陸玉忠，陸寶宏，陸桂華

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098;2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038)

在高緯度地區(qū)或高山帶，降雪、積雪及冰雪凍融過程是流域水文的重要特征.由于冰雪的介入，流域水文過程同時(shí)受水量平衡和熱量平衡的控制，熱量或溫度成為必須考慮的水文因素[1-2].SRM(snowmelt-runoff model)[3-7]是專門用于模擬和預(yù)報(bào)山區(qū)流域融雪徑流的水文模型.該模型采用相對(duì)簡單的度?時(shí)系數(shù)法計(jì)算融雪徑流;模型參數(shù)取決于流域地理、氣候和水文特征，因而適用于氣候變換條件下的徑流預(yù)報(bào)，是一類確定性、概念性、分布式和基于物理原理的水文模型[8-11].由于遙感積雪監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，解決了SRM積雪覆蓋的輸入問題[12].

丹麥水力研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)研發(fā)的Mike11洪水預(yù)報(bào)系列模型中，降雨徑流模型(NAM)是一個(gè)集總式的確定性概念模型，主要用來模擬降雨產(chǎn)流和匯流.它將土壤含水量分成積雪儲(chǔ)水層(snow storage)、地表儲(chǔ)水層(surface storage)、淺層或根區(qū)儲(chǔ)水層(lower zone storage)和地下水儲(chǔ)水層(ground water storage)3個(gè)部分，分別進(jìn)行連續(xù)計(jì)算，以模擬流域中各種相應(yīng)的水文過程.

本文基于NAM融雪徑流計(jì)算的思路，將SRM改進(jìn)后再加入三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型，構(gòu)建冰雪融水與雨水混合洪水預(yù)報(bào)模型;并運(yùn)用實(shí)測(cè)水位(流量)資料進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，以進(jìn)一步提高洪水預(yù)報(bào)精度，彌補(bǔ)積雪量、氣溫等相關(guān)實(shí)測(cè)資料的不足，實(shí)現(xiàn)冰雪融水與雨水混合產(chǎn)流的模擬.

1 冰雪融水與雨水混合洪水預(yù)報(bào)模型

1.1 預(yù)報(bào)模型的構(gòu)建

預(yù)報(bào)模型是洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的核心，預(yù)報(bào)精度和預(yù)見期始終是功能研發(fā)的第一目標(biāo)，因此，本文降雨徑流的預(yù)報(bào)選用三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型.三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型屬準(zhǔn)分布式模型，考慮到降雨在空間上分布的不均勻問題，將全流域分成許多小流域單元，對(duì)每個(gè)流域單元單獨(dú)進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算.冰雪融水與雨水混合洪水預(yù)報(bào)選用SRM模型，具體組合構(gòu)建時(shí)需要做較大的改進(jìn).

1.2 SRM的改進(jìn)

SRM可根據(jù)高程的不同分不同的帶區(qū)，采用分布計(jì)算模式，主要考慮不同帶區(qū)氣溫及積雪量的差異.SRM原理是分別計(jì)算每天的融雪和降水所產(chǎn)生的水量，并將這些水量疊加到計(jì)算的退水流量上，得到每天的日徑流量.與利用能量平衡法計(jì)算融雪的模型相比，SRM采用度?時(shí)系數(shù)法，大大簡化了模型在融雪方面的計(jì)算.

根據(jù)洪水預(yù)報(bào)的功能目標(biāo)、實(shí)際要求、實(shí)時(shí)資料及三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型的結(jié)構(gòu)，本文構(gòu)建的冰雪融水與雨水混合洪水預(yù)報(bào)模型需對(duì)SRM進(jìn)行以下幾方面的改進(jìn):

a.將日模型調(diào)整為時(shí)段計(jì)算模型.SRM是用來模擬融雪徑流的日模型，難以模擬中小流域的洪水過程.因此將日模型調(diào)整為時(shí)段計(jì)算模型，計(jì)算時(shí)長可以適應(yīng)中小流域洪水陡漲陡落的特性，滿足水庫洪水調(diào)度的實(shí)際需要.

b.降雨產(chǎn)流部分計(jì)算采用三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型.SRM用降雨徑流系數(shù)推算降雨產(chǎn)流量，過于簡單.降雨徑流系數(shù)是隨時(shí)間不斷變化的，與降雨強(qiáng)度、下墊面條件等有關(guān)，很難確定.因此采用已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用、相對(duì)成熟的三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型替代SRM降雨產(chǎn)流部分的預(yù)報(bào).

