XX温榆河上游流域WDHM模型的原理及建立-论文

1 / 7 榆河上游流域 型的原理及建立（唐莉华 张思聪 高振宇 郭金燕 康德勇） 摘要：针时 温榆河上游流域的下垫面条件 , 采用数学物理方程 , 建立了机理性的分布式水文模型 描述次降雨条件下的植被截留、土攘入渗、地表产汇流及河道汇流等水文过程 ,并用 1998 年和 2000 年的 2 场较大洪水进行了模型的参数率定和检验。 关键词：分布式水文模型 温榆河上游 下垫面 温榆河是惟一一条发源于 全长 源于昌平 , 途经顺义、朝阳到达通州。温榆河有一定的水资源量 , 加上一 定的再生水资源 , 具备形成绿色生态景观河道并有进一步开发利用的条件 , 对成功举办奥运创造优美环境具有重要意义 , 但其防洪安全是个重要问题。 随着城市化进程的加快、农村种植结构的调整以及水资源的开发利用 , 温榆河流域的下垫面状况发生了很大的改变 , 也影响了该地区的降雨径流过程。传统的水文分析方法 , 如数理统计法和排涝公式法等 , 已不能完全满足现实的要求。需要应用现代水文方法 , 即通过流域水文模拟 ,特别是和 结合的分布式水文模型方法 , 把下垫面情况较准确地考虑进去 , 计算分析不同下垫面的产流汇流规律 , 得到不同频率降雨情况下的洪水要素 , 为防洪设计及规划2 / 7 工作服务。 为此 , 由 水务局下达 , 水利规划设计研究院和清华大学水文水资源研究所合作进行 “ 下垫面变化地区降雨产汇流规律研究 ” 。于 2003间在温榆河上游1099应用该模型分析北沙河、东沙河和南沙河在不同下垫面条件下的降雨径流关系 , 并对不同设计降雨频率进行了洪水要素的计算分析 ,为 计提供科 学的决策依据。 1 研究区概况 温榆河属于海河流域的北运河水系 , 沙河闸以上包括东沙河、北沙河和南沙河等几条较大支流 , 汇水面积约1099跨 昌平、延庆和海淀 3 个区县 , 高程大于100研究区面积的 平原区面积约 研究区域属于温带大陆性季风气候 , 多年平均降雨量为 年内降雨变化极不均匀 , 降雨多集中在汛期6 , 约占全年的 84%, 其中又以 7、 8 月份最多。年际间降雨也不平衡 , 丰枯水年份连续或交错出现 。年蒸发较大 , 多年平均为 区域内的洪水类型主要为暴雨洪水。由于山区山高坡陡、支流众多、源短流急 ,洪水过程陡涨陡落 , 平原区纵坡较缓 , 又有大支流汇入 , 历史上洪涝3 / 7 灾害较为严重。流域内洪水发生的时间和暴雨一致 , 也集中在 7、 8 两个月 , 较大洪峰常由 24h 降雨量形成。山区洪水过程具有 峰形尖瘦、陡涨陡落等特点。 型结构建立 本研究建立的温榆河流域分布式水文模型 考虑了次降雨产汇流的主要水文过程 , 模型计算流程见图 1,包括林冠截留、土壤入渗、坡面径流及河网汇流等子模型 ,简单分 述如下 : (1)林冠截留模型 :林冠截留是林冠在短时间内截留并释放出雨水的现象 , 与土壤的入渗现象很相似 , 即降雨初期林冠具有初始截留强度 ;当林冠饱和后 , 仍有一定的截留能力 , 即稳定截留强度 , 分别相当于土壤入渗过程中的初始下渗率和稳定下渗率。因此 , 可以采用霍顿 (入渗理论来描述林冠截留过程。截留参数可根据试验观测资料获取。 (2)土壤入渗模型 :土坡对降水有一个再分配的过程 ,即经植被截留后的降雨降到土壤表面 , 一部分形成地表径流 , 另一部分被土城吸收 , 即入渗到土壤中。