欒承梅，王 軍，仇少鵬

（1.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029；2.河海大學，江蘇 南京 210098）

0 引言

氣候變化和人類活動對水文水資源的影響是當前水文學研究的熱點問題。在人類活動與氣候變化的共同影響下，產匯流下墊面發(fā)生很大變化，洪水歸槽速度加快，區(qū)域的產匯流關系發(fā)生變化，因此急需重新分析現狀條件下的產匯流關系。目前，國內外對于無資料地區(qū)產匯流的研究主要偏重于地貌水文學方法和水文模型方法。

本文主要針對黑林流域，建立參數識別不依賴于水文資料的降雨產流模型和地貌參數與瞬時單位線參數之間的定量關系，從而建立無資料地區(qū)的水文模型，并對黑林流域歷史洪水進行模擬研究。

1 區(qū)域概況

黑林流域位于江蘇省連云港市贛榆縣西北部青口河上游，流域面積為183.2 km2，干流長度為17 km，干流平均比降為2.90‰，流域平均寬度為11 km，流域平均比降為36.9‰，屬于山丘型小流域。流域內黑林水文站修建于1976年7月，是小塔山水庫入庫控制站。小塔山水庫集水面積為386 km2，總庫容2.81億m3，屬于大（Ⅱ）型水庫。黑林流域主河道上有多個滾水壩，對天然來水具有一定的調節(jié)作用。

本文采用網絡共享平臺提供的30m×30mDEM資料和中國科學院土地資源調查的1:10萬土地利用數據，土壤數據采用第二次全國土地調查的1:100萬土壤數據，水文資料采用洙邊、黑林、清水澗三站1976～2012年共37年降雨資料，以及黑林水文站1976～2012年共37年流量資料。

黑林流域水文站點信息及資料年限表見表1，黑林流域及站點分布見圖1。

表1 黑林流域水文站點信息及資料年限表

圖1 黑林流域及站點分布圖

2 研究方法

2.1 SCS產流模型

SCS模型是美國農業(yè)水土保持局（Soil Conservation Service）于1954年根據美國自然地理狀況和水文氣象條件所研發(fā)的小流域設計洪水模型，因模型參數簡單，需要資料易獲取而得到較為廣泛的應用[1-2]。

SCS曲線法的計算公式為：

式中：Qsuf為累計徑流量或凈雨（mm）；Rday為第i天的降雨量（mm）；Ia為初損，包括地表蓄水、截留和產流前的下滲（mm）；S為持蓄參數（mm），持蓄參數由于土地利用、土壤類型、管理措施和坡度的不同空間變化，由于土壤含水量的不同時間變化。

式中：CN為模擬日的曲線數。

初損Ia通常估計為0.2S，則式（2）變?yōu)椋?/p>

2.2 Nash單位線

納希（J.E. Nash）1957年提出了一個假設，即流域對地面凈雨的調蓄作用，可用n個串聯的線性水庫的調節(jié)作用來模擬[3-4]，由此推導出Nash瞬時單位線的數學表達式：

式中：u（t）為瞬時單位線；n為線性水庫的個數，無因次；K為線性水庫的蓄量常數，具有時間因次。

Nash模型中的參數n是一個取決于霍頓地貌參數的匯流參數，它主要反映流域面積、形狀和水系分布特點對流域匯流的影響，其計算公式如下：

式中：RB、RL、RA分別為流域水系的分叉比、河長比和面積比，一般統稱為霍頓地貌參數，可進行如下計算：

Nash模型中的參數K反映了水動力擴散作用對流域匯流的影響，其計算公式如下：

式中：Ω為流域的斯特拉勒（Strahler）級別，即河系中最高級別的河流的級別；LΩ為河系中最高級別的河流的長度（km）；λΩ-1為河源至Ω-1級河流末端處的λ值；VΩ為流域出口斷面的流速（m3/s）；α為流域形心至流域出口斷面的距離與流域長度的比值；m為反映河道縱剖面特性的綜合參數，根據實際資料分析，其值一般在1～1.2之間。

3 研究實例

本文采用黑林流域1976～2011年降雨徑流資料，采用網絡共享平臺免費提供的DEM資料、土地利用成果數據和土壤數據，運用ArcGIS軟件的水文分析模塊提取研究區(qū)域的基礎信息、產流參數CN以及地貌瞬時單位線參數，進而模擬黑林流域的產匯流過程。

3.1 數字流域構建

運用ArcGIS軟件的水文分析模塊，提取黑林研究區(qū)域基礎信息，結果如圖2（a）～圖2（d）所示。

圖2（a） 黑林流域DEM圖

圖2（b） 黑林流域流向圖

圖2（c） 黑林流域流向累積圖

圖2（d） 黑林流域水系提取圖

3.2 土地利用及土壤數據處理

利用黑林流域邊界，裁切對應的土地利用和土壤類型，從而可得研究區(qū)土地利用和土壤類型分布圖，如圖3～圖4所示。

圖3 黑林流域土地利用分布圖

圖4 黑林流域土壤類型分布圖

3.3 產流參數CN的提取

根據黑林流域土壤和土地利用空間分布資料，采用ArcGIS中的重分類功能，計算不同土壤類型和不同土地覆蓋類型的權重，參考表2的各類土壤覆蓋類型及土壤類型對應的CN取值，計算研究流域的綜合CN值。

3.4 地貌瞬時單位線參數提取

采用ArcGIS中的水文分析模塊，分別提取黑林流域的流域面積、河流分級、不同級別對應的河數、平均河長、平均面積等基本信息，在此基礎上，利用地貌定律，計算RB、RL和RA。所提取的基本信息見表3。

結合推求不同雨強條件下對應的瞬時單位線參數n和K，推求瞬時單位線。在此基礎上，利用S曲線進行時段轉換，從而得到任意時段長的時段單位線。以2007年為例，瞬時單位線如圖5所示。

圖5 瞬時單位線圖

表2 不同土壤類型和土壤覆蓋類型對應表

表3 黑林流域信息提取成果表

3.5 模擬結果

通過產匯流計算，以1977年～2008年逐日平均洪水過程為例，進行洪水模擬，得到的結果如圖 6（a）～圖6（h），縱坐標單位均為m3/s。

圖6 1977～2008年汛期洪水模擬過程

4 結論

（1）通過1977～2008年歷史洪水模擬，結果顯示本次研究提出的模型模擬的洪水過程線與實測過程線擬合較好，且洪峰、洪量誤差較小，表明本次建立的模型模擬洪水過程符合實際情況。

（2）本次研究模擬洪水過程線與實測過程中有些地方水量差距較大，一般為30%左右，調查表明黑林以上有多個攔河壩，致使該區(qū)降雨與洪水之間對應關系受到干擾。

（3）本次研究模擬的歷史洪水過程線，部分場次在前汛期和后汛期的模擬結果較差，主要表現為實測過程有降雨不產流，故在日常預報作業(yè)和水量分析計算過程中要甄別雨水情情況。