c.增加降雨融雪度?時(shí)系數(shù).SRM沒有考慮降雨條件下增加的融雪量.在同樣的溫度條件下，降雨、產(chǎn)流對(duì)積雪的沖刷，會(huì)消融更多的積雪.降水條件下增加的融雪量可按照NAM的公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:Crain——降雨融雪度?時(shí)系數(shù);P——降水量;T——時(shí)段平均溫度;T0——用戶設(shè)置的融雪臨界溫度.

d.設(shè)置降水及晴天條件下不同的氣溫調(diào)整參數(shù).氣溫是計(jì)算融雪量最直接的參數(shù)，但流域上布置的氣溫站點(diǎn)較少，尤其是坡度較大的流域，氣溫垂向變化明顯，需采用溫度修正值調(diào)整.根據(jù)NAM融雪徑流的計(jì)算思路，降水及晴天條件下垂直方向上氣溫的變化程度是不同的，設(shè)置不同的氣溫調(diào)整參數(shù)可減小計(jì)算誤差.

e.融雪總水量到流域出口的匯流計(jì)算運(yùn)用單位線法.SRM采用流量計(jì)算公式顯式遞推，只能預(yù)報(bào)1個(gè)時(shí)段的流量，難以滿足洪水預(yù)報(bào)的實(shí)際需要.將日模型改為時(shí)段模型，運(yùn)用單位線法進(jìn)行匯流計(jì)算，可預(yù)報(bào)多個(gè)時(shí)段的融雪流量.

1.3 模型結(jié)構(gòu)與流程

將三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型與改進(jìn)的SRM組合，構(gòu)建冰雪融水與雨水混合洪水預(yù)報(bào)模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1中，模型參數(shù)B為蓄水容量曲線的方次;WM為流域蓄水容量;K為蒸散發(fā)能力折算系數(shù); WUM為上層蓄水容量;WLM為中層蓄水容量;C為深層蒸散發(fā)系數(shù);IMP為不透水面積占全流域面積之比;EX為自由水蓄水容量曲線指數(shù);SM為流域平均自由水蓄水容量;KG為自由水蓄水庫對(duì)地下徑流出流系數(shù);KSS為自由水蓄水庫對(duì)壤中流的出流系數(shù);KKSS為壤中流水庫的消退系數(shù);KKG為地下水庫的消退系數(shù);UH為匯流單位線.整個(gè)模型的輸入包括流域上各雨量測(cè)站的降雨過程、蒸發(fā)站的蒸發(fā)過程、氣溫站的溫度變化過程、按高程所分帶區(qū)的積雪覆蓋率過程.

圖1 冰雪融水與雨水混合洪水預(yù)報(bào)模型結(jié)構(gòu)與流程Fig.1 Structure and flow chart of hybrid model of Xin'anjiang model and modified snowmelt runoff model

2 模型應(yīng)用

2.1 應(yīng)用流域概況

新疆伊犁的喀什河為伊犁河的第二大支流，吉林臺(tái)一級(jí)水電站位于喀什河流域中部的吉林臺(tái)峽谷中.峽谷以上河段為喀什河的上游段，河道平均比降為0.8%左右.喀什河流域森林遍布，人口稀少，受人類活動(dòng)影響較小.流域形狀呈狹長的柳葉形，為羽狀水系，沿途有40余條支流匯入，北岸多于南岸.喀什河流域總面積9578km2，河長297km，其中吉林臺(tái)一級(jí)水電站壩址以上流域面積6163km2，河長204km.喀什河徑流是以冰川積雪融水補(bǔ)給為主，降雨補(bǔ)給為輔，地下水補(bǔ)給次之的混合型補(bǔ)給.喀什河多年平均降水量353.4mm，多年平均蒸發(fā)量1471.8mm，吉林臺(tái)一級(jí)水電站壩址多年平均流量117m3/s.

吉林臺(tái)一級(jí)水電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)于2004年7月安裝并試運(yùn)行.水電站遙測(cè)站網(wǎng)由施工期水情自動(dòng)測(cè)報(bào)的站網(wǎng)以及壩前水位站、壩后水位站、中心站組成，共計(jì)站點(diǎn)13個(gè)，其中雨量氣溫站3個(gè)，雨量水位站4個(gè)，純雨量站5個(gè)，中心站1個(gè)，其分布如圖2所示.由于水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行以來，遙測(cè)資料及水位流量資料的短缺和不完整，本文只能有選擇地采用該遙測(cè)資料，對(duì)模型參數(shù)調(diào)試的準(zhǔn)確性有較大影響.

圖2 吉林臺(tái)水庫流域水系及測(cè)站分布Fig.2 River systems in Jilintai Reservoir basin and distribution of observation stations

2.2 模型的建立

根據(jù)資料情況、吉林臺(tái)水庫流域洪水過程及水庫特性，計(jì)算時(shí)段長取為3h.按新安江分散模式的要求，將吉林臺(tái)水庫控制流域面積6163km2劃分為4大塊，即喬爾瑪以上、喬爾瑪-巴拉克鐵、巴拉克鐵-烏拉斯臺(tái)、烏拉斯臺(tái)-吉林臺(tái)，各單元塊的有關(guān)面積、測(cè)站及權(quán)重等特征資料見表1.