本研究中 , 流域的 产汇流计算采用分布式水文模型 , 由于该模型所划分的流域单元坡面上 , 下垫面条件较为单一 , 可以采用基于物理机理的计算模型。本研究中采用了模拟较为精确的型计算土坡的垂直入渗过程。 4 / 7 (3)坡面产汇流模型 :有研究表明 , 坡面产汇流可视为非恒定的薄层水流运动 ,可应用 程 , 建立运动波模型计算 , 降雨、入渗和植被截留等过程作为源汇项处理。不同坡度、土壤类型、土地利用等下垫面条件的影响通过对计算单元上相应参数的不同取值加以反映。 (4)河网汇流模型 :对于主要行洪河道和含砂石坑河 道以及人工排水沟渠的流动过程采用一维河网水动力学模型进行计算。坡面产汇流计算的流量、水位过程作为河网相应节点的输入。方程组的求解采用 报 研究区概化及数据预处理 研究区的地理信息、降雨数据、土地利用类型、土壤类型等数据 , 采用美国环境系统研究所 发的 美国农业部 (制的扩展模块行处理 , 形成模型所需要的数据格式 , 以 格式存储。 根据模型计算要求和流域地形特征 , 将温愉河上游流域划分成 26 个子流域 , 在子流域上划分 30m30m 的规则矩形网格 , 按照 确定流向 , 并进行坡面产汇流计算。各子流域在相应节点处与主要河网相连 , 其洪水过程作为河网节点的输入 ;十三陵水库、响潭水库和王家园水库的泄流5 / 7 也在相应位置以节点形式进入河网计算。图 2 为北沙河及东沙河的河网概化图 , 概化河网中还包括了采砂后留下的较大面积的砂石坑 , 将其视为特殊节点处理。 型的率定和检验 型的率定 选择 1998 年 7 月 5 日研究区的实测 降雨及洪水过程进行模型参数的率定。率定的参数包括 :截留衰减参数 a、土坡饱和入渗率 表及河道糙率 n 等。根据昌平区水务局对19980705 洪水峰值的调查估算以及采用比降法计算的结果 , 调整模型中各参数取值 , 计算的洪水过程见图 3。另根据沙河闸在这场洪水中的实测泄流过程和水库蓄水变化过程 , 可以反推求出沙河水库的入库流过程。与模型计算得到的洪水过程比较见图 3 和表 1。 据调查 , 由于沙河水库年年挖沙 , 使得水库库容加大 ,原来的库容 这可能是造成反推的入库过程来水时间提前、来水量偏大的 原因。 为了检验模型的正确性和参数的合理性 , 研究中采用 2种形式进行了模型的检验。首先根据 水文总站对十三陵水库上游锥石口小流域 (面积 19980705洪水中的调查及实测资料 , 进行小流域产汇流子模型的验证。结果见图 4 及表 2。 6 / 7 由于 19980705 洪水冲走了锥石口水文站的观测设备 ,水文总站的洪峰值是经过洪痕调查及十三陵水库水位推求得到的 , 具有较高的可靠性 , 本模型计算结果与其十分接近 , 而峰现时间是根据 1991 年及 1994 年的几场典型洪水倍比放大得到的 , 峰现时间并未与实 际发生时间苛求拟合。 其次是对整个研究区 , 根据 2000 年 7 月 4 日的实测降雨及洪水过程 , 进行了全模型的检验。计算洪水过程见图 5。计算的沙河闸入库流量过程与沙河水库的反推入库流过程的比较见图 5 和表 3。 根据计算结果与实测结果的比较 , 可以看出洪峰、洪量的误差均在 20%以内 , 满足水文预报规范要求 , 表明模型的设计及参数是比较合理的 , 可用于洪水预测预报计算。 结论 本文根据流域降雨产汇流机制 , 建立了温榆河上游流域分布式水文模型 拟降雨截留、土壤入渗、坡面产汇流及河网汇流等水文过程 , 能够较好地描 述流域下垫面条件。经过模型率定和检验 , 其结果