降雨径流相关模型（共6篇）
降雨径流相关模型 篇1
摘要：针对丹江口流域已有水文资料及流域气象特点,将该流域划分为12个单元区,建立降雨径流经验相关模型,应用于丹江口水库的短期洪水预报系统,并采用基于可变遗忘因子递推最小二乘算法的校正技术对预报流量过程进行实时校正。计算结果表明,基于降雨径流经验相关模型预报的洪水过程与实测过程基本一致,洪峰数值及峰现时间指标合格率较高。实践证明,模型具有较高的预报精度,可为防汛部门提供较为准确的降雨径流预报方法。
关键词：洪水预报,降雨径流相关模型,丹江口水库,短期预报
1 流域概况
汉江流域水系成叶脉状,自上而下主要支流有任河、洵河、甲河、堵河、丹江、南河、唐白河等。丹江口以上为上游,丹江口水利枢纽位于汉江与支流丹江汇合口下的丹江口市,水库控制流域面积95 200 km2。汉江流域属东亚副热带季风区,气旋雨较多,年降雨量为700～1 100 mm,自上而下递增。汛期降水约占全年降水的75%～80%,主要集中于5-10月,年降水量的变差系数Cv值为0.20～0.25。年径流的地区分布与降水量大体一致,由于陆地蒸发的地区分布于降水量相反,使得年径流深的地区分布不均匀。流域内径流深为300～900 mm。降雨径流在地域及时间分布上的不均匀性决定了水文预报[1,2]调度的重要性。主要承担防洪任务的丹江口水库加高后防洪标准提高到1 000年一遇,作为长江中下游的一道安全屏障为长江防洪减压,洪水预报决策支持系统对丹江口水库拦洪削峰作用的有效实施具有重要的意义。
2 模型建立
API(Antecedent Precipitation Index)模型又称前期影响雨量模型,以流域降雨产流的物理机理为基础,以主要影响因素作参变量,建立降雨量P与产流量R之间定量的相关关系。降雨-前期影响雨量-径流相关图[3]加经验单位线法在API模型的基础上作出适当简化及改进[4,5],广泛应用于我国洪水预报的实际生产项目。丹江口水库在多年洪水预报[6]的实践工作中已形成大量宝贵的预报经验及观测数据,本文在前人工作的基础之上进行分析归纳提炼总结,对基于该API模型的常规经验预报方法重新建立并完善,并构建一套适合计算机处理的短期洪水预报应用软件,该软件已与湖北电网水库调度自动化系统进行综合集成。实际应用效果证明,该模型运行稳定成果优良。预报模型的基本结构如图1所示。
如图1所示,降雨径流经验相关模型计算主要包括以下几个步骤。
(1)降雨量计算。各分区的有效降雨PE为降水量P与蒸发量E之差,即:
式中:PEt为t时段有效降雨量;Pt为t时段降水量;Et为t时段蒸发量。
式中:EMt为蒸散发能力,即蒸发器实测水面蒸发量;KC为流域蒸发能力系数。
(2)前期影响雨量计算。降雨开始时,流域内包气带土壤含水量的大小是影响降雨形成径流的一个重要因素。土壤含水量的实测资料很少,即使有也只能代表点的情况,不能代表土壤含水量在流域分布的复杂规律。因此,水文学上用间接的方法来表示流域的土壤含水量。目前,常用的方法有2种,一种是前期影响雨量Pa,另一种是流域的蓄水量W。前者计算公式如下:
式中:Pat为第t日的前期影响雨量,mm;K为土壤含水量的日消退系数。Pa值不应大于流域最大蓄水量Im。
(3)产流计算。流域产流影响因素众多,其机制和过程相当复杂。丹江口水库经过多年的实践,建立了基于降雨(P)、前期影响雨量(Pa)和产流量(R)3者关系的降雨径流经验相关图。图2绘制出丹江口水库流域1分区的Pa～P～R三变相相关图(其他2～12分区情况类似)。
根据任意前期影响雨量Pa(0≤Pa≤Im)和流域的降雨P,进行线性插值后便可计算出产流量R。
(4)径流划分。由于地面径流和地下径流的汇流特性不同,通过稳渗率fc可将总径流量R划分为地面径流RS和地下径流RG,即R=RS+RG,以便分别进行汇流计算。
按蓄满产流模型,只有当包气带达到田间持水量,即包气带蓄满后才产流,此时的下渗率为稳定下渗率fc,单位为mm/s。
当PΔt-EΔt ≥ fc Δt时,产生地面径流,下渗的水量fc Δt在产流面积上形成的地下径流RGΔt为:
当PΔt-EΔt<fc Δt时,不产生地面径流,PΔt-EΔt全部下渗,在产流面积上形成的地下径流RGΔt为:
(5)地面、地下径流汇流过程计算。丹江口以上流域面积大,降雨和损失不均匀,情况比较复杂。地面汇流采用经验单位线法,一般若降雨强度较大,则相应洪水大且汇流速度快,由此类洪水分析得出的时段单位线峰值较高,峰现时间较早;反之峰值较低,峰现时间滞后。当暴雨中心在上游时,由于汇流路径长,河网对洪水的调蓄作用大,分析的时段单位线峰值较低,峰现时间滞后;反之峰值较高,峰现时间较早。因此各分区单位线按暴雨中心位置和净雨量大小分类型编制,如图3所示。各分区针对不同的降雨特性选择不同的单位线进行地面汇流,得到地面汇流过程QS。
地下径流经过地下水库的调蓄作用(用消退系数KKG表示),成为地下水对河网的总入,其计算公式为:
式中:QGt为t时段地下径流对河网的总入流;KKG为地下径流的消退系数,经率定,丹江口流域取0.8;U为单位转换系数,U=A/(3.6Δt);A为区块面积。
将各分区的地面径流与地下径流线性叠加,即得各分区总的汇流过程。
3 实例应用与精度评定
