雙超模型在小流域洪水預報中的應用

□□（華北水利水電大學）

雙超模型在小流域洪水預報中的應用

□邱 林□薛 飛（華北水利水電大學）

在半干旱半濕潤地區(qū)，其降雨徑流的形成過程十分復雜，既有蓄滿產流，又有超滲產流。為了適應這種復雜的降雨徑流的形成機制，建立適用于超滲產生地表徑流和超蓄產生壤中流的“雙超”產匯流模型，并將其應用于山西省古縣小流域洪水模擬預報。計算結果表明，該模型模擬預報的洪水過程與實測洪水過程基本吻合。

降雨徑流；產流；匯流；洪水預報

0 引言

中國北方大多屬于半干旱半濕潤地區(qū)，降雨的時空分布很不均勻，干旱季節(jié)降雨很少，土壤處于缺水狀態(tài)，其產匯流與濕潤地區(qū)產匯流特征區(qū)別明顯。新安江模型通常以蓄滿產流為基礎，適用于濕潤地區(qū)；陜北模型以超滲產流為基礎，其適用于干旱地區(qū)。對半干旱半濕潤的地區(qū)，既有蓄滿產流，又有超滲產流，單獨使用新安江模型或陜北模型，難以取得理想的效果。

介于濕潤與干旱之間的半干旱半濕潤地區(qū)的產流方式，從理論上講，應該是超滲超持的，當降雨強度超過下滲能力后產生地面徑流，即超滲產生地面徑流；當流域中的土壤蓄水量超過田間持水量時產生壤中流，即超持產生壤中流和地下徑流。因而，該類地區(qū)的產流機制與規(guī)律，需要使用具有雙超結構的產流模型進行模擬。文章在對雙超模型研究的基礎上，以山西省古縣小流域為例，運用雙超模型進行了洪水模擬應用研究。

1 雙超模型結構

1.1 雙超模型的原理及結構

雙超模型是一個分布式水文模型，這種模型全面考慮降雨和下墊面時間和空間分布的不均勻性，利用雙超模型降雨和下墊面要素的空間變化能夠對洪水形成做出充分的反映。另外，模型對蒸散發(fā)、土壤水分、徑流深等空間不均性要素進行輸出。

雙超模型的主要思路是：先將流域劃分成若干個大小不一的網格，在每個網格中分別輸入不同的降雨資料，通過各網格內下墊面要素及高程，利用不同的參數(shù)分別對每個網格進行產流計算；通過網格高程的不同，確定各網格的流向，根據(jù)各網格的坡度、糙率和土壤等因素的不同確定參數(shù)，將其徑流演算成流域出口斷面的徑流過程。其中雙超模型的參數(shù)由地形、地貌等數(shù)據(jù)以及結合實測的歷史洪水資料率定得到的。

雙超產流模型認為：當降雨強度大于入滲能力后的降水就會形成地表徑流，是徑流的一部分而不是全部，如果滲入包氣帶或影響層內的降水達到田間持水量后，就會產生壤中流和地下徑流，產生的壤中流和地下徑流是在重力水的影響下沿分層介質流動的。這就是“雙超模型”的產流機制，即超滲產生地表徑流，超持產生壤中流和地下徑流。

由于流域內各點的入滲能力和土壤機制不同，所以將下滲曲線與下滲能力的流域分配曲線結合進行歸一化分配，應用納什單位線進行匯流計算，這就是運用“雙超模型”進行產匯流計算的方法。

1.2 產流模型

1.2.1 雙超模型入滲公式（Richards方程新解）

式中：f為入滲率曲線函數(shù)；Sr為充分風干土壤吸收率；Ks為土壤最大導水率滲前土壤充水度；θ為土壤濕度；n為0土壤孔隙率；c為土壤孔徑級配參數(shù),值域一般為3～6；F為累計入滲曲線函數(shù)；t為時間。

1.2.2 雙超模型入滲能力歸一化分配曲線

在同一坐標系中把各點的入滲能力繪出，這肯定是一組雜亂無章、無規(guī)律的曲線簇。當流域的充水度為曲線簇一定存在著一個最大的入滲率連接起來，這就形成了下滲歷時曲線其稱為虛構點的下滲能力曲線，記為fm這對于一個固定的流域而言，所形成的曲線應該是唯一的。

