新安江流域水文模型模拟枯水径流的可行性分析

新安江流域水文模型模拟枯水径流的可行性分析

东江是珠江三角洲重要的河流之一，主要流经中国经济发达的亚热带。除了广东省的深圳、惠州、东莞和珠江三角洲，东江在旱季经常发生旱季的干旱缺水，并面临严重的缺水危机。此外，珠江三角洲在旱季经常受到咸潮的威胁，这对社会生活和经济活动产生了重大影响。随着人类活动对流域的影响，旱季流量预测对水资源管理尤为重要。这可以为确保供水安全，在流域内干燥和抗咸活动提供有效的技术支持。通常情况下,人们仅利用降雨径流模型模拟出流域的整体径流过程,并往往对洪水过程给予过多的关注,而对枯水期的径流过程少有关心,也很少会对模拟结果的精度进行专门地评价.Smakhtin等为了解决这一问题,采用具有物理基础的半分布式的降雨径流时变模型(VTI)对南非的5个研究流域进行模拟分析,研究结果认为该模型可以模拟出具有一定精度的枯水期的流量过程;为了能更精确地模拟流域枯水期的径流过程,以获得具有普遍性的研究成果,他们建议采用其他流域水文模型对此类问题进行更深入的探讨.新安江模型为概念性的流域水文模型,其模拟精度较高,在我国广大的湿润和半湿润地区有着较广泛地应用.由于新安江模型基于蓄满产流机制,而枯水季节的降雨量往往较少,其枯水径流主要依赖基流补给,能否采用新安江模型来模拟该枯水段的径流过程值得深入分析.因此,本文中利用新安江水文模型对东江流域进行日径流过程模拟,在对模拟结果进行分析时,除了采用常规的评价标准外,还采用多种描述枯水径流的特征量来评估该模型所得到的枯水段的模拟精度.1模拟东江流域日流量生产流的模拟1.1流域水文特性东江流域发源于江西省寻邬县的桠髻体,流域主要部分地处亚热带的华南地区,面积27000km2.干流流经广东省东部,主要支流有新丰江、西枝江等,东江在广东省东莞市石龙镇汇入珠江三角洲.东江流域的海洋性气候显著,多年平均降雨量为1750mm,年径流量较为丰沛,但年内和年际间变化较大,枯水期历时较长.流域内林木茂盛,植被良好,根系发达,存在质地疏松的腐殖层,有很强的下渗能力,难以形成超渗地表径流.另一方面,由于地处湿润地区,流域地下水位较高,包气带水分耗于蒸发而亏缺往往只在表层部分,其下部常年接近于田间持水量.因此,包气带缺水量不大,特别是在多雨期,缺水范围只在表层20～30cm,缺水量不过20～30mm,土壤易于被一次降雨所满足.因此,产流方式多为蓄满产流,可用新安江流域水文模型来模拟其产汇流过程.本研究选取其中4个子流域作为研究对象,这些子流域皆位于东江流域的源头地区,基本没有受到人类活动的影响,其产汇流特性可以代表天然状态.这些流域分别为九州、连平、星丰和岳城,资料序列分别为1978～1987,1978～1987,1981～1987和1982～1987年.流域面积约37.2～531km2,每个流域内有雨量站5～7个,雨量站点密度较高,且分布较为均匀,能够满足该模型的模拟需要.1.2实测流量和模拟流量利用新安江水文模型作为这4个研究子流域的降雨径流模型,以确定性系数R最大作为模型参数的优化目标函数,R定义如下:max{R}=max⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪1−∑i=1N(Qsi−Qoi)2∑i=1N(Qo¯¯¯¯−Qoi)2⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪max{R}=max{1-∑i=1Ν(Qis-Qio)2∑i=1Ν(Qo¯-Qio)2}式中:Qoi和Qsi分别为第i个实测和模拟流量;Qo¯¯¯¯Qo¯为实测流量的均值;N为流量数目.使用人工目估法和遗传算法相结合得到新安江模型的参数,所得到的4个研究子流域的模拟结果见图1和表1.图1为4个研究子流域的实测和模拟流量过程线,图中的纵坐标流量值取了常用对数,目的是更为清晰地看出枯水段的模拟效果.表1中的统计特征量皆为常规量.从表1得知,4个研究子流域的模拟年份长度为6～10年,可以满足日径流模拟的需要,径流深相对误差一般在1%以内,最大流量、最小流量和平均流量的模拟结果相差不大,确定性系数皆接近或超过0.8,故模拟精度较高.从新安江模型的模拟过程可以发现,退水段的流量过程主要受地下水消退系数控制,该参数对退水段影响较大.