宁夏好水川流域地表径流预测研究

2012-02-05张维江

中国水土保持 2012年12期

李娟，张维江

(1．宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川750021;2．宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川750021;3．旱区现代农业水资源高效利用教育部创新团队，宁夏银川750021)

黄土高原气候干旱，降水少，水土流失严重，造成泥沙淤积河道、土地退化、生态破坏等问题。依据干旱地区及黄土高原地区“沙随水来，沙随水去”的水文泥沙特点，水土流失同降水及径流的关系极为密切，因此对地表径流的分析及预报对水土流失防治具有重要的意义。

好水川流域位于宁夏隆德县境内，流域内的六盘山林区是泾河、清水河与葫芦河的发源地，是黄土高原地区保护水土、涵养水源、调节径流和气候的“高原绿岛”，具有黄土高原少见的高寒阴湿气候，是黄土高原气候变化最敏感和强烈的区域，也是维护西北地区生态安全的天然绿色屏障。

好水川流域是宁夏降水相对丰沛的地区，当地的生态、生产及群众生活多依赖于降水形成的地表水资源。由于区内黄土层深厚，阻隔了降水入渗补给地下水的通道，因此除部分基岩裂隙水及工程渗漏形成的地下水外，当地水资源以地表水资源为主。对降水形成的地表径流进行预测预报，是进行流域水资源配置、调控、高效利用及实现可持续发展的基础，也是进行区域水土保持规划及管理的依据。

1 研究区概况

好水川流域位于六盘山西侧的宁夏隆德县境内，是渭河支流葫芦河的一级支流，流域面积102 km2，地处北纬35°37'20″—35°41'40″、东经105°56'20″—106°12'18″之间，海拔1 857—2 930 m，属黄土高原丘陵沟壑区第三副区，涉及隆德县的好水、杨河2 个乡10 个行政村38 个自然村，总人口1.72 万人。

流域多年平均气温5.0 ℃，多年平均水面蒸发量850 mm(E601)，东部高寒阴湿，为半湿润型气候，西部温和干燥，为半干旱气候;年均降水量513 mm，有约70%的降水集中在汛期的6—9月，是流域水资源的主要来源。降水量由东向西递减，暴雨发生频次也降低，中小雨发生频次增加。

从地貌上看，流域主要可分为土石山区、黄土丘陵沟壑区及河谷川道区3 个类型区，分别占流域面积的33.3%、30.4%及36.3%。其中，土石山区主要分布在流域东部的六盘山一带，海拔较高，土层厚度0.5 m 至数十米，地形坡度在25°左右，山坡陡峭处可达50°;黄土丘陵沟壑区地形坡度多在15°～20°;河谷川道区(又称河谷平原区)分布在流域沟道两岸的低阶地上，坡度多在5°左右。

流域内现有小(一)型水库1 座、骨干工程11 座、中型淤地坝15 座、小型淤地坝16 座，总库容1 190 万m3，淤积库容389.9 万m3。流域土地利用主要类型有梯田、冲沟、坡地、林地、荒山造林地、退耕还林还草地、居民地、沟台地、水地、旱地及草地。流域内山地、丘陵、河谷和川地等交错分布，由于坡地比例较高且土壤抗蚀性较差，所以水土流失严重。

2 地表径流预报模型的选择及参数的确定

2.1 模型的选择

目前较为常用的地表径流预报模型有垂向混合产流模型［1］、多元线性回归模型、降雨径流相关经验模型［2］、人工神经网络预报模型［3］，这些模型多为数学模型与经验模型的结合，均需有大量的典型流域径流及泥沙观测资料作为基本资料，直接应用于资料缺乏地区的径流模拟较为困难。好水川流域水文观测资料极其缺乏，因此选择对观测数据要求相对较低、适用于该流域的SCS 模型(径流曲线数值法)进行流域径流预测。

SCS 模型是美国农业部土壤保持局(Soil Conservation Service)研制的用于估算无资料地区径流量及洪峰流量的经验模型，它是在基于集水区的实际入渗量与实际径流量之比等于集水区该场降水前的潜在入渗量与潜在径流量之比的假定基础上建立的。最早的模型未考虑降水初损，后经改进形成如下模型:

式中:Q 为径流量，mm;P 为降水量，mm;S 为潜在的最大降水损失量，是F(降水潜在损失量)的上限，mm。

在式(1)径流计算模型中，S 的变化幅度很大，不便于取值，因此预测中引用了一个无因次参数即曲线数值CN。CN 是一个反映降水前流域特征的综合参数，其取值范围为0～100，它与S 的关系为