式中：B分配級數(shù)，α0-臨界雨強。

匯流時地表徑流采用單位線法，壤中流采用線性水庫法。

2 應用實例

2.1 古縣小流域概況

古縣小流域屬大陸性季風氣候，氣溫四季分明，春季的時候干旱并且多風，氣溫回升的比較快，夏季高溫伴隨著多雨，秋季涼爽而且濕潤，冬季干燥寒冷。古縣小流域境內年平均氣溫12℃左右。最冷的時候出現(xiàn)在1月份，月平均氣溫-3.60℃，最熱的時候出現(xiàn)在7月份，月平均氣溫25℃。在古縣小流域境內測得最高氣溫為39℃，測得最低氣溫為-23.40℃。古縣小流域降水分布東北多，西南少，年平均水量558.50 mm，降雨的時間分布和空間分布極不均衡，60%的降水集中在7、8、9三個月內，這是典型的半干旱半濕潤地區(qū)。

2.2 古縣小流域資料情況

東莊水文站是古縣流域其中一個水文站，其包括7個基本雨量站，這7個基本雨量站分布位置合理分布在東莊水文站上游的東北、東南及正東的方向。根據(jù)現(xiàn)有的降雨資料，選取具有代表性的1981，1985，1989，1996，1999，2003，2008年7a的雨情資料。

2.3 古縣小流域洪水模擬

通過雙超模型對這7場洪水進行模擬，通過模擬結果可以看出，模型模擬歷史洪水的場次評定結果比較合理，可以將這種模型用于同類地區(qū)的洪水預報以及徑流的模擬計算，如表1。

表1 雙超模型模擬歷史洪水場次評定成果表

表1模擬了歷史上的7場洪水，其中包括枯水年，平水年，豐水年，計算的數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的誤差在允許的范圍之內，模擬結果符合實際的要求，所以可以應用于該地區(qū)的洪水預報。

圖1和圖2分別對19770626號洪水，19710628號洪水進行模擬，圖1表示19770626號洪水，是由3次短歷時降雨場次造成的，前兩次的降雨主要用于補充流域的下墊面的缺水量，并沒有形成明顯的徑流，第三次的降雨比較大，在這之前流域的降雨量已經滿足下墊面的需水量，所以形成壤中流和地下徑流，并且形成了地表徑流。圖2表示的是19710628號洪水，兩個長歷時的降雨過程形成了19710628號洪水，這場降雨強度比較小，在這種長歷時降雨的作用下一直填充下墊面的需水量徑流成分當中幾乎沒有地表徑流，當降雨量達到了流域下墊面的田間持水量之后，開始產生地表徑流和壤中流，一開始是不存在壤中流的。雙超模型模擬出的徑流成分中，地表徑流和壤中流的比例也大致和以上分析相吻合，這說明對不同類型的降雨，雙超模型在該類地區(qū)具有適應性。

圖119770626 號洪水模擬結果圖

圖219710628 號洪水模擬結果圖

通過對古縣小流域的洪水模擬，雙超模型模擬的地表徑流和壤中流的比例也大致和以上分析相吻合，這說明雙超模型在該類地區(qū)對不同類型的降雨同樣適用。通過對圖1、圖2兩場洪水進行模擬可以知道，模擬結構符合要求，誤差在允許范圍之內，其參數(shù)符合要求而且彈性較大。通過分析可知“雙超模型”在半干濕地區(qū)是適用的。

3 結語

通過運用雙超模型模擬計算古縣流域洪水，對比分析實測洪水與模擬洪水，發(fā)現(xiàn)模擬計算精度較高，計算結果比較理想。

文章的工作表明，在半干旱半濕潤地區(qū)運用雙超模型進行流域洪水模擬預報是可行的。鑒于半干旱半濕潤地區(qū)的小流域內，降水在時空分布上隨機性大，流域下墊面狀況在空間分布上變化劇烈，洪水具有暴漲暴落的特點，為提高洪水預報的精度，建議在有條件的情況下適當加密雨量觀測站網。

（編輯：符蕾）

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2016-11-10