寧夏好水川流域地表徑流預(yù)測(cè)研究

李 娟，張維江

(1．寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川750021;2．寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川750021;3．旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，寧夏銀川750021)

黃土高原氣候干旱，降水少，水土流失嚴(yán)重，造成泥沙淤積河道、土地退化、生態(tài)破壞等問題。依據(jù)干旱地區(qū)及黃土高原地區(qū)“沙隨水來，沙隨水去”的水文泥沙特點(diǎn)，水土流失同降水及徑流的關(guān)系極為密切，因此對(duì)地表徑流的分析及預(yù)報(bào)對(duì)水土流失防治具有重要的意義。

好水川流域位于寧夏隆德縣境內(nèi)，流域內(nèi)的六盤山林區(qū)是涇河、清水河與葫蘆河的發(fā)源地，是黃土高原地區(qū)保護(hù)水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)徑流和氣候的“高原綠島”，具有黃土高原少見的高寒陰濕氣候，是黃土高原氣候變化最敏感和強(qiáng)烈的區(qū)域，也是維護(hù)西北地區(qū)生態(tài)安全的天然綠色屏障。

好水川流域是寧夏降水相對(duì)豐沛的地區(qū)，當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)、生產(chǎn)及群眾生活多依賴于降水形成的地表水資源。由于區(qū)內(nèi)黃土層深厚，阻隔了降水入滲補(bǔ)給地下水的通道，因此除部分基巖裂隙水及工程滲漏形成的地下水外，當(dāng)?shù)厮Y源以地表水資源為主。對(duì)降水形成的地表徑流進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，是進(jìn)行流域水資源配置、調(diào)控、高效利用及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是進(jìn)行區(qū)域水土保持規(guī)劃及管理的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

好水川流域位于六盤山西側(cè)的寧夏隆德縣境內(nèi)，是渭河支流葫蘆河的一級(jí)支流，流域面積102 km2，地處北緯35°37'20″—35°41'40″、東經(jīng)105°56'20″—106°12'18″之間，海拔1 857—2 930 m，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，涉及隆德縣的好水、楊河2 個(gè)鄉(xiāng)10 個(gè)行政村38 個(gè)自然村，總?cè)丝?.72 萬人。

流域多年平均氣溫5.0 ℃，多年平均水面蒸發(fā)量850 mm(E601)，東部高寒陰濕，為半濕潤型氣候，西部溫和干燥，為半干旱氣候;年均降水量513 mm，有約70%的降水集中在汛期的6—9月，是流域水資源的主要來源。降水量由東向西遞減，暴雨發(fā)生頻次也降低，中小雨發(fā)生頻次增加。

從地貌上看，流域主要可分為土石山區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)及河谷川道區(qū)3 個(gè)類型區(qū)，分別占流域面積的33.3%、30.4%及36.3%。其中，土石山區(qū)主要分布在流域東部的六盤山一帶，海拔較高，土層厚度0.5 m 至數(shù)十米，地形坡度在25°左右，山坡陡峭處可達(dá)50°;黃土丘陵溝壑區(qū)地形坡度多在15°～20°;河谷川道區(qū)(又稱河谷平原區(qū))分布在流域溝道兩岸的低階地上，坡度多在5°左右。

流域內(nèi)現(xiàn)有小(一)型水庫1 座、骨干工程11 座、中型淤地壩15 座、小型淤地壩16 座，總庫容1 190 萬m3，淤積庫容389.9 萬m3。流域土地利用主要類型有梯田、沖溝、坡地、林地、荒山造林地、退耕還林還草地、居民地、溝臺(tái)地、水地、旱地及草地。流域內(nèi)山地、丘陵、河谷和川地等交錯(cuò)分布，由于坡地比例較高且土壤抗蝕性較差，所以水土流失嚴(yán)重。

2 地表徑流預(yù)報(bào)模型的選擇及參數(shù)的確定

2.1 模型的選擇

目前較為常用的地表徑流預(yù)報(bào)模型有垂向混合產(chǎn)流模型［1］、多元線性回歸模型、降雨徑流相關(guān)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模型［3］，這些模型多為數(shù)學(xué)模型與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)合，均需有大量的典型流域徑流及泥沙觀測(cè)資料作為基本資料，直接應(yīng)用于資料缺乏地區(qū)的徑流模擬較為困難。好水川流域水文觀測(cè)資料極其缺乏，因此選擇對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)要求相對(duì)較低、適用于該流域的SCS 模型(徑流曲線數(shù)值法)進(jìn)行流域徑流預(yù)測(cè)。

SCS 模型是美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局(Soil Conservation Service)研制的用于估算無資料地區(qū)徑流量及洪峰流量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它是在基于集水區(qū)的實(shí)際入滲量與實(shí)際徑流量之比等于集水區(qū)該場(chǎng)降水前的潛在入滲量與潛在徑流量之比的假定基礎(chǔ)上建立的。最早的模型未考慮降水初損，后經(jīng)改進(jìn)形成如下模型:

式中:Q 為徑流量，mm;P 為降水量，mm;S 為潛在的最大降水損失量，是F(降水潛在損失量)的上限，mm。

在式(1)徑流計(jì)算模型中，S 的變化幅度很大，不便于取值，因此預(yù)測(cè)中引用了一個(gè)無因次參數(shù)即曲線數(shù)值CN。CN 是一個(gè)反映降水前流域特征的綜合參數(shù)，其取值范圍為0～100，它與S 的關(guān)系為

該模型在許多國家的中小流域及城市水文預(yù)報(bào)中得到了廣泛應(yīng)用，具有簡(jiǎn)單易行、所需參數(shù)較少、對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)要求不很嚴(yán)格的特點(diǎn)，且模型考慮了流域下墊面條件如土壤、坡度、植被、土地利用情況等對(duì)徑流的影響，將其列入水文模型的定量計(jì)算之中，并對(duì)某些細(xì)節(jié)問題進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。SCS 模型在我國干旱半干旱地區(qū)及黃土高原典型流域應(yīng)用較廣且效果較好。張秀英等［4］2003年利用SCS 模型對(duì)定西安家溝小流域徑流量進(jìn)行了估算，探討了區(qū)域CN 的取值問題;王白陸等［5］2005年對(duì)SCS 模型進(jìn)行了改進(jìn)，界定了部分參數(shù)的取值范圍;彭定志等［6］2006年利用改進(jìn)的SCS 模型對(duì)漢江牧馬河等8 個(gè)流域進(jìn)行了長系列的水文模擬，結(jié)果是較大徑流系數(shù)的流域模擬效果較好，較小徑流系數(shù)流域的模擬效果不夠理想。以上SCS 模型的應(yīng)用，以考慮下墊面條件及CN 參數(shù)取值為主，對(duì)氣候變化的影響考慮較少。

2.2 參數(shù)的確定

在SCS 模型應(yīng)用中，CN 值的選擇對(duì)模型模擬及計(jì)算精度具有至關(guān)重要的作用。CN 值又稱曲線數(shù)值，它是反映降水前流域特征的一個(gè)綜合參數(shù)，其主要影響因素有土壤前期濕度、土壤類型、覆蓋類型、管理狀況和水文條件，坡度也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響。實(shí)際應(yīng)用中CN 取值范圍為30～100。

據(jù)2010—2011年好水川流域土壤水分觀測(cè)資料，淺層(0—30 cm)土壤含水量變化劇烈，深層(60—90 cm)土壤含水量變化幅度相對(duì)較小;隨著土層深度的增加，土壤含水量的穩(wěn)定性增強(qiáng)，受外界影響程度降低。流域4—10月份平均土壤含水量為13%～18%，土壤水分含量相對(duì)不高，但并未達(dá)到植物凋萎點(diǎn)，屬于土壤前期濕度AMCⅠ級(jí)。同時(shí)，好水川流域坡度多在10°～25°，土壤前期濕度一般，流域分布有梯田、退耕還林還草地、荒山造林地等具有減水效益的土地，管理狀況和水文條件一般，因此取CN 值為82。

3 好水川流域地表徑流預(yù)報(bào)模型的建立、修正及驗(yàn)證

3.1 流域地表徑流預(yù)報(bào)模型的建立

根據(jù)流域現(xiàn)狀下墊面條件確定CN 值，利用隆德縣1961—2010年逐日降水資料建立的徑流深與汛期降水量之間的相關(guān)模型如式(3):

式中:y 為地表徑流深，mm;x 為汛期降水量，mm。

模型復(fù)相關(guān)系數(shù)R 僅為0.5，精度較低，直接用于地表徑流的模擬及預(yù)報(bào)誤差過大，因此需要對(duì)模型進(jìn)行修正。

3.2 流域地表徑流預(yù)報(bào)模型的修正

對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)即使是相同或相差較小的汛期降水量，所對(duì)應(yīng)的地表徑流深差異也較大。對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)在相同汛期降水總量條件下，次降水量分布的不同對(duì)地表徑流量產(chǎn)生了較大的影響。因此，考慮日降水量分布特性，對(duì)流域地表徑流預(yù)報(bào)模型進(jìn)行修正改進(jìn)。

對(duì)好水川流域1961—2010年逐日降水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)降水趨于分散、大于40 mm 的日降水量發(fā)生次數(shù)呈降低趨勢(shì)。結(jié)合流域?qū)嶋H情況，依照10—20、20—30、30—40、40—70、＞70 mm 5 個(gè)等級(jí)日降水量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)流域逐日降水量進(jìn)行分級(jí)。統(tǒng)計(jì)每年汛期不同降水的發(fā)生次數(shù)，分別用a、b、c、d、e 表示1—5 級(jí)降水發(fā)生的次數(shù)，用x 表示汛期降水量，用y 表示年徑流深，用SPSS 軟件分析年徑流深與不同等級(jí)降水發(fā)生次數(shù)及汛期降水量之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見表1。

表1 好水川流域降水相關(guān)分析結(jié)果

由表1 知，在0.05 水平上，10—20 及20—30 mm 降水發(fā)生的次數(shù)與年徑流深具有顯著的相關(guān)關(guān)系;在0.01 水平上，30—40、40—70 及＞70 mm 降水的發(fā)生次數(shù)及汛期降水量同年徑流深具有顯著的相關(guān)關(guān)系。