由于丹江口水库以上流域面积较大,形状狭长,降雨极不均匀,在进行丹江口水库短期洪水预报系统的研制工作中,针对降雨径流经验相关方案以及各区域不同的水文气象特点,将水库以上流域分为12个经验分区分别考虑,沿河段的区间入流可简化为各单元支流的入口处。对于各个单区,产流采取降雨径流经验相关法,即根据该区前期土壤含水量指标及降雨量,利用该区降雨径流经验相关图P～Pa～R,查算出产流量R。地面汇流采取经验单位线汇流,地下径流采用线性水库进行汇流计算。
预报模型中单位计算时段长度的选择,对预报洪水的过程线形状以及洪峰大小均有较大影响。单位计算时段过长会使洪峰预报值偏小且洪水过程趋于坦化;若单位计算时段过短,预报洪水过程线易出现锯齿状,与实际不符。经过计算分析,本预报系统中丹江口水库洪水预报单位计算时段长度选取为3 h。根据产汇流模型得到各分区出口流量过程后,考虑安康、黄龙滩等水库的调蓄作用,采用合成流量法进行河道汇流,对分区预报流量过程错时线性叠加,得到预报演算控制点安康、白河的径流过程,最终计算出丹江口水库入库流量过程。
根据已有资料及作业预报经验,制定各分区出口至入库地点的洪水汇流时间,如表1所示。
根据表1的洪水汇流时间,采用合成流量法依次计算预报演算点安康、白河以及丹江口水库的入库流量。安康入库流量过程Qa(t)为:
根据安康水库的实时水位及调洪规程,采用相应泄流曲线,演算安康出库流量过程,同理可推得白河的入库流量过程Qb(t):
由白河的出库流量过程,即可推得丹江口水库的预报洪水入库过程Q(t):
式中:τi为第i分区至演算点的传播时间;Qi为第i分区的径流过程。
为保证洪水预报的精度,降低预报误差,需根据最新的预报信息对初步预报的成果进行实时滚动校正。丹江口水库短期洪水预报系统采用可变遗忘因子递推最小二乘算法进行预报结果校正,分析已发生时段的误差信息,滚动修正预报值,得到校正后的预报结果。丹江口水库某场次洪水短期预报成果如图4所示。
预报精度是评定预报成果可靠性的基本依据,本文研究的丹江口水库短期洪水预报系统预报成果的精度评定以《水文情报预报规范》(SL250-2000)的要求为依据。用确定性系数作为评价洪水预报过程与实测过程之间吻合程度的指标,同时还有洪峰流量误差、峰现时间误差和径流深误差等精度评定指标。对于合格的洪水预报方案,其洪水预报过程确定性系数应控制在0.8以上,洪峰流量、洪水总量允许相对误差为±20%,峰现时间允许误差为一个计算时段。
根据丹江口水库以上流域140多个雨量、流量及蒸发量观测站的观测资料,对12个干支流区多场洪水进行预报方案的拟合计算,同时对各场次的洪水预报方案进行精度评定。按照上述标准来评定丹江口水库历史洪水预报成果的精度,评定结果如表2所示,预报洪水过程与实测洪水过程的确定性系数较高,洪量、洪峰和峰现时间基本符合规范要求。个别场次洪水由于部分主要来水区间降雨分布较为不均,分区雨量的测算及单位线的选取存在偏差,导致洪峰流量等预报精度偏低。总体来看,30个评测方案仅4个不合格,合格率达87%;合格方案平均确定性系数为0.90。达到规范上的甲级预报标准,预报成果令人满意,说明该降雨径流经验相关法应用于丹江口水库短期洪水预报系统有效可行。
4 结 语
本文以湖北电网水库调度自动化系统建设项目为实例依托,在已有工作经验的基础上建立并完善了降雨径流经验相关模型,并采用可变遗忘因子递推最小二乘算法对预报值进行滚动校正,最终将其应用于丹江口水库短期洪水预报系统高级应用软件中。经过模拟预报30场次的历史洪水,方案的精度评定结果证明该方法具有较高的精度,可为丹江口水库及湖北电网水库群防洪调度提供良好的指导作用和数据支撑。
参考文献
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降雨径流相关模型 篇2
1 研究区域概况及数据获取
1.1 研究区域概况
本文所采用的研究区域是位于西藏昌都的左贡县城东北方向的若曲河流域。该地区位于E97°54′49.067″,N29°59′54.442″。电站位于左贡县城北10.23°偏东方向约38KM处,大坝坝址部位距河谷高程约3 870M(图1)。该地区位于横断山脉北部与念青唐古拉山东部的交汇处,山脉走向约为南东向,属于典型的高原山区地貌。研究区域最高海拔约5 479M,平均高程为4 725.42M,森林植被覆盖率约为50%,地表风化强烈,研究区域河流犬牙交错,共有大小河流81条,总里程1 463KM,年径流量达到32.8亿立方米,水资源十分丰富。
1.2 研究区域数据获取及预处理
本文通过下载ASTER GDEM数据[4](ASTER测绘数据覆盖范围广,从N83°到S83°的所有陆地区域几乎都能覆盖,覆盖面积达地球陆地表面的99%,是目前可以提供给应用人员最完整的全球数字高程数据),经过后处理用于地形和水文分析。该研究区域的数据级别为LEVEL1,根据首部的位置,以其为中心,下载2°×2°范围的Aster GDEM影像数据(N29°—30°,E97°—98°)[5]。该范围内包含的影像数据文件列于表1内。
将表中的4个分块影响进行拼接,生成整体影像(N29°—31°,E97°—98°)。然后采用该地区的流域矢量图对拼接好的影像进行掩膜处理,得出研究区域所对应的ASTER GDEM,如图2
2 HEC-HMS[6,7,8]模型的构建
以电站上游的集水区为研究区域,分别构建流域模型组件、气象模型组件和控制设定组件,完成若曲流域降雨径流的模拟。
2.1 流域模型组件
在HEC-HMS中可以通过模型编辑工具来构建流域模型组件。如图3