该模型在许多国家的中小流域及城市水文预报中得到了广泛应用，具有简单易行、所需参数较少、对观测数据要求不很严格的特点，且模型考虑了流域下垫面条件如土壤、坡度、植被、土地利用情况等对径流的影响，将其列入水文模型的定量计算之中，并对某些细节问题进行了简化处理。SCS 模型在我国干旱半干旱地区及黄土高原典型流域应用较广且效果较好。张秀英等［4］2003年利用SCS 模型对定西安家沟小流域径流量进行了估算，探讨了区域CN 的取值问题;王白陆等［5］2005年对SCS 模型进行了改进，界定了部分参数的取值范围;彭定志等［6］2006年利用改进的SCS 模型对汉江牧马河等8 个流域进行了长系列的水文模拟，结果是较大径流系数的流域模拟效果较好，较小径流系数流域的模拟效果不够理想。以上SCS 模型的应用，以考虑下垫面条件及CN 参数取值为主，对气候变化的影响考虑较少。

2.2 参数的确定

在SCS 模型应用中，CN 值的选择对模型模拟及计算精度具有至关重要的作用。CN 值又称曲线数值，它是反映降水前流域特征的一个综合参数，其主要影响因素有土壤前期湿度、土壤类型、覆盖类型、管理状况和水文条件，坡度也会对其产生一定的影响。实际应用中CN 取值范围为30～100。

据2010—2011年好水川流域土壤水分观测资料，浅层(0—30 cm)土壤含水量变化剧烈，深层(60—90 cm)土壤含水量变化幅度相对较小;随着土层深度的增加，土壤含水量的稳定性增强，受外界影响程度降低。流域4—10月份平均土壤含水量为13%～18%，土壤水分含量相对不高，但并未达到植物凋萎点，属于土壤前期湿度AMCⅠ级。同时，好水川流域坡度多在10°～25°，土壤前期湿度一般，流域分布有梯田、退耕还林还草地、荒山造林地等具有减水效益的土地，管理状况和水文条件一般，因此取CN 值为82。

3 好水川流域地表径流预报模型的建立、修正及验证

3.1 流域地表径流预报模型的建立

根据流域现状下垫面条件确定CN 值，利用隆德县1961—2010年逐日降水资料建立的径流深与汛期降水量之间的相关模型如式(3):

式中:y 为地表径流深，mm;x 为汛期降水量，mm。

模型复相关系数R 仅为0.5，精度较低，直接用于地表径流的模拟及预报误差过大，因此需要对模型进行修正。

3.2 流域地表径流预报模型的修正

对模型数据进行分析，发现即使是相同或相差较小的汛期降水量，所对应的地表径流深差异也较大。对降水数据进行深入分析，发现在相同汛期降水总量条件下，次降水量分布的不同对地表径流量产生了较大的影响。因此，考虑日降水量分布特性，对流域地表径流预报模型进行修正改进。

对好水川流域1961—2010年逐日降水资料进行统计分析，发现降水趋于分散、大于40 mm 的日降水量发生次数呈降低趋势。结合流域实际情况，依照10—20、20—30、30—40、40—70、＞70 mm 5 个等级日降水量分级标准对流域逐日降水量进行分级。统计每年汛期不同降水的发生次数，分别用a、b、c、d、e 表示1—5 级降水发生的次数，用x 表示汛期降水量，用y 表示年径流深，用SPSS 软件分析年径流深与不同等级降水发生次数及汛期降水量之间的相关关系，结果见表1。

表1 好水川流域降水相关分析结果

由表1 知，在0.05 水平上，10—20 及20—30 mm 降水发生的次数与年径流深具有显著的相关关系;在0.01 水平上，30—40、40—70 及＞70 mm 降水的发生次数及汛期降水量同年径流深具有显著的相关关系。

对年径流深、汛期降水量及不同等级降水发生的次数进行回归分析，建立线性回归模型如式(4):

对修正前后的地表径流预报模型进行对比分析，修正后的预报模型考虑了不同等级降水的发生频次，解决了由汛期降水量直接预报地表径流量误差较大的问题，模型的复相关系数R2=0.893，提高了模型的预报精度。

3.3 流域地表径流预报模型的验证

好水川流域内无径流观测站，因此选择张银水库、后海子骨干工程、下老庄骨干工程、上岔骨干工程及岔口骨干工程蓄水情况进行模型验证。

结合降水空间分布特征确定各工程汛期降水量、预报其径流深，结果见表2。

据统计:黄土高原淤地坝中蓄水量的15%～20%均消耗于水面蒸发;地质条件较好的工程，蓄水渗漏量约占总蓄水量的15%，地质条件较差的工程，蓄水渗漏量会达到25%;无效水面蒸发与深层渗漏损失量将会占总蓄水量的30%～40%。

根据好水川流域地质调查报告，库区地质条件相对较差，岩层相对松散，易渗透。同时，通过已有的水面蒸发观测结果估算流域水面蒸发量，流域水面蒸发量及深层渗漏量占总蓄水量的30%。依据水库及骨干工程水情监测数据，考虑水面蒸发、深层渗漏、提用水量后对降水产生的径流总量进行还原，与预报径流量进行模型的验证，结果见表3。