西巴漏河流域产流计算模型的建立

西巴漏河流域产流计算模型的建立

张明1尚耐会2

山东水文水资源局山东济南250100

摘要：西巴漏河南起济南垛庄水库，北入小清河，是典型的山溪型河流，河流受降雨影响最大，为更好的研究区域产流机制，通过流域内四处雨量站、两处流量监测站两年的资料进行分析，选着适合本流域的产流计算模型。

关键词：产流计算模型；产流系数；误差评定

Abstract：xibalouriverfromHenantojinanduozhuangreservoir,Northintoxiaoqingriver,isatypicalmountainstreamriver,theriveristhemostaffectedbyrainfall,inordertobetterstudytheregionalproductionmechanism,Basedonthedataoffourrainfallstationsandtwoflowmonitoringstationsintheriverbasinfortwoyears,asuitableflowcalculationmodelwasselected.

Keywords:flowcalculationmodel;Flowcoefficient;Errorassessment

1引言

西巴漏河，源于济南市章丘区垛庄镇，主河流经埠村、山后寨、枣园等乡镇，至绣惠镇金盘村汇入绣江河，全长68.8km。其主要支流有：发源于曹范乡的横河、大冶河，发源于文祖镇的大寨河。流域总面积537Km2。本文分析的产流区域位于西巴漏河南段（垛庄水库至月宫桥），流域产流面积66.9Km2，此区域位于济南南部山区，河道两侧为山脉，流域内有雨量站四处（官营、北麦腰村、南垛庄、北明桥），流量监测断面两处（北明桥和月宫桥）。多年平均年降雨量650mm左右，且多集中在7、8、9三个月，其降水量占全年降水量的75%左右。受季风影响，降雨量由东南向西北递减，且多以暴雨形式出现。

通过流域内布设的官营、北麦腰村、南垛庄、北明桥雨量站资料，分析探索流域内的产流机理，从而推求产流计算模型。

2流域产流机理

流域产流，目前能够解释其形成物理条件的径流成分只有超渗地面径流、饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流4种。这些径流成分中能够汇集至流域出口断面的部分就组成流域产流量。与组成它的产流成分不同，流域产流量是可以直接测验的。根据径流形成原理，流域产流量服从次降雨包气带水量平衡方程式。

对只有一个相对不透水层的包气带：

当降雨强度大，能超过地面下渗能力，但历时短，仅能使包气带上层带到田间持水量时

P=E+(Wmu-Wou)+(Wd-Wol)+R

R=Rs+Rint

当降雨强度大，能超过地面下渗能力，且历时长，能使整个包气带达到田间持水量时

P=E+(Wm-Wo)+R

R=Rs+Rint+Rg

以上公式中，Wou、Wmu分别为包气带上层的初始流域需水量（mm）、达到田间持水量时流域蓄水量（mm）；Wo为初始流域蓄水量（mm）；Wm为包气带达到田间持水量时流域蓄水量（mm）；Wd、Wol分别为包气带下层的初始流域蓄水量（mm）、雨止时刻流域蓄水量（mm）；Rs、Rg分别为超渗地面径流和滴啊下水径流中能汇集至流域出口的部分（mm）；Rint为壤中水径流能够汇集至流域出口断面的部分（mm）；其他符号意义同前。

3流域产流模式

有流域产流机理发现，影响流域产流量的因子与其组成的径流成分有关。尽管流域产流量的组成情况可分为多种，但从影响流域产流量的因子来看却只能归纳为两种情况：一是影响因子为P、E、Wo；二是影响因子为P、E、Wo、i。

若流域产流量与降雨强度无关，则其一定包括地下水径流，地面径流可以为超渗地面径流，也可以为饱和地面径流，还可能包括壤中水径流。

若流域产流量与降雨强度有关，则其一定不包括地下水径流，地面径流一般为超渗地面径流，也可以为饱和地面径流，可以包括壤中水径流。

这两种模式就是我们传统意义上的“蓄满产流”模式和“超渗产流”模式。因此，区别两种产流模式的是影响流域产流量的因子，而不应将它们与产流机制或产流物理条件混淆。

4西巴漏河流域产流模式的资料准备

4.1资料的选取

2016年7月21日-24日西巴漏河流域出现强降雨后的两测流断面资料，如下表

2018年6月25日-27日和8月19日-22日西巴漏河流域出现两场强降雨后的两测流断面资料，如下表

4.2参数计算

1）产流面积Fc:针对本流域特征，认为降雨量小于5mm不产流。因雨量站建站时间不等，故按不同时期雨量站数划分泰森多边形，在该流域外选清泉、大北头、卢张、三德范、大冶5个雨量站。若某雨量站在次雨洪过程中降雨量小于5mm，则将该雨量站所代表面积予以扣除，依此计算产流面积。

2）面雨量P:计算出产流面积后，按泰森多边形加权平均求产流面积上的面平均雨量，即为面雨量P。

3）径流深R:由实测次洪水过程割除地下径流，得到地面径流过程。切割地下径流时

以洪水明显起涨点为起点，退水拐点为终点连、一直线，直线以下即为地下径流，予以扣

除。退水拐点的确定近三年的3场洪水过程拐点较明显的场次分析得知，以拐点流量占洪峰流量的10%左右夹确定较合理。将斜直线以上径流总量除以产流面积，即得本次降雨形成的径流深。

4）前期影响雨量Pa:

（1）

式中t－－本次降雨前天数，计至20d；

－－土壤含水量折减系数，统一取=0.85；

－－第7日降雨量与其所产生的径流深之差。

计算中，当>（土壤最大缺水量）时，取=。西巴漏河流域取=120mm。

5西巴漏河流域产流模式的选择

5.1Philip公式产流计算

t（2）

（3）

式中－－下渗率(mm/h)；

－－土壤最大缺水量；

－－前期影响雨量(mm)；

－－时间(h)；

－－入渗系数；

－－稳渗率(mm/h)。

参数，采用网格法和模式搜索法编制TrueBasic计算程序进行优选。各场次洪水参数最佳值由误差函数即目标函数（OF）最小来确定。

式中－－第i场洪水实测径流深(mm)

－－第i场洪水计算径流深(mm)

对，参数优选值进行拟合，并由拟合式所得值计算径流深，进而计算产流量，以检验拟合式准确度及模型计算精度。

参数拟合式为:

分散型（部分面积产流），以为参数。由下式确定:

（4）

（5）

采用分散型（部分面积产流）公示，进行推求后，产流系数为1.09。

以计算径流深所得的产流量绝对误差小于等于3%为合格标准，进行Philip分散型公式产流计算误差评定，所得结果如下表：

该公式计算合格率为46.7%。

5.2南京水文所公式（NRIHM）

流域空间平均损失率曲线与流域损失率空间分布曲线相结合，构成南京水文所产流计算模型，根据降水强度大于损失强度的原则进行时段产流量计算。在以地表径流为主的地区，采用一层模型，壤中流较丰富的地区采用两层模型。

一层模型采用两种损失率曲线（Philip下渗曲线与Horton下渗曲线）和两种损失率流域分布曲线（n次抛物线型与e指数型），按全流域分配曲线及部分流域分配曲线的不同组合，构成8种产流模型。对半干旱半湿润地区，采用稳渗率为零的Philip曲线与n次抛物线型的损失率全流域分布曲线相结合的产流计算模型较适宜，其计算式为：

（6）

式中－－时段产流量(mm)；

－－时段降雨量(mm)；

－－计算时段(h)；

－－t时刻下渗量(mm)；

－－时刻下渗量（mm）。

当t为计算起始时刻，则相应的为土壤前期影响雨量。当时，则有

具体计算时选取计算时段=1h，取=0.3，参数A可编制TrueBasic程序由计算机确定。

最终确定参数A拟合式为:

分散型（部分面积产流）

采用分散型（部分面积产流）公示，进行推求后，产流系数为1.15。

以计算径流深所得的产流量绝对误差小于等于3%为合格标准，进行南京水文所分散型公式产流计算误差评定，所得结果如下表：

本模型计算合格率为70.0%。

5.3SCS模型

SCS模型降雨径流基本关系为:

（7）

式中－－降雨量（mm）；

－－径流量（mm）；

－－初损（mm）；

－－扣损量（mm）；

－－流域当时可能滞留量（mm）。

对一次降雨，按水量平衡原理=++，并考虑初损未满足时不产流，得:

（8）

式中参数影响因素复杂，变化幅度大，不便取值。为此，模型制作者引入一元因次参数，称曲线编号（CurveNumber）。并规定:

（9）

是反映降雨前流域特征的一个综合参数，与流域前期土壤湿润状况（AMC）、坡度、植被、土壤类型和土地利用方式有关。实际应用时，根据流域特征，查得值，求出流域平均的值后，可由次降雨求出产流量。

对我国半干旱半湿润地区，用前5天雨量作为前期土壤湿润程度的判定标准不很贴切，宜用前期影响雨量划分。统计各场次雨洪前期影响雨量，综合分析得流域AMC等级及相应的各种地类值表。如表1、表2。

表1AMC等级表（生长期）

表2CN值表

西巴漏河流域土地类型及土地利用状况，2016-2018年有关部门进行了调查，其基本情况见表3。

表3土地利用状况

应用上述成果，进行产流计算，采用SCS模型公示，进行推求后，产流系数为1.13。

以计算径流深所得的产流量绝对误差小于等于3%为合格标准，进行SCS模型公式产流计算误差评定，所得结果如下表：

SCS模型公式产流计算结果

其结果表明，本模型计算合格率为56.7%。

6结论

文中采用三种特色各异的方法进行了西巴漏河流域产流计算。各方法计算合格率是Philip分散型公式为46.7%，SCS模型为56.7%，南京水文所分散型公式为70.0%。

SCS模型充分考虑了流域下垫面特点，Philip公式应用较广，对均质土壤适用性很好，南京水文所公式（NRIHM）从流域水文尺度观点出发，将流域损失率的空间分布与流域下渗损失曲线结合（即n次抛物线型的损失率全流域分布曲线与Philip型下渗曲线相结合）进行产流计算，模型弹性较大，适用性较好。加之较好地处理了西巴漏河流域产流参数的综合，模型在该流域计算精度较高。

据此，推荐南京水文所公式（NRIHM）为西巴漏河流域产流计算模型。

参考文献

[1]朱晓原,张留柱.水文测验实用手册[M].北京:中国水利水电出版社,2013.

[2]GB50179-2015,河流流量测验规范[S].

[3]SL247-2012,水文资料整编规范[S].

作者简介

张明（1981-），男，山东济南人，工程师，本科，主要水文水资源管理工作。