在图3中,构建的流域模型包含21个子集水区单元、10个渠道单元、8个汇流点及1个沉流单元,其中沉流点为流域出口断面。
2.2 气象模型组件
气象模型主要包括雨量计算和蒸(发)散量计算,雨量计算来自于降雨和融雪计算。由于该地区太阳直射较少,因此本文忽略了融雪和蒸(发)散的影响,在构建气象模型组件时采用Frequency Storm方法计算雨量。在所有子流域中使用该方法,所选用的参数是相同的。
2.3 控制设定
HEC-HMS的控制设定主要是对径流模拟的起始时刻、结束时刻及模拟径流的时间间距。在实际流域模拟的应用中,当改变模拟时间步长时,要对模型参数重新进行调整,以获取模型的最好效果,本文中的研究区域经过反复多次试验,最终确定将模型的模拟时间间距设定为1小时,模拟的效果能够达到最好状态。
3 降雨径流的模拟与分析
3.1 若曲河流域径流模拟[9]
中小流域的洪水估算主要是估算洪峰流量,用于设计涵洞、中小型桥梁、提防及其他排水工程、小型闸坝、溢洪道等。流域模拟结果子流域的洪峰量、流域出口处设计洪峰量和洪水过程线如图4、图5所示。
3.2 改变参数后结果分析
在现有条件下考虑若曲流域集水区将如何响应不透水面积的增加和河道休整的影响。保持气象模型和控制标准不变,在此条件下创建修正的流域模型ruo qu future,用以反映可预期的集水区变化。在汇流计算的过程中将子流域不透水区域的面积分别增加10%,子流域将河道曼宁系数由0.022 5改为0.017,模拟出口洪峰流量和洪水过程线如图6。
3.3 结果对比
集水区资源管理器的“Results”选项卡中同时打开两个模拟运行的结果进行对比。如图7和表2所示:
图中实线和虚线分别代表流域目前状态和将来条件改变情况下流域出口处的出流量。
4 总结
本文主要采用GIS水文模型的核心部件Archydro数据模型,用AsterGDEM数据生成基础地形数据,以 HEC-HMS软件为平台对数据进行处理和模拟,最后应用HEC-GeoHMS对流域地形进行分析和工程处理,提取水文参数,构建研究流域HEC-HMS模型,实现降雨径流模拟。通过试验表明,在可行性研究阶段,HEC-HMS模型能够较好的应用于降雨径流模拟。
参考文献
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双柏县降雨径流特性分析 篇3
1双柏县自然地理及水文气象概况
双柏县位于云南省中部, 楚雄彝族自治州境内南部, 东经101° 03′~102°02′, 北纬24°13′~24°55′之间, 东与易门、峨山隔绿汁江相望, 南邻新平, 西与镇沅、景东和哀牢山脉为界, 北连楚雄, 东北与禄丰接壤。县城妥甸镇居县境偏北, 北距州府楚雄市鹿城镇58 km, 距省府昆明193 km。全县总面积4 045 km2, 现辖妥甸、大庄、法脿、鄂嘉、大麦地5镇以及独田、爱尼山、安龙堡3乡, 共82个行政村, 2个居委会。
双柏县境河流水系均属红河流域上游段的礼社江区域。境内的河流都流归绿汁江、礼社江后在三江口处汇合出境, 流入红河。 境内主要河流有礼社江、马龙河、绿汁江和沙甸河。其中, 礼社江为红河上游段, 马龙河、绿汁江均为礼社江左岸一级支流, 沙甸河为绿汁江右岸一级支流、礼社江二级支流。
双柏县位于哀牢山以东, 金沙江与红河流域分水岭南侧, 具有 “山川相间、峡谷纵横、高差悬殊、北水南流”的区域地貌特点。最高点为西部的大梁山, 海拔2 946 m最低点为三江口, 海拔556 m。 地处低纬度地带, 属亚热带高原季风气候, 处于南亚热带过渡区北缘, 气候温和, 冬无严寒, 夏无酷暑。光照资源丰富, 雨热同季, 干湿季分明。立体气候明显, 气候资源类型多样, 素有“一山分四季, 十里不同天”之说。
双柏县多年平均气温15.1℃, 最冷月平均气温8.6℃, 最热月平均气温19.4℃, 历年极端最高气温31.0℃, 历年极端最低气温-4.4℃。降水量偏少, 无霜期长, 多年平均无霜期274 d。多年平均日照2 359.4 h, 多年平均蒸发量为1 950.6 mm (20 cm口径) , 多年平均风速3.1 m/s, 最多风向为SW风, 多年平均雷暴日数57.1 d。主要气象灾害有干旱、大风、洪涝、冰雹、雷暴等。
2基本资料
双柏县河流均属于红河流域, 北部与金沙江一级支流龙川江相邻。
红河流域内水文雨量站点较多, 大多建于20世纪六、七十年代, 这些站点均隶属于云南省水文水资源局。其中, 双柏县境内的鱼庄河支流上设有鱼庄河水文站、马龙河支流上设有小龙潭水文站、绿汁江支流上设有董户村和鸦勒2个水文站。境内还设有14个雨量站。收集有这些站点自建站以来至2012年的流量、降水资料。 另外, 还收集有双柏县周边礼社江干支流、龙川江干支流上8个水文站、23个雨量站自建站至2006年的流量、降水资料以及双柏气象站自建站至2012年, 双柏县周边的巍山、南涧、禄丰、弥渡4个气象站自建站至2006年的降水资料。站点分布示意见图1。
上述各水文、雨量、气象站是此次水文分析的主要参证站。云南省水利水电勘测设计研究院及昆明院等勘测设计单位曾在礼社江、绿汁江、龙川江流域水利、水电规划设计工作中先后对各站基础资料从测验、整编及面上做过复核, 认为各站观测资料成果精度较高, 能够满足分析要求。
3水资源分区