表1 吉林臺(tái)水庫流域單元?jiǎng)澐諸able 1 Division of Jilintai Reservoir basin and code weight of rainfall stations

建立流域面積-高程曲線劃分吉林臺(tái)水庫流域帶，以得到分帶區(qū)面積和平均高程.SRM一般以某一等高距進(jìn)行流域分帶，然后在每個(gè)分帶內(nèi)選一條平分該分帶面積的等高線作為平均高程，即帶內(nèi)平均高程以上和以下的面積相等.得到平均高程后，把流域測(cè)站的氣溫根據(jù)溫度直減率(或修正值)插值到平均高程上使用，采用GIS空間分析功能分析流域DEM可以方便地得到面積-高程曲線，進(jìn)而求得各帶區(qū)平均高程所對(duì)應(yīng)的區(qū)域面積.吉林臺(tái)水庫控制流域按照流域高程分成10個(gè)區(qū)域，各區(qū)域平均高程從1500m按等高300m遞增至4200m.

2.3 模型參數(shù)確定

2.3.1 帶區(qū)積雪覆蓋率衰減曲線

在融雪期，積雪的不斷消融和流域積雪覆蓋率的不斷縮小是一個(gè)非常顯著的特征.作為重要的基本輸入驅(qū)動(dòng)變量，每日積雪覆蓋率的準(zhǔn)確計(jì)算關(guān)系到模型模擬效果的好壞.理論上，積雪覆蓋率可以利用每天衛(wèi)星過境得到的遙感圖像經(jīng)過積雪制圖得到，但由于傳感器、云層等因素的干擾，積雪覆蓋率要進(jìn)行最大化合成才能得到.吉林臺(tái)水庫控制流域積雪覆蓋率分析采用中巴資源衛(wèi)星CBERS遙感影像，將流域高程分帶圖和流域積雪分類圖疊加，并運(yùn)用GIS信息提取功能分帶提取.

2.3.2 融雪模型參數(shù)

流域各塊所采用的溫度代表測(cè)站、溫度修正系數(shù)、臨界氣溫、降雨融雪修正系數(shù)見表2.由于降雨融雪度?時(shí)系數(shù)與融雪度?時(shí)系數(shù)采用同一參數(shù)，因此增加了降雨融雪修正系數(shù).其中溫度修正系數(shù)可根據(jù)測(cè)站高程、帶區(qū)中心線高程及溫度直減率進(jìn)行調(diào)整.臨界氣溫值在融雪徑流模型中相當(dāng)關(guān)鍵，SRM中的降水根據(jù)臨界氣溫值判斷某次降水為雪還是為雨，當(dāng)氣溫高于臨界氣溫值時(shí)為降雨，反之為降雪.臨界氣溫值的確定直接影響產(chǎn)流.一般融雪徑流模型中臨界氣溫值高于0℃，而隨著積雪的融化，臨界氣溫值逐漸接近0℃.降雨融雪修正系數(shù)是用來修正根據(jù)融雪度?時(shí)系數(shù)計(jì)算降雨產(chǎn)生的融雪量，需通過產(chǎn)流量分析及模型參數(shù)調(diào)試確定.

融雪度?時(shí)系數(shù)在模型中是用來計(jì)算融雪水深的一個(gè)核心參量，它的獲取有2種途徑:(a)用雪枕、雪槽實(shí)地觀測(cè);(b)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算.融雪度?時(shí)系數(shù)需要在不同的流域及不同的融雪時(shí)期進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，吉林臺(tái)水庫流域各子流域融雪徑流模型每月融雪度?時(shí)系數(shù)見表3.

表2 吉林臺(tái)水庫流域各子流域融雪模型基本參數(shù)Table 2 Basic model parameters of each sub-basin of Jilintai Reservoir basin

表3 吉林臺(tái)水庫流域各子流域融雪徑流模型每月度?時(shí)系數(shù)Table 3 Monthly model positive degree-hour factors of each sub-basin of Jilintai Reservoir basin

平均高程氣溫調(diào)整值關(guān)系到測(cè)站點(diǎn)的氣溫插值到平均高程的氣溫，進(jìn)而影響每個(gè)分帶積雪消融量的計(jì)算，是一個(gè)重要的模型參數(shù).吉林臺(tái)水庫流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)在不同海拔高度建了3個(gè)氣溫站點(diǎn)，根據(jù)站點(diǎn)氣溫與高程關(guān)系的分析，得到降雨與無雨條件下溫度直減率每100m分別為0.4℃和0.7℃.吉林臺(tái)水庫流域各子流域融雪徑流模型區(qū)域面積、溫度修正值見表4.