對(duì)年徑流深、汛期降水量及不同等級(jí)降水發(fā)生的次數(shù)進(jìn)行回歸分析，建立線性回歸模型如式(4):

對(duì)修正前后的地表徑流預(yù)報(bào)模型進(jìn)行對(duì)比分析，修正后的預(yù)報(bào)模型考慮了不同等級(jí)降水的發(fā)生頻次，解決了由汛期降水量直接預(yù)報(bào)地表徑流量誤差較大的問題，模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.893，提高了模型的預(yù)報(bào)精度。

3.3 流域地表徑流預(yù)報(bào)模型的驗(yàn)證

好水川流域內(nèi)無徑流觀測(cè)站，因此選擇張銀水庫、后海子骨干工程、下老莊骨干工程、上岔骨干工程及岔口骨干工程蓄水情況進(jìn)行模型驗(yàn)證。

結(jié)合降水空間分布特征確定各工程汛期降水量、預(yù)報(bào)其徑流深，結(jié)果見表2。

據(jù)統(tǒng)計(jì):黃土高原淤地壩中蓄水量的15%～20%均消耗于水面蒸發(fā);地質(zhì)條件較好的工程，蓄水滲漏量約占總蓄水量的15%，地質(zhì)條件較差的工程，蓄水滲漏量會(huì)達(dá)到25%;無效水面蒸發(fā)與深層滲漏損失量將會(huì)占總蓄水量的30%～40%。

根據(jù)好水川流域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，庫區(qū)地質(zhì)條件相對(duì)較差，巖層相對(duì)松散，易滲透。同時(shí)，通過已有的水面蒸發(fā)觀測(cè)結(jié)果估算流域水面蒸發(fā)量，流域水面蒸發(fā)量及深層滲漏量占總蓄水量的30%。依據(jù)水庫及骨干工程水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮水面蒸發(fā)、深層滲漏、提用水量后對(duì)降水產(chǎn)生的徑流總量進(jìn)行還原，與預(yù)報(bào)徑流量進(jìn)行模型的驗(yàn)證，結(jié)果見表3。

表2 2010—2011年好水川流域徑流深預(yù)測(cè)結(jié)果

表3 好水川流域徑流預(yù)報(bào)模型驗(yàn)證誤差統(tǒng)計(jì)

采用2010—2011年水庫及骨干工程蓄水情況對(duì)徑流預(yù)報(bào)模型進(jìn)行驗(yàn)證，最小相對(duì)誤差為6.9%，最大相對(duì)誤差為12.1%，平均相對(duì)誤差為8.68%，相對(duì)誤差較小，因此該模型應(yīng)用于好水川流域徑流預(yù)測(cè)是可行的。

4 好水川流域地表徑流預(yù)測(cè)

假定未來幾年不發(fā)生較大的氣候變化，結(jié)合汛期降水量預(yù)測(cè)結(jié)果［7］，對(duì)好水川流域不同水平年(豐、平、枯)及不同規(guī)劃年(近期規(guī)劃2015年、遠(yuǎn)期規(guī)劃2020年)進(jìn)行地表徑流量預(yù)測(cè)，豐、平、枯年份的地表徑流深分別為54、25、19 mm，規(guī)劃的2015、2020年地表徑流深分別為44、65 mm。

5 結(jié) 語

本研究在降水時(shí)空預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，分析不同等級(jí)降水發(fā)生頻次，結(jié)合SCS 模型建立了好水川流域地表徑流預(yù)報(bào)模型，預(yù)測(cè)該流域豐、平、枯年份的地表徑流深分別為54、25、19 mm，規(guī)劃的2015、2020年地表徑流深分別為44、65 mm，該數(shù)據(jù)可作為流域水資源管理及水土保持規(guī)劃參考的重要依據(jù)。

［1］包為民，王從良．垂向混合產(chǎn)流模型及應(yīng)用［J］.水文，1997(3):18－21.

［2］丁永建，葉柏生．祁連山流域徑流影響因子分析［J］．地理學(xué)報(bào)，1999(5):431－436.

［3］龐博，郭生練，熊立華，等．改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水文預(yù)報(bào)模型及應(yīng)用［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2007(1):33－37.

［4］張秀英，孟飛．SCS 模型在干旱半干旱區(qū)小流域徑流估算中的應(yīng)用［J］.水土保持研究，2003(4):172－175.

［5］王白陸．SCS 產(chǎn)流模型的改進(jìn)［J］．人民黃河，2005，27(5):24－26.

［6］彭定志，游進(jìn)軍．改進(jìn)的SCS 模型在流域徑流模擬中的應(yīng)用［J］．水資源與水工程學(xué)報(bào)，2006(1):21－26.

［7］李娟，張維江，唐蓮．寧南山區(qū)汛期降水量預(yù)報(bào)研究［C］//第三屆中國能源科學(xué)家論壇論文集．北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011:1510－1514.