根据《全国水资源综合规划》以及《云南省水资源综合规划》的分区成果, 双柏县处于西南诸河一级水资源区、红河二级水资源区、元江三级水资源区, 境内分属红河上段和绿汁江两个四级水资源区。根据双柏县境内河流水系分布情况, 此次在云南省水资源分区成果的基础上, 将双柏县划分为5个水资源五级区, 分别为礼社江干流Ⅰ区、礼社江干流Ⅱ区、马龙河区、沙甸河区、绿汁江干流区。水资源分区情况见图2。以下降雨径流计算主要以各水资源分区、行政分区为计算单元。
4降水
4.1测站降水
此次对双柏县境内的小龙潭、鸦勒2个水文站, 双柏岔河、王家村、鄂嘉、马龙厂、草坝子、六纳、黑甫冲、大庄、狮子口、下珠蚱、克田共11个雨量站以及双柏气象站插补延长后的年降水系列进行频率计算, 线型为P-Ⅲ型曲线, Cs/Cv统一取为2倍, 通过经验适线, 得到不同雨量站的Cv值, 与《云南省楚雄彝族自治州水文手册》的附图《楚雄彝族自治州年降水量Cv图》 (资料采用至1992年) 的Cv值相差不大, 推荐采用此次计算结果, 如表1所示。
4.2区域降水与高程的关系
双柏县境内河流均属红河流域, 并有多条干支流属于跨县境河流, 因降雨径流特性从上游往下游具有连续性, 因此分析降雨径流特性也应整体考虑;此外, 邻近有金沙江支流龙川江, 因县境内水文站点较少, 将龙川江干流上的楚雄水文站、支流紫甸河上的凤屯水文站都纳入了分析范围。因此, 为支撑此次降雨径流分析计算, 除分析双柏县境内各片区的降水高程关系之外, 还分析了县境外邻近河流干支流的降水高程关系。
各降水高程分析区域的划分, 对于双柏县境内, 考虑到鱼庄河、沙甸河雨量站点相对较多, 具备独立分析的条件, 因此单独分析这两个流域的降水高程关系, 其中鱼庄河的降水高程关系可代表礼社江右岸的不管河-旧丈河-鱼庄河-小江河一带, 沙甸河的降水高程关系可代表双柏县东北片区整个沙甸河流域及其邻近的洒利黑河等流域;其他区域由于站点不全集中在某个流域, 因此分别划分为双柏西南、双柏东南以及马龙河中上游, 其中双柏西南代表的是礼社江左岸支流茅铺子河、石板河、马龙河下游 (小沙河汇口以下) 、绿汁江右岸支流克田河、仓房河、清水河等流域, 双柏东南代表的是绿汁江右岸支流红栗河、他此河、者都河、底土河、河口河、邦三河等流域, 马龙河中上游则代表的是小沙河汇口以上的马龙河流域, 该区域属跨境区域, 在双柏境内可代表西北片区小沙河附近的流域。对于跨双柏县境及境外的河流, 如礼社江上段扎江、 绿汁江干流 (从源头至汇口) 、龙川江上游、龙川江支流紫甸河, 雨量站点均较多, 因此分别单独分析各自流域的降水高程关系。
各区域降水高程关系分析成果如图3、表2所示。由分析成果可知, 各区域的降水~高程相关关系较好, 相关系数除沙甸河流域外, 都能达到0.90以上, 而沙甸河流域的相关系数也接近0.90, 表明各区域的降水与高程之间的关系是具有一定的规律性的。
4.3区域降水统计规律
4.3.1多年平均面雨量
根据此次分析得到的各区域降水~高程关系分析成果, 按各分区所在区域, 按其流域平均高程查算得到面雨量。若水资源分区包含若干个降水高程关系区域, 则按照面积加权的方法统计得到。
4.3.2统计参数Cv、Cs/Cv值
降水量Cs/Cv值统一采用为2倍。
降水量Cv值采用两种方法进行计算, 方法一是根据《云南省楚雄彝族自治州水文手册》的附图《楚雄彝族自治州年降水量Cv图》 (资料采用至1992年) , 采用面积加权的方式计算得到;方法二是考虑各个雨量站的Cv值综合取值, 二者差别不大, 推荐采用方法二成果。各分区降水统计参数成果如表3所示。
5径流
5.1测站径流
水文站径流资料年限统一采用1960—2012年。涉及红河上游礼社江干流的大东勇、支流鱼庄河上的鱼庄河水文站、马龙河上的小龙潭水文站、绿汁江上的鸦勒水文站, 以及邻近金沙江一级支流龙川江上的楚雄水文站、龙川江一级支流紫甸河上的凤屯水文站。根据各水文站1960—2012年的径流系列按P-Ⅲ型曲线进行频率分析, 成果如表4所示。
5.2各分区径流统计规律
5.2.1多年平均径流
双柏县水资源主要由降水产生, 径流与降水关系密切。多年平均径流计算, 考虑研究该区域径流与降水、面积等因素的关系, 建立地区综合公式, 进而推算各分区的径流 (即地表水资源量) 。
表5为各水文站降雨径流分析成果, 是地区综合分析的基础。 其中流域平均高程根据GIS软件量算而得, 根据流域平均高程和前述分析的降水~高程关系, 可推求出面雨量。多年平均流量由前述的1960—2012年径流系列得到。
影响流域径流量的因素很多, 但最直接和明显的因素为集水面积和降水量。根据以上分析成果, 认为径流深不仅与降水量有关, 还与集水面积有关, 按各站径流深、降水量及集水面积成果进行二元幂函数回归分析, 经分析相关关系较好, 复相关系数为0.989, 分析得到的径流与面积、降水的关系成果如式 (1) 所示。
其中:R为多年平均径流深 (mm) ;
P为多年平均降水量 (mm) ;
F为集水面积 (km2) 。
各行政分区及各水资源分区的多年平均流量及水量, 原则上根据上述二元回归地区综合公式推求得到, 并对不合理之处进行微调。
5.2.2统计参数Cv、Cs/Cv值
径流Cs/Cv值统一采用2倍。
径流变差系数Cv值的确定, 同样采用地区综合法进行分析。
