改进垂向混合产流模型在营口洪水模拟中的应用

王海龙

（辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115000）

1 研究流域概况

近些年来，随着极端气候天气频发，营口地区的暴雨洪水频率也逐步增多，为有效应对洪水，需要对洪水进行精准预报，提高区域防洪决策的科学性。营口地区常用的洪水预报方案为降雨径流经验关系，这种方式需要采用较长的实测数据系列，且需要对降雨径流经验关系进行多次修订［1-2］。当前，水文模型的多样化已逐步为区域洪水的精准预报提供了较好的模拟平台［3］，这其中改进的垂向混合产流模型由于垂直方向可综合考虑超渗和蓄满产流机制，在北方地区适用性较好［4-9］，但在营口地区还未得到相关应用，本文结合改进的垂向混合产流模型，以营口地区典型水文站熊岳站15场实测洪水数据，分析该模型的适用性。研究成果对于营口地区洪水预报方案制定具有重要参考价值。

本文以熊岳站为研究实例，熊岳站位于熊岳河上，熊岳河位于盖州市熊岳镇。上游分南北两支，南支（主支）发源于杨运乡老帽山，北支发源于老平顶，河长44.2km，流域面积352km2，河道平均比降0.315%，熊岳水文站断面以上面积307km2，河长南支29.2km、北支28.2km。该流域植被良好，包气带较薄，地下水埋藏较深，熊岳镇东南的熊岳河谷有丰富的地下温泉。该流域处于中纬度地区，属暖温带半湿润季风性气候，四季分明。春季少雨多风，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥。本流域暴雨多数为西风带系统造成。本流域暴雨中心往往出现在上游八道河一带，八道河24 h最大降雨量289.9mm （1981年7月27日），本流域年最大降雨量1088.9mm（1964年），最小降雨量355.4mm（1944年）多年平均降雨量为702mm。

2 改进垂向混合产流模型原理

垂向混合产流中蓄满、超渗的流域面积比例是随前期土壤含水量和下渗水量的变化而改变，如式（1）：

式中 α为蓄满产流的面积比例系数； FA为实际下渗量（mm）；Wmm为流域最大蓄水量（mm）； α为相应于初始土壤平均含水量为W时的纵坐标值；B为流域蓄水容量分布曲线指数。采用具有流域分布特征的格林—安普特下渗曲线，计算如式（2）～式（4）：

实际下渗量：

地面径流：RS=PE-FA

式中 FM为流域平均下渗能力 （mm）；FC为稳定下渗率（mm/s）；WM为流域平均蓄水容量（mm）；W为流域实际土壤含水量（mm）；KF为土壤缺水量对下渗率影响的灵敏系数；BF为反映下渗能力空间分布特征的参数；PE为扣除雨间蒸发的降雨（mm）；RS为地面径流（mm）。

在产流计算的基础上，对其水源进行划分，进入地面以下的水流RR首先补充自由水蓄水量S（mm），然后按照出流系数对壤中流和地下径流进行划分，划分方程如式（3）～式（5）：

式中 St为t时段达到自由水的蓄水量（mm）；St-1为t-1时段达到自由水的蓄水量（mm）；RIt及RGt分别为t时段壤中流及地下径流；KI，KG分别为两种水源的出流系数。

传统垂向混合产流在水源划分时地面以下径流主要划分为壤中流和地下径流两种水源，而由于在干旱半干旱地区，其土壤蓄水容量一般较大，且由于降雨和下垫面时空分布的不均匀性，土壤缺水量较小的区域遭遇一定量级的降水后其较易形成饱和地面径流。为此运用三水源新安江结构对垂向混合产流模型的水源结构进行改进，划分为饱和地表、壤中及地下径流3种水源，如图1。

图1 新安江三水源划分结构

3 模型应用

结合熊岳站1964～2017年实测径流资料，对改进模型参数进行率定，参数率定结果如表1。

表1 改进模型参数率定成果

结合熊岳站1964～2017年15场典型洪水，对比改进垂向混合产流模型在营口地区洪水模拟精度，结果如表2，并选取6场典型洪水分析改进前后垂向混合产流模型洪水过程的模拟结果，如图2。

表2 改进前后垂向混合产流模型模拟精度对比

续表2

图2 垂向混合产流模型典型洪水模拟

从表2可看出，改进后垂向混合产流相比于改进前，在熊岳站洪水模拟各项评价指标中都有明显改善，其中确定性系数是表示洪水过程模拟精度的高低。改进的垂向混合产流模型的15场洪水确定性系数均值为0.738，相比于原模型提高0.295，在洪峰和洪量误差上，改进模型也较原模型有较为明显的改善，原模型洪峰和洪量误差均在20%以上，而改进模型在20%以内，相比于原模型，改进模型洪峰和洪量均值分别提高9.5%和10.8%。从峰现时间合格率上，改进的垂向混合产流模型也较原模型有明显改善，峰现时间合格率提高40%。这主要是改进的垂向混合模型综合考虑饱和地面径流，较原模型在水源结构上有所改善，更适合于北方地区有降雨径流的变化特性。从图2中选取的6场典型洪水可看出，各场次洪水实测值和模拟值的吻合度都较高，改进的垂向混合产流模型适合于营口地区的洪水模拟。

4 结语

（1） 改进的垂向混合产流模型由于综合考虑饱和地面径流，改善传统模型的水源划分结果，在熊岳站模拟精度都较原模型有较大程度改善，更适用于营口地区的洪水模拟。

（2） 由于本文选取站点较少，在以后研究中还需引入更多的站点，从而充分论证改进垂向混合产流模型在营口地区洪水模拟的适用性。