垂向混合产流模型在清河水库流域的改进应用

姜玉婷

（辽宁省清河水库管理局，辽宁 铁岭 112003）

1 模型简介

垂向混合产流模型[1]是在考虑到流域上一场降雨产生蓄满产流和超渗产流并存的条件下，把流域蓄水容量～面积分布曲线和下渗能力分布曲线结合而成的一种垂向混合产流模式。该模型通过具有空间分布的下渗能力分布曲线，把降雨分为地面径流和下渗水流；考虑到雨强和下渗能力因素，地面径流采用超渗产流模式；同时考虑到前期土壤含水量和下渗水量产生的地下径流和壤中流，下渗水流采用蓄满产流模式。

2 模型计算流程

1）流域蒸散发计算：传统的水文模型蒸发量是以器皿观测蒸发量，乘以蒸散发折算系数K，这样单一的蒸发折算系数忽略了蒸发与季节、下垫面的时空变化关系，同时对于我国东北地区特有的气候条件和下垫面变化条件，将模型蒸散发计算进行改进，采用具有物理基础的双源蒸散发能力计算模型[2]，对流域进行蒸散发能力计算，从而分时段率定蒸散发折算系数K值。

双源蒸散发，即根据GIS技术和遥感技术计算植被蒸腾能力EPC、土壤蒸发能力EPC和水面蒸发能力Er。根据计算的全流域蒸散发能力，对K值进行率定。

2）流域产流计算：混合产流下渗计算，根据改进后的格林—安普特下渗公式[3]（如式1），计算流域实际下渗率FC。

式中FM——流域平均下渗速率，mm/min；fc——稳定下渗率；KF——渗透系数；PE——净雨量；FC——流域实际下渗率；Fmm——流域最大下渗能力，mm/min；FT——累积下渗量；T——产流历时；F△t—— △t时间内平均下渗量；△F——下渗量误差；1/2Ft——△t时间历时一半时平均下渗量。

同时考虑到高纬度寒冷地区的冻土层，对下渗具有着不同的特点和规律，其所具有的季节变化性、不透水性、抑制蒸发性和蓄水性直接影响到降雨产流量的大小，对下渗进行改进应用，提出分时段下渗计算公式，对于冻土融冻期，用平割法计算平均下渗量（如公式4），累积下渗量通过选择降雨强度大，历时短的资料进行分析计算。冻土期下渗率考虑为零，土壤解冻后仍然按改进后的格林-安普特公式进行计算。

根据图1：可知当净雨PE到达地面，若其强度大于下渗能力，则产生地面径流RS=PE-FA。

其中下渗的水量在缺水量大的土壤中补充土壤缺水量△W，在缺水量少的地方补充完缺水量后，多余水量则产生地面以下径流RR。

即当 FA+a＜WM（B+1）时：

式中RS——地面径流；RR——地面以下径流；FA——下渗水量；WM——流域平均蓄水容量，mm；W——流域实际土壤含水量；a——相应于初始土壤平均含水量的最大值；B——蓄水容量分布曲线指数。

3）分水源、坡面汇流和河网汇流三部分计算：首先将流域划分为多个小单元，净雨经产流计算产生地面径流RS和地面以下径流RR，地面径流经坡面汇流至单元出口进入河网，再经河网汇流到达流域出口断面。地面以下径流经分水源计算产生壤中流RI和地下径流RG，后汇流到达单元出口至河网，继而经河网汇流到达流域出口。模型中汇流计算均采用线性水库汇流计算，河网汇流采用马斯京根法分时段计算。考虑到清河水库流域特有的地域特点，将水库上游八棵树和耿王庄两站进行断面计算，共分成三部分进行汇流计算，即八棵树、耿王庄和清河区间，先进行上断面来水量计算，然后将八棵树和耿王庄来水量进行河道汇流至清河坝上。

图1 垂向结合法结构图

图1中F为流域上某点的下渗能力；α为下渗小于F的面积比例；W′为流域上某点的土壤含水量；△W为土壤缺水量；β为土壤含水量小于W′的面积比例。

3 模型的应用

通过垂向混合产流模型，对清河水库流域进行洪水模拟计算，选取1964-2010年流域各站日降雨量、日蒸发资料和八棵树、耿王庄2个入库控制站断面流量资料，同时选取清河站1964—2010年32场洪水资料。通过以上资料对模型进行参数率定及次洪率定期和检验检验期计算。清河次洪改进前、后，模拟结果对比见表1。

表1 清河次洪改进前后模拟结果对比

分析次洪模拟结果，表中出现一些场次降雨量小于实测径流深，其原因有：清河流域面积较大，雨量站少，致使暴雨中心的雨量不能准确获得，从而使计算的平均降雨量偏小。同时测报数据的误差也可能影响到降雨资料。

根据模拟计算结果分析，对垂向混合产流模型进行改进后的洪水计算结果更好，确定性系数由原来的平均0.624，提高到0.851，32场洪水合格率由原来的0.63，提高到0.88，说明改进后的产流模型对清河水库流域特有的气候特点适应性较强，模拟效果也更好。混合产流模型在该地区的应用可以为类似地区的产流分析提供借鉴。

[1]包为民，王从良.垂向混合产流模型及应用[J].水文，l997（3）：18-21.

[2]莫兴国，林忠辉.基于Penman-Monteith公式的双源模型的改进[J].水利学报，2000，5：6-11.

[3]包为民.格林—安普特下渗曲线的改进应用[J].人民黄河，1993（9）.

[4]包为民.新安江模型参数的自动率定[J].河海大学学报，1986，14（4）：22-29.

[5]肖迪芳,陈培竹.冻土影响下的降雨径流关系[J].水文，1983（2）.

[6]张波，马得莲.新安江模型在富水水库流域洪水预报中的应用[J].水电能源科学，2010，28（4）：49-51.