根据表5中各水文站的径流统计参数分析成果, 分别按降水与Cv、径流与Cv、集水面积与Cv进行一元回归相关分析, 成果表明, 双柏县境内及周边的径流Cv值与集水面积相关关系较差, 不予考虑。降水量、径流深与Cv值的相关关系较好, 其中降水量与Cv值的关系更好, 从点据分布的情况可以看出降水量与Cv值之间有较明显的变化规律, 推荐采用。
各分区的径流统计参数如表6、表7所示。
6降雨径流特性分析结论
根据双柏气象站1959—2012年降水资料统计, 5~10月降水量为805.4 mm, 占年降水的85.4%, 其中6~8月降水最为集中, 这3个月降水为515.1 mm, 占年降水的54.6%;11月至次年4月降水量为137.5 mm, 仅为年降水的14.6%。双柏县降水年内分布特征基本可以此为代表。
双柏县地处哀牢山脉东麓, 对于云南省夏季, 多为西南暖湿气流控制, 相对西南暖湿气流而言, 双柏位于背风坡, 因此双柏降水比相邻但位于哀牢山以西的景东、镇沅要小很多。需要注意的是, 双柏县虽位于西南气流的背风坡, 但境内地理环境复杂, 导致境内降水的空间分布复杂。从降水的空间分布上看, 双柏县降水量随海拔变化特征明显, 海拔越高, 降水量越大, 降水量在区域面上的分布特性大致趋势是由西向东递减, 降水高值区多出现在水汽来源大的迎风坡和高山区。全县境内多年平均面雨量927.9 mm, 降水量的年际变化不大, Cv值在0.20~0.23之间。从各行政分区降水量分布来看, 鄂嘉镇年降水量最多, 约为1 313 mm, 大庄镇降水量最少, 约为828 mm, 其余地区降水量在829 ~909 mm之间。
双柏县水资源主要由降雨产生, 全县境内多年平均地表水资源量94 167万m3, 全县多年平均径流深233 mm。按2010年全县人口与耕地指标统计, 人均水资源量5 884 m3, 高于全国平均水平。
从径流的年际变化来看, 径流量的年际变化存在较明显的地区差异, 其中位于礼社江右岸的不管河-旧丈河-鱼庄河-小江河一带 (鄂嘉镇) 径流年际变化较小, Cv值在0.17~0.27之间, 平均为0.23;其余地区均位于礼社江左岸, 径流年际变化较大, Cv值在0.57~0.67之间, 平均为0.62;丰、平、枯水年周期性交替变化。从径流的年内分配来看, 由于境内河流基本都是雨水补给水源类型, 径流年内分配与降雨年内分配情况基本一致, 主要集中在雨季, 尤以6~10月的径流量最大, 其中不管河-旧丈河-鱼庄河-小江河一带径流年内分配相对均匀, 6~10月约占全年总径流量的59.8%;其余地区6~10月约占全年总径流量的75.5%~79.4%。
从径流的空间分布上看, 全县径流深分布不均, 基本与该县降雨量的空间分布保持一致, 总体呈现出随海拔高程变化趋势明显, 海拔越高, 径流深值越大的趋势。县境内的5个水资源分区中, 礼社江干流Ⅰ区、礼社江干流Ⅱ区、马龙河区、沙甸河区、绿汁江干流区多年平均径流深分别为563 mm、189 mm、162 mm、162 mm、147 mm。礼社江左右岸径流深差异较大, 右岸不管河-旧丈河-鱼庄河-小江河一带 (鄂嘉镇) 高程较高 (1 700~2 100 m之间) , 雨量丰沛 (1 300~1 500 mm之间) , 径流系数较大 (0.60~0.65之间) , 径流深较大, 在800~900 mm之间, 全县降雨、径流深最高值出现在这一带的小江河支流纳嫩河, 其流域平均高程最高, 为2 041.5 m, 相应的面雨量、径流深也最高, 分别为1 428.8 mm、884.0 mm; 双柏县其他地区均位于礼社江左岸, 高程 (1 300~2 000 m之间) 、降水量 (700~1000 mm之间) 、径流系数 (0.15~0.35之间) 、径流深 (100~300 mm之间) 总体小于右岸, 全县径流深最低值出现在绿汁江流域, 该流域在双柏县境内流域平均高程为1 575.8 m, 面雨量为858.5 mm, 径流深为133 mm。
7结语
文章依托双柏县水资源综合利用规划项目, 根据收集到的双柏境内外的水文气象资料, 对双柏县进行水资源调查评价, 分析总结双柏县降雨径流时空分布特性。按照其降雨径流特性, 可为后续的水文分析计算奠定基础、提供依据, 从而得到合理的水资源配置方案, 使全县水资源供需基本平衡, 水资源可以得到有效保护及合理的开发利用, 对改善全县生活生产条件、促进当地经济社会发展有积极作用。
摘要：双柏县位于云南省楚雄州南部, 地处滇中腹地, 哀牢山脉以东, 金沙江与红河水系分水岭南侧。境内河流均属于红河流域。该文依托双柏县水资源调查评价, 根据收集到的双柏境内及其邻近区域的水文、气象、雨量站点资料, 分析双柏县及其周边区域降水随高程的变化规律, 据此分析境内各水资源分区、行政分区的多年平均面雨量以及降水统计规律。在降水分析的基础上, 根据地区综合分析方法, 分析各分区的多年平均径流以及径流统计规律。根据上述分析成果, 可总结得到双柏县多年平均面雨量、地表水资源总量、降水、径流的时空分布特性。
关键词：双柏县,降水,径流,水资源量,特性分析
参考文献
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[5]刘金铎, 夏建荣, 胡贤群.基于Arc Hydro Tools流域特征参数快速提取过程——以双柏县32条河为例[C]//云南省水利学会2014年度学术交流会论文集.昆明:云南省水利学会, 2014:1-7.
