新安江流域水文模型模擬枯水徑流的可行性分析

新安江流域水文模型模擬枯水徑流的可行性分析

東江是珠江三角洲重要的河流之一，主要流經(jīng)中國經(jīng)濟發(fā)達的亞熱帶。除了廣東省的深圳、惠州、東莞和珠江三角洲，東江在旱季經(jīng)常發(fā)生旱季的干旱缺水，并面臨嚴重的缺水危機。此外，珠江三角洲在旱季經(jīng)常受到咸潮的威脅，這對社會生活和經(jīng)濟活動產(chǎn)生了重大影響。隨著人類活動對流域的影響，旱季流量預(yù)測對水資源管理尤為重要。這可以為確保供水安全，在流域內(nèi)干燥和抗咸活動提供有效的技術(shù)支持。通常情況下,人們僅利用降雨徑流模型模擬出流域的整體徑流過程,并往往對洪水過程給予過多的關(guān)注,而對枯水期的徑流過程少有關(guān)心,也很少會對模擬結(jié)果的精度進行專門地評價.Smakhtin等為了解決這一問題,采用具有物理基礎(chǔ)的半分布式的降雨徑流時變模型(VTI)對南非的5個研究流域進行模擬分析,研究結(jié)果認為該模型可以模擬出具有一定精度的枯水期的流量過程;為了能更精確地模擬流域枯水期的徑流過程,以獲得具有普遍性的研究成果,他們建議采用其他流域水文模型對此類問題進行更深入的探討.新安江模型為概念性的流域水文模型,其模擬精度較高,在我國廣大的濕潤和半濕潤地區(qū)有著較廣泛地應(yīng)用.由于新安江模型基于蓄滿產(chǎn)流機制,而枯水季節(jié)的降雨量往往較少,其枯水徑流主要依賴基流補給,能否采用新安江模型來模擬該枯水段的徑流過程值得深入分析.因此,本文中利用新安江水文模型對東江流域進行日徑流過程模擬,在對模擬結(jié)果進行分析時,除了采用常規(guī)的評價標準外,還采用多種描述枯水徑流的特征量來評估該模型所得到的枯水段的模擬精度.1模擬東江流域日流量生產(chǎn)流的模擬1.1流域水文特性東江流域發(fā)源于江西省尋鄔縣的椏髻體,流域主要部分地處亞熱帶的華南地區(qū),面積27000km2.干流流經(jīng)廣東省東部,主要支流有新豐江、西枝江等,東江在廣東省東莞市石龍鎮(zhèn)匯入珠江三角洲.東江流域的海洋性氣候顯著,多年平均降雨量為1750mm,年徑流量較為豐沛,但年內(nèi)和年際間變化較大,枯水期歷時較長.流域內(nèi)林木茂盛,植被良好,根系發(fā)達,存在質(zhì)地疏松的腐殖層,有很強的下滲能力,難以形成超滲地表徑流.另一方面,由于地處濕潤地區(qū),流域地下水位較高,包氣帶水分耗于蒸發(fā)而虧缺往往只在表層部分,其下部常年接近于田間持水量.因此,包氣帶缺水量不大,特別是在多雨期,缺水范圍只在表層20～30cm,缺水量不過20～30mm,土壤易于被一次降雨所滿足.因此,產(chǎn)流方式多為蓄滿產(chǎn)流,可用新安江流域水文模型來模擬其產(chǎn)匯流過程.本研究選取其中4個子流域作為研究對象,這些子流域皆位于東江流域的源頭地區(qū),基本沒有受到人類活動的影響,其產(chǎn)匯流特性可以代表天然狀態(tài).這些流域分別為九州、連平、星豐和岳城,資料序列分別為1978～1987,1978～1987,1981～1987和1982～1987年.流域面積約37.2～531km2,每個流域內(nèi)有雨量站5～7個,雨量站點密度較高,且分布較為均勻,能夠滿足該模型的模擬需要.1.2實測流量和模擬流量利用新安江水文模型作為這4個研究子流域的降雨徑流模型,以確定性系數(shù)R最大作為模型參數(shù)的優(yōu)化目標函數(shù),R定義如下:max{R}=max?????????????????1?∑i=1N(Qsi?Qoi)2∑i=1N(Qoˉˉˉˉ?Qoi)2?????????????????max{R}=max{1-∑i=1Ν(Qis-Qio)2∑i=1Ν(Qoˉ-Qio)2}式中:Qoi和Qsi分別為第i個實測和模擬流量;QoˉˉˉˉQoˉ為實測流量的均值;N為流量數(shù)目.使用人工目估法和遺傳算法相結(jié)合得到新安江模型的參數(shù),所得到的4個研究子流域的模擬結(jié)果見圖1和表1.圖1為4個研究子流域的實測和模擬流量過程線,圖中的縱坐標流量值取了常用對數(shù),目的是更為清晰地看出枯水段的模擬效果.表1中的統(tǒng)計特征量皆為常規(guī)量.從表1得知,4個研究子流域的模擬年份長度為6～10年,可以滿足日徑流模擬的需要,徑流深相對誤差一般在1%以內(nèi),最大流量、最小流量和平均流量的模擬結(jié)果相差不大,確定性系數(shù)皆接近或超過0.8,故模擬精度較高.從新安江模型的模擬過程可以發(fā)現(xiàn),退水段的流量過程主要受地下水消退系數(shù)控制,該參數(shù)對退水段影響較大.在參數(shù)調(diào)試過程中,退水段的擬合精度有時與整個流量過程的擬合精度相矛盾,故在模擬過程中需綜合考慮兩者之間的關(guān)系,盡量做到兼顧兩者的擬合精度.