在参数调试过程中,退水段的拟合精度有时与整个流量过程的拟合精度相矛盾,故在模拟过程中需综合考虑两者之间的关系,尽量做到兼顾两者的拟合精度.由于本文中主要研究枯水段的径流模拟问题,故在参数调试过程中主要考虑满足退水段的拟合精度.综合上述分析结果得知,采用新安江模型得到的流量过程线与实测流量过程线吻合得较好,退水段也拟合得较为满意.尽管采用新安江模型所得到的径流过程的模拟精度较高,但由于常规的评估量仅针对整个模拟期而言.由于枯水径流有其固有的特点,它拟合得是否精确值得深入分析.以下分别采用描述枯水径流特点的特征量进行探讨,深入分析模拟得到的枯水径流的精度.2干水特征分析2.1各时段最小流量的拟合连续多日最小流量是枯水分析中最为重要的指标之一,常被用来分析枯水径流的特性.在枯水径流分析中,对于日平均流量,常采用1,3,7,10,15,30,60,90或150天等不同的时段平均值作为研究对象,统计出各个不同时段内的最小流量.利用滑动平均法,分别得到各个时段长度下实测和模拟的最小流量,本文中只给出1,7,15和30天的计算结果(见表2).从表2看出,各个时段最小流量的相对误差的变幅为-18.22%～19.54%,平均相对误差为9.91%,大多在10%左右,拟合的精度相当高.该结果与图1中的退水段的模拟结果较为吻合.2.2流量最小平滑法在大多数流域的枯水季节,由于降雨量较少,其枯水径流主要由基流补给,因此,模拟得到的流域基流量是枯水季节流量的关键所在.在基流量分析计算中,一般采用基流分割方法分别将实测和模拟流量过程线的基流部分分割出来,比较这两种基流流量以反映枯水段的模拟精度.传统的基流分割法主要为图解法,该法主观性较强,计算较为繁琐,且精度难以保证.本研究采用流量最小平滑法进行基流分割,该方法由英国水文研究所提出,由于简便易行,且模拟精度较高,在不少国家和地区得以应用.采用流量最小平滑法所得到的基流分割结果见表3,表3列出了基流指数、最大基流量、最小基流量和平均基流量.所谓基流指数是指某流量序列中的基流量与总径流量之比,它可以用来反映流域的基流特征.从表3看出,对于4个研究子流域,模拟得到的基流量大多大于实测基流量,说明利用新安江模型进行径流模拟时,过高地模拟了基流部分.2.3枯水期内的实测分析和模拟流量过程的合并为了定量地分析枯水期的模拟效果,将各个年份的枯水期的流量过程连接在一起进行分析.东江流域的枯水期为11月到次年的3月,分别将该时段内的实测和模拟流量过程合并后,其结果见表4.从表4可以看出,枯水期内模型所得到的模拟水量和实测水量基本平衡,确定性系数也较高.2.4枯水单次流量模拟结果流量历时曲线(FDC)是在某个时段内某个流量与不小于该流量所对应的时间的相关关系,它综合地描述了某流域的径流从枯水到洪水整个阶段的全部特征,可以较好地反映流域的降雨径流特性.在水资源开发、水环境保护等实际工作中,经常采用FDC低端部分(例如75%,90%或者95%保证率)的流量作为设计枯水流量.因而在水资源开发、生态环境保护等领域有着非常广泛的应用.分别利用实测流量和模拟流量模拟出FDC(见图2),从图2可看出,九州和连平流域的枯水段拟合的精度稍低,其余流域FDC的拟合精度较高,这和图1中的退水段拟合精度相吻合.尽管FDC可以用来描述流域径流过程,用以评价模型所模拟得到的径流过程的精度,但它仅能给出某个流量与相应频率之间的相关关系,而不能确切地告诉人们低于某个指定流量所持续的时间,而这一点对于枯水季节的水资源调度尤为重要.FDC的低端,例如频率为75%下的流量值Q75%可作为枯水径流的特征值,对实测和计算流量过程进行分析,统计出各个历时情况下低于Q75%的发生次数,建立历时与发生次数之间的相关关系如图3所示.从图3可看出,模拟得到的精度总体较好,有些情况下误差较大.在历时为10天时,4个研究流域的模拟精度大多不高;随着历时增加,出现低于截取水平Q75%的次数减少,模拟精度也相应地得到提高.3对于枯水径流的基流模拟新安江模型为基于蓄满产流机制的流域水文模型,可以较好地模拟枯季退水过程.将该模型应用于东江流域的4个子流域,通过分析模拟结果的特征值和流量过程线,可以发现得到的模拟精度较高.根据枯水径流的特点,利用滑动平均法得到连续1,7,15和30天实测和模拟的最小平均流量,以反映序列连续多日的最小流量的拟合精度;利用流量最