降雨径流型洪水预报方法实例分析 篇4
关键词：中小流域,下垫面,产汇流影响,相关图,预报模型
1降雨径流预报介绍
针对某一流域, 降雨须经过蒸发、下渗、坡地产流和河槽汇流几个阶段才能形成一次洪水过程, 见图1。
一次降雨形成径流可分为地面径流 (图2中1、2部分) 和地下径流 (图2中3、4部分) , 地下径流分浅层和深层地下径流, 深层地下径流由前期降雨形成。降雨径流预报法就是根据已知降雨情况来推求其产生的洪水过程。
2降雨径流预报影响因素
自然地理、气象和土壤湿润程度是影响降雨在地面形成径流的主要因素。气象因素包括降雨量级、强度、降雨在时间和空间上的分布等;流域自然地理特性包括流域面积、植被覆盖率、土壤结构等;流域降雨前期土壤湿润情况是影响降雨产流的重要因素, 因为其直接决定着下渗损失雨量的大小。上述影响因素成因复杂, 均难以定量掌握。
3示例流域介绍
永翠河流域位于伊春市带岭区, 流域面积约677km2, 河长67km。流域地貌属小兴安岭山地, 植被良好, 地下水丰富。流域为黑龙江省暴雨中心之一。流域位于黑龙江省多年冻土分区南部边缘, 年内土壤11月结冻, 第二年4月解冻。一些山地阴坡或塔头地带, 年内始终存在小兴安岭岛状冻土, 最大冻土深约2.5m, 冻土总体分布自上游至下游面积、深度逐渐减小。流域冻土导致降雨下渗异常, 透水较差, 冻土融冻时吸收热量, 抑制蒸发, 实际蒸发小于正常蒸发, 土壤含水量大于无冻土区。该区域因冻土存在使降雨下渗情况更加区域复杂化, 难以用单一方法来预报其降雨产流过程。
4预报方法介绍
流域下垫面影响因素复杂, 其产汇流规律复杂多变, 根据流域特性, 采用降雨~洪峰流量相关图和拟合预报方程法来预报流域洪峰流量。
4.1相关图绘制
预报影响因素之间的经验相关图间接反应了因素对洪水的影响情况, 在明确主要影响预报要素因子时该方法是较实用的预报方法。经分析, 选择场次降雨量和流域前期土壤含水量与洪峰流量建立相关关系 (见图3) , 相关点据48个。图3点据分四个带状, 共定出4条相关线。1、2号线间部分点据降雨强度均小于0.5mm/h, 降雨中心多数在流域上游区域, 洪峰流量偏小。2、3号线间降雨强度在0.5-1.0mm/h之间, 降雨中心在流域中、下游。3、4号线间降雨强度在1.0-8.0mm/h之间, 洪峰流量与同级降雨相比偏大。
4.2回归方程模型法预报
选择上述实测点据, 利用降雨强度 (pi) 、流域冻土深度 (hi) 、平均雨量、前期土壤含水量 (Pa) 与洪峰流量 (qm) 建立相关拟合分析方程。预报方程为:
式中:X为系数, C为常数, 利用实测点据率定出方程系数后预报方程为:。洪水拟合见表1, 合格率为62%, 达到丙级预报标准。
5结束语
(1) 受冻土影响流域的下垫面环境复杂多变, 在降雨蓄渗、产流方面直接影响着流域洪水规律特征。由于冻土分布面积和埋藏深度的不确定性, 使得传统单一理论的洪水预报方法难以在该流域得以应用, 因此, 必须考虑采用多种方法结合使用来进行冻土影响流域的洪水预报。
(2) 文章所述洪水预报方法在实际工作中得到较好的应用效果。实际使用时首先根据流域的值、降雨强度和降雨中心位置等参数, 在相关图上选择适宜的线型初步确定预报洪峰流量, 然后再选择预报方程法进行洪峰流量预报计算。方程计算值与查图值如果接近 (差值小于查图值的20%) 则取二者的均值作为正式预报结果;否则应进一步综合分析修正预报结果。
(3) 文章采用相关图法和预报模型法分别从经验相关和数理统计两个方面对示例流域的洪水预报方法进行了分析。由于有效预报因子较少, 加之对流域冻土特性规律掌握不够全面等原因, 预报方程历史拟合精度较低, 今后还有待对冻土影响流域的洪水预报方法进行深入探讨研究。
参考文献
[1]邓先俊.陆地水文学[M].北京:水利电力出版社, 1984:61-114.
[2]李慧珑.水文预报[M].北京:水利电力出版社, 1979:60-122.