由于本文中主要研究枯水段的徑流模擬問題,故在參數(shù)調(diào)試過程中主要考慮滿足退水段的擬合精度.綜合上述分析結(jié)果得知,采用新安江模型得到的流量過程線與實測流量過程線吻合得較好,退水段也擬合得較為滿意.盡管采用新安江模型所得到的徑流過程的模擬精度較高,但由于常規(guī)的評估量僅針對整個模擬期而言.由于枯水徑流有其固有的特點,它擬合得是否精確值得深入分析.以下分別采用描述枯水徑流特點的特征量進行探討,深入分析模擬得到的枯水徑流的精度.2干水特征分析2.1各時段最小流量的擬合連續(xù)多日最小流量是枯水分析中最為重要的指標之一,常被用來分析枯水徑流的特性.在枯水徑流分析中,對于日平均流量,常采用1,3,7,10,15,30,60,90或150天等不同的時段平均值作為研究對象,統(tǒng)計出各個不同時段內(nèi)的最小流量.利用滑動平均法,分別得到各個時段長度下實測和模擬的最小流量,本文中只給出1,7,15和30天的計算結(jié)果(見表2).從表2看出,各個時段最小流量的相對誤差的變幅為-18.22%～19.54%,平均相對誤差為9.91%,大多在10%左右,擬合的精度相當高.該結(jié)果與圖1中的退水段的模擬結(jié)果較為吻合.2.2流量最小平滑法在大多數(shù)流域的枯水季節(jié),由于降雨量較少,其枯水徑流主要由基流補給,因此,模擬得到的流域基流量是枯水季節(jié)流量的關(guān)鍵所在.在基流量分析計算中,一般采用基流分割方法分別將實測和模擬流量過程線的基流部分分割出來,比較這兩種基流流量以反映枯水段的模擬精度.傳統(tǒng)的基流分割法主要為圖解法,該法主觀性較強,計算較為繁瑣,且精度難以保證.本研究采用流量最小平滑法進行基流分割,該方法由英國水文研究所提出,由于簡便易行,且模擬精度較高,在不少國家和地區(qū)得以應(yīng)用.采用流量最小平滑法所得到的基流分割結(jié)果見表3,表3列出了基流指數(shù)、最大基流量、最小基流量和平均基流量.所謂基流指數(shù)是指某流量序列中的基流量與總徑流量之比,它可以用來反映流域的基流特征.從表3看出,對于4個研究子流域,模擬得到的基流量大多大于實測基流量,說明利用新安江模型進行徑流模擬時,過高地模擬了基流部分.2.3枯水期內(nèi)的實測分析和模擬流量過程的合并為了定量地分析枯水期的模擬效果,將各個年份的枯水期的流量過程連接在一起進行分析.東江流域的枯水期為11月到次年的3月,分別將該時段內(nèi)的實測和模擬流量過程合并后,其結(jié)果見表4.從表4可以看出,枯水期內(nèi)模型所得到的模擬水量和實測水量基本平衡,確定性系數(shù)也較高.2.4枯水單次流量模擬結(jié)果流量歷時曲線(FDC)是在某個時段內(nèi)某個流量與不小于該流量所對應(yīng)的時間的相關(guān)關(guān)系,它綜合地描述了某流域的徑流從枯水到洪水整個階段的全部特征,可以較好地反映流域的降雨徑流特性.在水資源開發(fā)、水環(huán)境保護等實際工作中,經(jīng)常采用FDC低端部分(例如75%,90%或者95%保證率)的流量作為設(shè)計枯水流量.因而在水資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用.分別利用實測流量和模擬流量模擬出FDC(見圖2),從圖2可看出,九州和連平流域的枯水段擬合的精度稍低,其余流域FDC的擬合精度較高,這和圖1中的退水段擬合精度相吻合.盡管FDC可以用來描述流域徑流過程,用以評價模型所模擬得到的徑流過程的精度,但它僅能給出某個流量與相應(yīng)頻率之間的相關(guān)關(guān)系,而不能確切地告訴人們低于某個指定流量所持續(xù)的時間,而這一點對于枯水季節(jié)的水資源調(diào)度尤為重要.FDC的低端,例如頻率為75%下的流量值Q75%可作為枯水徑流的特征值,對實測和計算流量過程進行分析,統(tǒng)計出各個歷時情況下低于Q75%的發(fā)生次數(shù),建立歷時與發(fā)生次數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系如圖3所示.從圖3可看出,模擬得到的精度總體較好,有些情況下誤差較大.在歷時為10天時,4個研究流域的模擬精度大多不高;隨著歷時增加,出現(xiàn)低于截取水平Q75%的次數(shù)減少,模擬精度也相應(yīng)地得到提高.3對于枯水徑流的基流模擬新安江模型為基于蓄滿產(chǎn)流機制的流域水文模型,可以較好地模擬枯季退水過程.將該模型應(yīng)用于東江流域的4個子流域,通過分析模擬結(jié)果的特征值和流量過程線,可以發(fā)現(xiàn)得到的模擬精度較高.根據(jù)枯水徑流的特點,利用滑動平均法得到連續(xù)1,7,15和30天實測和模擬的最小平均流量,以反映序列連續(xù)多日的最小流量的擬合精度;利用流量最