温榆河上游流域WDHM的应用与分析（唐莉华,张思聪,高振宇,郭金燕,康德勇）

摘要：应用温榆河分布式水文模型WDHM, 模拟计算P=10%、5%、2%不同频率日降雨条件下流域内的洪水过程, 并时下垫面条件变化（包括改变砂石坑大小、植被在盖度、城镇面积和城镇不透水面积比例等）对降雨产汇流的影响进行分析研究。结果表明, 下垫面的变化会改变小流域的降雨产汇流规律, 因此在城市化过程中应当考虑下垫面改变之后的城市防洪问题。

关键词：分布式水文模型 温榆河上游 下垫面 城市化

由干温榆河流域处于北京市郊区, 随着城市化建设的加快和流域内种植结构的调整, 流域的下垫面条件发生了很大的改变, 从而影响了原有的降雨产汇流规律。在北京市水利规划设计研究院和清华大学水文水资源研究所的合作项目“下垫面变化地区降雨产汇流规律研究”中, 建立了温榆河分布式水文模型WDHM（Wenyuhe DistributedHydrological Model）, 采用具有数学物理方程, 对次降雨条件下的植被截留、土壤入渗、地表产汇流及河道汇流等水文过程进行了描述。模型经过率定和检验, 能较好地反映流域下垫面条件变化区域的降雨产汇流关系。本文应用该模型, 对温榆河上游流域（沙河闸以上1099km2范围）在不同频率下的24h降雨产生的洪水过程进行了预测模拟, 并对不同下垫面条件的变化对降雨产汇流过程的影响进行了分析研究。

1 不同频率降雨的产汇流过程

根据《北京市水文手册》（1999年版）设计重现期分别为10、20和50年的24h暴雨过程, 并进行点面折算后, 降雨量分别为165.32,221.87和294.09mm。计算得沙河闸洪水过程见图1。

北京市水利规划设计研究院在《温榆河绿色生态走廊规划——水系整治规划》项目中, 根据推理公式、半山区半平原疏浚河道法、等流时线等方法, 计算了温榆河主要河流断面不同频率下的洪峰值。将本模型计算结果与设计院的结果比较见表1。

由于没有相应的实测数据,WDHM的计算结果无法与实测数据相比较, 故在不同计算方法的结果中进行了比较。由表1数据可见, 本模型计算结果与其他方法计算结果基本吻合, 不同计算方法得到了相互验证。

2 下垫面条件变化对产汇流的影响分析

对于温榆河上游流域而言, 下垫面条件的变化主要体现在土地利用的变化, 即：主要河道附近挖沙后留下的砂石坑、城市化带来的植被覆盖度的变化、建成区面积变化和建成区内不透水面积比例变化等。研究中主要针对以上几种情况进行了下垫面变化对产汇流的影响分析。

2.1 砂石坑的影响

昌平区内由于挖沙留下了很多砂石坑, 有的库容相当大, 对洪水具有一定的滞蓄作用。设计计算了3种不同容积的不同频率洪水过程, 即：无砂石坑、砂石坑容积为3991万m3（现状情况）、砂石坑容积为3100万m3（规划后）, 结果见表2。

由模拟计算结果可以看出, 砂石坑对蓄滞洪水、削减洪峰有很大贡献。降雨重现期越小, 砂石坑的蓄洪削峰效果越显著。对频率为5%、2%的日降雨, 砂石坑的蓄滞作用也会十分明显。结果还表明, 下垫面条件的改变, 会带来不同的径流过程和径流量。因此在水文计算分析模型中,务必要尽可能地反映出下垫面的真实情况, 减小计算结果的不确定性。

2.2 植被覆盖度的影响

地表植被覆盖状况是影响地表径流的一个重要因素, 它不仅影响林冠截留量和土壤入渗量, 而且还会由于地表枯落物的性质而对地表水流产生不同的阻力作用, 即对曼宁系数有不同的影响。而其影响程度也受降雨强度的制约。

本项目选择东沙河上游一个小流域（面积11.23km2）,计算分析了不同设计降雨频率（10%、5%、2%日降雨）、不同植被覆盖度（方案一30%、方案二50.6%、方案三70%和方案四90%）的洪水过程。图2和表3只显示了50年一遇设计暴雨条件下不同植被覆盖度的洪水过程及洪峰和洪量值, 并以方案二（实际情况下的植被覆盖度为50.6%）基准比较了由植被覆盖度变化引起的洪峰和洪量的变化。

计算结果表明, 植被覆盖度越大, 洪峰和洪量越小而雨强越大, 植被覆盖度对径流的影响越小。因此在山区采取适当的水土保持措施, 提高植被覆盖度, 在一定程度上可以起到削峰滞洪的效果。

2.3 城镇面积的影响

由干北京卫星城镇的扩展, 流域内的土地利用发生了改变, 建成区面积大大增加。城镇面积的增加, 会影响流域的植被截留、土壤入渗以及地表糙率（曼宁系数）, 从而改变径流规律。假设城镇面积占小流域总面积的百分比分别为：方案一44.51%（实际情况）、方案二50%、方案三70%和方案四90%, 计算50年一遇设计暴雨情况下不同方案的洪水过程。计算表明：城镇面积在小流域中所占比例越大, 洪峰和洪量的值越大, 洪峰出现时间也越早。因此在城市化过程中应当重视城镇面积扩张所带来的城市防洪问题。

2.4 城镇不透水面积比率的影响

城镇不透水面积主要包括屋顶、道路、停车场等硬化地面面积, 其特点是不透水或者透水率非常小, 落到地面的降雨直接产流, 或者通过排水管进入河道, 或者直接形成地面径流进入河道, 都会增加流域出口的产流量。设计不同的不透水面积比率：方案一（30%）、方案二（50%）、方案三（70%）和方案四（90%）, 分别计算50年一遇暴雨下的洪峰、洪量。结果表明：不透水面积比例越高, 洪峰和洪量越大, 峰现时间也越早；不透水面积比例的变化对洪水过程的影响比城镇面积比例的影响更为显著。

2.5 主要敏感性参数分析

根据以上不同参数的计算结果, 可以分析各参数的变化对流域产汇流的敏感性。图3—图5表示了植被覆盖度、城镇面积比例、城镇不透水面积比例3种参数对小流域洪峰、洪量的影响, 斜率表示各参数变化所引起的洪峰、洪量值的变化率。斜率绝对值越大, 表明洪峰或洪量对该参数的敏感性越大。

表4中数据表示单位面积上各参数的变化引起的洪峰模数和洪量模数的变化, 可以看出, 在所选择的小流域内, 不透水面积比例的变化对小流域、洪峰洪量模数的影响最大, 其次是城镇面积比例, 植被覆盖度的影响最小。本研究中尚未涉及流域面积的增加对洪峰、洪量模数的衰减影响。

3 结论

本研究建立的温榆河流域分布式水文模型WDHM, 经过1998年和2000年实测降水径流资料的率定和检验, 结果表明其结构和参数设置是比较合理的, 可用于该区域的洪水预测、预报和模拟分析, 为流域防洪规划和决策提供科学依据。同时, 由于分布式水文模型采用离散化单元, 从物理机理上描述了流域内的截留、入渗、坡面产流及河道汇流等水文过程, 能够详细地反映地表植被、土地利用状况、土壤类型等下垫面参数的空间变异性, 对于下垫面条件变化较大地区的洪水过程模拟和研究下垫面条件的变化对降雨产汇流规律的影响是一个十分有效的工具。

作者简介：唐莉华(1975-), 女, 讲师。

来源：《北京水利》2005年第6期