谈城市化对市区降雨径流的影响 篇5
关键词：雨水,资源化,径流,水质
1 雨水资源化利用的意义
我国的水资源在时空上分配极不均匀, 加之人类对水资源的不合理开发和利用, 严重的浪费, 人类发展和工业化进程加速等因素, 使得水资源短缺的矛盾加剧, 大部分城市都面临着缺水的问题。水资源的短缺已经成为影响城市健康发展的重要因素, 制约了城市化的进程。城市的雨水资源化, 既可以有效的控制雨水产生的径流污染, 又可以改善城市水环境和城市的生态系统, 并能够缓解我国水资源出现的季节性短缺现象, 同时会减轻城市内涝和防洪压力。加快城市雨水资源化, 对建立节水型城市, 实现低碳经济有着重要的推动作用。
2 城市化对降雨径流量的影响分析
城市化在很大程度上改变了土地原有的利用方式, 道路、广场和建筑物等硬化了城市的下垫面, 同时减少了绿地和农田, 缩小了水域面积, 挤占了城市的水系空间。从表1中可以看出, 各种地面形式对降水径流系数的影响非常大, 混凝土和沥青路面径流系数可高达0.95, 也就是说降水基本上都会转化成径流, 而不能被土壤层吸收。而公园和绿地的径流系数仅为0.10, 可见, 这些地方的降水基本上都能够被土壤吸收, 转化成地下水。这种城市化的土地利用形式, 不仅会影响到城区的降水, 也会影响到城市下垫面层的产汇流以及造成城市的洪灾。因为, 下垫面被硬化后, 不透水面积被增加, 在很大程度上影响了降水向土壤内部的渗透, 消弱甚至切断了地下水以及城市水系的基本补给来源。同时, 随着城市下垫面的硬化, 使得城市暴雨时的地面径流量增大, 给市政管道带来了巨大的压力, 也增加了城市防洪排涝的困难。
3 城市化对降雨径流水质的影响分析
城市雨水径流中的污染物性质和含量会随着城市土地利用类型、城市交通量、城市化程度、空气污染程度和人口密度等多种因素变化。污染物的来源主要是三个方面:一是降水过程中携带的空气中的污染物;二是在形成径流后冲刷的土地表面的污染物;三是流经地下管道过程中携带的污染物质。1981年美国做过一项研究, 表明在129种重点污染物中, 城市雨水径流中出现过约50%, 可见其所含污染物种类之多。一般城市降雨径流中的污染物有以下几大类:悬浮固体、重金属、氮、磷、细菌及病毒、好氧物质、酸类物质、腐殖质、油脂类物质和有毒有机物等。接下来通过两个参数COD和SS的变化, 来说明一下雨水径流水质的变化。
3.1 降雨历时对城市雨水径流水质的影响
对于城市雨水径流, COD和SS都呈现了径流初期污染物含量较高, 随着降雨历时的增长, 浓度逐渐降低, 最后趋于稳定值的规律。对于城市屋面雨水径流, COD和SS随着降雨历时的增加, 其含量很快降低, 并趋于稳定值, 可是对于城市道路, COD和SS浓度变化幅度不大, 呈现逐渐递减的态势。
3.2 降雨间隔时间对城市雨水径流水质的影响
如果两场雨的时间间隔越短, 由于前一场雨将屋面和路面沉积物都进行了溶解并冲刷, 减轻了后一场雨的压力, 使后一场雨的初期水质较好;若两次降雨时间间隔较长, 则两次降雨径流水质无太大变化。对于城市建筑物屋面, 这一规律尤为明显, 对于城市道路路面, 影响较小, 因为屋面的污染物主要由于沉积所致, 而道路路面的污染物主要由行人和交通量来决定。
3.3 降雨强度对城市雨水径流水质的影响
降雨强度的变化也会对雨水径流水质产生影响。若降雨强度较大, 则降雨过程中对屋面和路面的冲刷作用较强, 降雨径流初期的污染物浓度会明显升高, 但随着降雨历时的增长, 污染物含量会急速下降, 最终水质浓度也会趋于稳定。若降雨强度不大, 降雨的冲刷能力不强, 则降雨径流中COD和SS的起始浓度较低, 随着降雨历时的增长, 浓度变化不明显, 最终趋于稳定值。
3.4 不同性质的区域对城市雨水径流水质的影响
采样点的设置情况对径流水质的影响, 工业区由于生产过程中对周围环境污染较为严重, 尤其是对大气的污染, 使得降雨径流中污染物浓度最高。其次是商业区, 由于商业区人员密集程度大, 车流量大, 受人为因素影响较大, 路面较脏, 所以径流水质较差。最后是居住区, 如果对生活垃圾进行妥善收集和处理, 那么居住区的污染因素就会较少, 对周围环境的影响不大, 使得降雨径流水质较好。
3.5 屋面路面的材料对城市雨水径流水质的影响
屋面防水材料的影响, 石油沥青屋面对降雨径流产生的污染最为严重, 因为, 沥青属于石油的副产品, 其化学成分组成非常复杂。而且, 沥青屋面在太阳的暴晒下容易老化并分解出有机物质, 所以, 在降雨冲刷的作用下, 会把这些有机物质携带走。
4 城市雨水利用理论及方法
1) 人工暗河蓄排系统技术。由于水资源短缺, 加大了对地下水的开采和利用, 使得地下水水位不断降低, 在多个城市形成了不同规模的地下漏斗, 导致城市地面下沉。可以通过人工暗河蓄排技术增加雨水的渗透, 来实现涵养地下水, 充分的利用雨水来补充地下水的含量。具体做法, 比如通过采用带有渗透功能的雨水管道, 铺设透水地面, 增加下凹式绿地等。2) 对雨水径流进行收集—处理—利用。可以经初期雨水径流弃流后, 把雨水进行收集, 经简单处理即可回收利用。用途包括:城市绿化, 浇洒道路, 杂用甚至用于工业。这样一来, 可以减少对自来水的使用量, 减轻城市水压力, 实现水资源的重复利用。3) 雨水生态利用技术。雨水的生态利用, 兴起于20世纪90年代, 由德国最先开始。它是一项综合性雨水利用技术, 通过人工的精心设计, 利用土壤的自净能力和水生植物系统的净化作用, 将雨水的利用与景观设计相结合, 实现经济、社会效益和环境的统一和谐。最近几年, 被大家重视的湿地建设就是生态利用技术的一种, 把湿地建设和雨水利用相结合, 避免了人工处理雨水的资源和能源的消耗, 也降低了城市化发展对自热系统的破坏, 并创造了良好的自热景观, 还可通过建设城市屋顶花园、城市景观水的方法实现雨水的生态利用。
