流域产汇流过程的理论探讨及其应用

【摘要】： 流域水文模型是洪水预报的主要工具,是减免洪水损失非常重要的非工程措施,也是合理利用水能、水资源的非工程措施。无论是重大问题的决策、水利工程的运行,还是防洪抗旱等均离不开水文模型的支撑。 在我国半干旱半湿润地区,现有的水文模型难以取得比较满意的结果。本文选择半干旱半湿润典型代表区海河流域为研究对象,通过对流域降雨径流响应的分析,初步确定了流域的产汇流机制以及影响产汇流参数的因素,据此建立了流域产汇流模型,并对模型进行了参数率定和验证。模型在海河流域下垫面变化对洪水径流的影响分析中得到了应用。主要研究成果如下: (1)通过分析流域径流对降雨的响应,认为流域的产流机制并非单一,而是与降雨特性和初始土壤含水量有关,如果降雨强度较小、初始土壤含水量高,以蓄满产流方式为主;降雨强度大、初始土壤含水量低,以超渗产流方式为主。结合土壤的大孔隙下渗原理建立了流域大孔隙超渗和大孔隙蓄满产汇流模型,在柳河流域和紫荆关流域得到了验证。 (2)汇流单位线决定了径流模拟的精度,采用实测降雨径流资料,通过基流分割和净雨计算来推求的单位线,由于暴雨量级和暴雨中心位置不同,单位线的形状也不同。SCS无因次单位线和由概率密度函数推求的单位线在无资料地区是一种有效的汇流计算途径。 (3)为了提高模型参数率定的效率,对模型中的参数采用RSA和Sobol’两种全局灵敏度分析方法进行了参数灵敏度分析,两种方法在确定性系数、径流总量误差、相关系数和均方差等不同的目标函数控制条件下所得的结果基本一致。这样,对模型中较为敏感的参数进行率定,不敏感的参数采用经验值即可。RSA法率定的参数不是一个最优值,而是对参数值一个较小范围的确定,避免了参数的局部最优解。 (4)选择下垫面变化较大的海河流域为研究对象,分析了其子流域柳河流域和紫荆关流域的下垫面变化对产汇流因子的影响。在柳河流域和紫荆关流域分别率定了大孔隙蓄满产汇流模型和大孔隙超渗产汇流模型在80年代前和90年代后的两组参数,用这两组参数分别模拟历史洪水。结果表明,由于下垫面的变化,相同降雨情况下90年代后的洪峰流量和洪水总量比80年代前有所减小,在柳河流域分别平均减少4.9%和1.7%,在紫荆关流域分别平均减少4.8%和1.7%。