型的產流原理

由于影響因素的復雜性，降雨-徑流水文響應是極其復雜的[4]。TVGM模型產流理論是基于上述關系提出的一種時變增益的非線性產流關系[5]。夏軍教授在20世紀末期參加“國際河川徑流預報”研討班過程中，通過對全球40多個流域的實測水文資料的分析，開展了水文系統(tǒng)理論方面的研究，并發(fā)現(xiàn)了一種時變增益水文系統(tǒng)關系[6]。多水源TVGM模型在傳統(tǒng)TVGM模型的基礎上增加了地下徑流模塊以及地下產流參數(shù)，不僅可以描述地下徑流和降雨量以及土壤濕度之間的相關關系，又能保持模型本身參數(shù)少、結構簡單的優(yōu)勢，模型的總產流公式如下：

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

(1)

式中，R(t)—總產流量；Gs(t)—地表產流量時變增益因子；Gg(t)—地下產流量時變增益因子；P(t)—降雨量；API(t)—土壤濕度；g1、g2—地表產流參數(shù)；g3—地下產流參數(shù)。

2.2 匯流模型

多水源TVGM模型的地表匯流采用流域分散入流非線性匯流模型[7]，其非線性系統(tǒng)方程如下：

(2)

式中，Qs(t)—地面出流；Rs(t-w)—地面凈雨強度；u(Rs(t-w)，w)dw—變動瞬時單位線，是凈雨強度和時間的函數(shù)。

由于地下水面比降比較平緩，模型的地下匯流過程采用線性水庫地下匯流計算公式[8]：

Qg，2=Rg，2(1-kkg)+Qg，1kkg

(3)

式中，Qg，1—時段初地下徑流出流量；Qg，2—時段末地下徑流出流量；Rg，2—時段內地下產流量；kkg—地下匯流參數(shù)。

3 產匯流參數(shù)率定和驗證

將上節(jié)中的多水源TVGM模型應用于細河流域，分別運用歷史上的洪水過程進行模型的參數(shù)率定和驗證，以確定模型在細河流域洪水特征研究中的適用性，為下一步的下墊面變化對流域洪水的影響研究提供必要的研究工具。

為保證參數(shù)率定的準確性和適用性，研究中選取細河流域下墊面發(fā)生變化之前的8場洪水。其中將5場洪水用于參數(shù)率定，其余3場洪水用于模型驗證。模型參數(shù)率定結果見表1，模型驗證結果見表2，模型驗證期模擬效果如圖1—2所示。

表1 模型參數(shù)的率定結果

圖1 19730625洪水模擬效果

圖2 19730801洪水模擬效果

由表2和圖1可知，多水源TVGM模型在細河流域具有較好的洪水模擬效果，無論是洪峰流量的誤差、洪量誤差還是峰現(xiàn)時間的誤差都不大。其中洪峰流量的誤差大多都在10%以內，誤差的最小值為3.25%，最大值為16.95%；洪峰流量的誤差最小值為5.08%，最大值為28.00%；從峰現(xiàn)時間而言，僅有3個場次的洪水出現(xiàn)了1h以上的誤差，其余場次的洪水模擬效果良好。從Nash系數(shù)來看，模擬結果基本在0.8以上，僅有3場洪水的數(shù)值較小，其主要原因是峰現(xiàn)時間模擬出現(xiàn)誤差所致，但是這3場洪水的洪峰流量與洪量的模擬誤差不大?？傊?，對細河流域而言，多水源TVGM模型具有較好的率定和模擬效果，可以用于后續(xù)研究中對細河流域的洪水模擬，并用于細河流域的產流和匯流參數(shù)變化以及產匯流變化對本流域洪水的影響。

表2 細河流域洪水模擬結果

4 下墊面變化對細河流域洪水規(guī)律影響的模擬分析

前文提到，得益于國家對流域水土保持工作的重視，細河流域近年來不斷加大相關領域的政策和財政投入，流域內的植被覆蓋率得到了大幅提升。顯然，水土保持工作中的工程措施、生物措施以及耕作措施的應用必然對細河流域的下墊面特征產生重要影響。因此，本節(jié)試圖利用多水源TVGM模型對下墊面變化前后的洪水過程進行模擬分析，進而獲得下墊面特征變化對流域洪水規(guī)律的影響。根據(jù)上文方法首先對細河流域下墊面變化后的產匯流參數(shù)進行模擬率定，結果見表3。

表3 下墊面變化后的模型參數(shù)率定結果

選擇細河流域具有暴雨和洪水之間存在良好對應關系的18場洪水進行模擬計算。為了獲得更為精準的模擬結果，將上述洪水按照大于10年一遇的洪水為大水、5年至10年一遇的洪水為中水，小于5年一遇的洪水為小水進行洪水的量級劃分。選定的18場洪水中有大水4場、中水4場、小水10場。利用多水源TVGM模型對上述不同量級的洪水對流域下墊面發(fā)生變化前后的洪水進行模擬，得到變異前后的模擬結果，兩者之間的差異就是下墊面變化對細河流域洪水的影響響度。模擬結果見表4。由表4數(shù)據(jù)可以看出，下墊面變化之后的洪峰流量和洪量均有明顯減小。其中，大水情況下的洪峰平均衰減率為21.86%，洪量的平均衰減率為10.88%；中水情況下的洪峰平均衰減率為26.43%，洪量的平均衰減率為24.28%；小水情況下的洪峰平均衰減率為38.64%，洪量的平均衰減率為15.57%。可見，洪峰流量和洪量均隨著洪水量級的增大而減小，同時洪量的衰減率小于洪峰流量的衰減率。

表4 細河流域下墊面變化洪水模擬結果

圖3—8是不同洪水量級下，部分場次洪水在下墊面變化前后的洪水過程模擬結果。由圖可知，細河流域下墊面的變化能夠對不同級別的洪水產生明顯的消峰和坦化作用，但是不同級別的洪水條件下，表現(xiàn)的作用也有細微差別。其中，下墊面變化對大中型洪水主要起到消峰作用，對洪水過程線并無顯著的影響；對小型洪水而言，下墊面的變化主要影響洪水過程線，坦化作用明顯，對洪量減少方面作用比較有限。

圖3 19800704洪水過程模擬結果

圖4 19830721洪水過程模擬結果

圖5 19780624洪水過程模擬結果

圖6 19920809洪水過程模擬結果

圖7 19790716洪水過程模擬結果

圖8 20100803洪水過程模擬結果

5 結語

本文以遼西地區(qū)大凌河的支流細河為研究對象，分析了流域下墊面變化對洪水過程的影響，并得到如下結論。

(1)近年來細河流域的植被覆蓋狀況得到顯著改善，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積推廣也成為影響該地區(qū)下墊面特征的重要因素。

(2)通過產匯流參數(shù)的率定和驗證，說明多水源TVGM模型在細河流域具有較好的適用性，可以用于下墊面變化對洪水影響的研究。

(3)利用多水源TVGM模型對細河流域不同量級洪水下墊面變化前后的洪水特征進行模擬，結果顯示下墊面條件的變化可以消減洪峰流量和洪量，且洪水級別越低衰減作用越大；對級別高的洪水主要表現(xiàn)為消峰作用，對級別低的洪水主要表現(xiàn)為坦化作用。