5 结语
雨水资源化利用具有重大的意义, 通过分析, 城市化对降雨径流量的影响非常严重, 分析得出城市化发展会减少雨水渗透, 增加径流量, 给城市排水管网和防洪设施带来巨大压力。通过城市化对降雨径流水质的影响分析得出城市化发展会使降雨径流受到严重污染。所以, 可以通过雨水渗透的涵养地下水技术对降雨径流进行收集—处理—利用技术和雨水的生态利用技术缓解城市排水管道和防洪设施的压力, 同时提高水资源利用率, 缓解城市水资源短缺的压力。
参考文献
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降雨径流相关模型 篇6
1 降雨分析
本次降雨状况分析主要选取漠阳江流域代表雨量站多年资料进行统计, 与2007年降雨状况进行对比分析。
1.1 年降雨状况
漠阳江流域现有双捷、荆山、陂面三个水文站, 分别布设于中上游。基于考虑到暴雨中心、面上分布基本均匀、资料尽可能完整的原则, 选取了15个雨量站点 (占漠阳江流域全部雨量站点的25%) 作为代表雨量站, 以水文站为中心将漠阳江流域划分为3个片进行降雨状况分析。
从表2-1的统计结果可看出, 漠阳江流域各代表雨量站2007年降雨量与多年平均降雨量比较减少247.7~957.0mm不等, 偏少12.4%~43.2%。2007年各代表雨量站平均年降雨量1588.4mm, 而各站平均多年平均降雨量均值为2240.9mm, 减少652.5mm, 偏少29.1%, 其中暴雨中心仙家垌站减少957.0mm, 为各站最大值。
1.2 多年降雨规律分析
分别对各代表站的历年降雨量做多年降雨过程图和十年滑动平均多年降雨过程线图。从多年降雨过程图中可以明显看出:各站片的各代表站多年降雨过程趋势基本一致, 各代表站系列基本都是锯齿波型。从各站片十年滑动平均多年降雨过程线图中可以得出, 从1991年到2002年期间各站年降雨量有明显的逐年增加趋势;而2002年以后, 各站年降雨量有明显的逐年减少趋势。
从各站多年降雨过程图中还能发现各站片有些站点降雨比较突出, 各站片十年滑动平均多年降雨过程线图中反映得尤为明显。比如荆山站片的仙家垌站, 每年的降雨量都比其他站点高出许多;陂面站片硖石站年降雨量比其他站点要稍多, 春湾站年降雨量比其他站点要稍少;双捷站片塘口圩站年降雨量比其他站点稍多, 北津港站年降雨量比其他站点稍少。个别站点成为暴雨中心与其自然地理因素密切相关, 如仙家垌站。
1.3 年内降雨规律分析
本次分析漠阳江流域2007年年内降雨情况, 主要利用各个站片作年内降雨分布图来进行分析。对代表站降雨量取算术平均作为该站片的降雨量, 制成图表。从图中可明显看出, 历年降雨集中在汛期的5~9月份, 占到75%左右。2007年在汛期降雨量较常年偏少, 特别是7月份尤为突出, 这与该年受沿海台风影响少密切相关。同时2007年10~12月份降雨量也非常少, 但和常年比较来看, 还是相差不大。
2 径流分析
2.1 年径流状况
本次径流分析选取漠阳江流域控制水文站双捷站作为径流代表站。经过统计, 双捷站2007年年径流量31.84亿m3和该站多年平均年径流量57.83亿m3相比明显减少44.9%。2007年平均流量101m3/s和该站多年平均流量183m3/s相比也明显减少44.9%。
2.2 径流趋势分析
双捷站及其上游水文站的多年径流过程趋势基本一致, 各系列基本都是锯齿波型, 一些时段呈波动上升趋势, 一些时段呈波动下降趋势, 而从2002~2007年这一时期, 各代表站的年径流量呈波动减少趋势, 从十年滑动平均径流过程线可以更明显看出这一趋势 (见图3-1~图3-2) 。
2.3 径流系数
通过2007年水文资料整编统计:2007年荆山站年径流深为815.5mm, 是多年平均径流深的58.8%;陂面 (三) 站的径流深为749.2mm, 是多年平均径流深的61.7%;双捷站径流深为732.8mm, 是多年平均径流深的55.1%。2007年荆山站的径流系数为47.8%, 而多年平均值是61.6%;陂面 (三) 站的径流系数是53.9%, 而多年平均值是62.0%;双捷站的径流系数是48.5%, 而多年平均值是58.1%;双桥站的径流系数是30.5%, 而多年平均值是48.8%。显然, 2007年径流系数、年径流深较多年明显偏小, 减少达40%。
3 丰枯水评定
以上对2007年降雨和径流的分析, 已经初步表现出一定的枯水状态, 下面就对2007年丰枯程度作定量分析。在此, 丰枯年份按照如下标准划分:
丰水年[X0+1.15S, +∞)
偏丰水年[X0+0.32S, X0+1.15S)
平水年[X0-0.32S, X0+0.32S)
偏枯水年[X0-1.15S, X0-0.32S)
枯水年 (-∞, X0-1.15S)
其中X0, S分别为系列的均值和方差。
按照以上标准, 对各站片代表站进行定量分析, 结果共有9个雨量站点表为偏枯水年, 占总站数的25.7%;共有26个站为枯水年, 占总站数的74.3%, 荆山、陂面、双捷站年径流量全部为枯水年。因此, 漠阳江流域2007年为典型枯水年。
4 结语
综上分析, 近年来漠阳江流域降雨量持续偏少, 而2007年更为严重, 该年粤西沿海地区受台风影响相对往年明显减少, 在这年里没有发生台风所引起的强降雨, 这是形成枯水状态的客观原因。其次, 漠阳江流域水利工程众多, 没有形成科学、统一的水资源调度机制是形成枯水状态的人为主观因素。因此, 密切关注海洋中台风的产生及其运动路径, 利用科学、统一的水资源调度机制进行调配, 不仅有利于防洪, 而且有利于缓解或消除枯水状态, 从而满足工农业灌溉的需求。
参考文献