各子流域融雪匯流采用無因次單位線法，參數(shù)調(diào)試的結(jié)果見表5.

2.3.3 三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型參數(shù)

經(jīng)過參數(shù)調(diào)試，各塊三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型參數(shù)、各塊河網(wǎng)匯流單位線及相應(yīng)河道匯流曲線見表6～8.從各模型參數(shù)表可以看出，各塊同一參數(shù)變化不大，只略有差異，反映了各塊流域內(nèi)河道、流域下墊面及土壤覆蓋、巖石裸露小有差別，參數(shù)基本合理可靠.

2.3.4 結(jié)果分析

因融雪徑流模型參數(shù)增多，且資料缺乏，本文構(gòu)建的冰雪融水與雨水混合洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)調(diào)試、率定采用人機(jī)交互方法進(jìn)行，并對(duì)待定參數(shù)變化范圍給予符合一定物理概念的可行性約束.對(duì)流域內(nèi)4大塊面積用2007年連續(xù)汛期(時(shí)段長3h)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行模型參數(shù)調(diào)試，其中2007年最大一場洪水吉林臺(tái)水庫流域各控制站流量的預(yù)報(bào)過程與實(shí)測(cè)過程的對(duì)比如圖3所示.由圖3可見，巴拉克鐵與吉林臺(tái)站缺實(shí)測(cè)流量資料，無法對(duì)比顯示，但從上下游流量相關(guān)度分析看是合理的.上游控制站喬爾瑪、巴拉克鐵站流量受氣溫影響變化較明顯，主要原因是7月底這2塊面積有相對(duì)較大的積雪覆蓋率，氣溫融雪所占比例相對(duì)較大;而烏拉斯臺(tái)、吉林臺(tái)站的流量中氣溫融雪量所占比例相對(duì)較小，流量過程受氣溫的影響不很明顯，擬合過程與實(shí)際情況基本相符.由于實(shí)測(cè)資料的局限性，沒有進(jìn)行場次洪水及合格率的統(tǒng)計(jì)分析.

表4 吉林臺(tái)水庫流域各子流域融雪徑流模型區(qū)域面積、溫度修正值Table 4 Correction of model areas and temperatures of each sub-basin of Jilintai Reservoir basin

表5 吉林臺(tái)水庫流域各子流域融雪匯流單位線Table 5 Snowmelt unit lines of each sub-basin of Jilintai Reservoir basin

表6 吉林臺(tái)水庫流域三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型參數(shù)Table 6 Parameters of three-water-source Xin'anjiang model of Jilintai Reservoir basin

表7 吉林臺(tái)水庫流域各子流域河網(wǎng)單位線Table 7 River unit lines of each sub-basin of Jilintai Reservoir basin

表8 吉林臺(tái)水庫流域各單元及子流域間河道匯流單位線Table 8 Channel unit lines of each unit and sub-basin of Jilintai Reservoir basin

3 結(jié) 語

在分析融雪水文模型最新研究進(jìn)展、高山融雪水文特性的基礎(chǔ)上，基于NAM融雪徑流計(jì)算思路，改進(jìn)了SRM融雪徑流模型，使SRM與三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型形成一個(gè)統(tǒng)一整體，構(gòu)建冰雪融水與雨水混合洪水預(yù)報(bào)模型.運(yùn)用衛(wèi)星遙感圖及GIS系統(tǒng)工具，結(jié)合模型參數(shù)調(diào)試，確定模型參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)冰雪融水與雨水混合實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)功能.研究結(jié)果表明:

圖3 各控制站洪水模擬結(jié)果Fig.3 Simulated results of various observation stations

a.SRM在進(jìn)行了將日模型調(diào)整為時(shí)段計(jì)算模型、降雨產(chǎn)流部分計(jì)算采用三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型、增加降雨融雪度?時(shí)系數(shù)、設(shè)置降水及晴天條件下不同的氣溫調(diào)整參數(shù)、融雪總水量到流域出口的匯流計(jì)算運(yùn)用單位線法等改進(jìn)后，冰雪融水與雨水混合洪水預(yù)報(bào)模型擬合過程與實(shí)際情況基本相符.

b.采用改進(jìn)的SRM與三水源新安江流域預(yù)報(bào)模型整合的預(yù)報(bào)模型，建立實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，不僅可直接用于降雨徑流的常規(guī)洪水預(yù)報(bào)，也可推廣到地處高寒的山區(qū)用于實(shí)時(shí)冰雪融水與雨水混合洪水預(yù)報(bào).

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