靳偉榮

(江西省灌溉試驗中心站，江西 南昌 330201)

贛州，也稱為“贛南”，地處于江西省南部，位于贛江上游，是江西省人口和下轄縣市最多、面積最大的地級市。贛州的地形主要以山地丘陵為主，氣候溫和，雨量充沛，不但光照足而且無霜期長，土壤肥沃，晝夜溫差大，是典型的亞熱帶丘陵山區(qū)濕潤季風(fēng)氣候，特別適合臍橙的生長[1]。但由于江西的水資源時間空間分布不均勻，季節(jié)性水資源匱乏和水源性缺水等問題，使得江西贛南的臍橙種植事業(yè)受阻。目前，江西省已大力發(fā)展高效節(jié)水技術(shù)，在贛南多個市縣的臍橙種植區(qū)已經(jīng)形成了一定規(guī)模的高效節(jié)水片區(qū)。但由于規(guī)劃設(shè)計缺乏相關(guān)基礎(chǔ)資料或降雨分布不均等因素，部分高效節(jié)水片區(qū)仍舊出現(xiàn)水源性缺水。

因贛州地理地勢的特點，山塘星羅棋布地分布在各個縣區(qū)，是贛州農(nóng)業(yè)灌溉用水的最主要來源，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。本文通過建立基于山塘引水的贛南臍橙種植區(qū)產(chǎn)匯流模型，對山塘來水量進行評估和研究，有利于充分發(fā)揮山塘水資源的利用，為合理規(guī)劃水源和臍橙種植面積提供理論支撐。

1 試驗準備

1.1 基本情況

山塘位于江西省贛州市南康區(qū)，山塘的正常蓄水位為2.7m，防洪高水位為3m，興利庫容為10286.59m3，山塘為矩形，長寬為59.2m×72.4m，供應(yīng)灌溉臍橙的面積為20畝。山塘位于流域底部，且為流域水體匯聚地，周邊山體種植主要作物為贛南臍橙，該流域位于贛江源章江流域中下游，其控制流域面積159300，海拔高程196～260m，平均海拔高程227m，坡度范圍0.5°～14.8°，平均坡度5.2°。土壤主要為紅壤，經(jīng)過測定，土層深度在0～20cm的土壤容重為12.5kN/m3，土層深度在20～40cm的土壤容重為14.6kN/m3，平均土壤容重為13.5kN/m3。

1.2 數(shù)據(jù)觀測與收集

(1)在研究區(qū)域空曠區(qū)安裝自計式雨量計，數(shù)據(jù)記錄周期為1h，用于收集降雨量數(shù)據(jù)。

(2)在研究區(qū)域空曠區(qū)安裝標(biāo)準蒸發(fā)皿，每日8：00、12：00、20：00分3次人工觀測蒸發(fā)數(shù)據(jù)。

(3)在研究區(qū)域采用鋁塑板分別建立5°、10°、15°和45°的野外徑流小區(qū)，徑流小區(qū)垂直投影長為20m，寬為5m。采用加蓋式集流通和分流通記錄產(chǎn)流情況。

(4)采用HOBO自記水位計，對山塘水位進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)記錄周期為1h。

(5)采用烘干法，利用環(huán)刀和烘箱對研究區(qū)域土壤容重進行測定、土壤飽和含水率等土壤數(shù)據(jù)進行測定。

(6)收集經(jīng)過GPS校核的GDEMDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.3.1無洼地DEM處理

由于在DEM數(shù)據(jù)中存在洼地，首先對DEM進行填洼，避免產(chǎn)生假的水流積聚地，得到無洼地的DEM圖，如圖1(a)所示。再通過確定水流的流向，得到水流匯流累積量。利用柵格計算器根據(jù)匯流累積量生成河網(wǎng)。將山塘的塘壩處作為山塘控制流域出口點，進而提取山塘的產(chǎn)匯流流域。

1.3.2坡度和等高線分析

根據(jù)研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)，進行表面分析，獲取DEM原始地形數(shù)據(jù)中暗含的空間特征信息，如等值線、坡度、坡向、山體陰影等，得到研究區(qū)域坡度圖，將坡度分為3個等級，分別為0～5°，5°～15°，10°～15°，并得出各坡度值范圍的面積分布，見圖1(b)和表1。

圖1 研究區(qū)域無洼地圖

表1 3個山塘研究區(qū)的坡度情況

2 構(gòu)建產(chǎn)匯流模型

降雨徑流過程可以劃分為流域產(chǎn)流和流域匯流兩個過程。產(chǎn)流決定了降雨成為暴雨過程線的部分，而匯流決定了凈雨經(jīng)河網(wǎng)匯集形成流域出口斷面流量的過程[2]。

流域產(chǎn)流過程又分為蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流。最早的產(chǎn)流理論是由Horton提出的下滲理論，其以雨強與土壤下滲能力之間的關(guān)系、包氣帶含水量與田間持水量之間的關(guān)系為依據(jù)，提出了產(chǎn)流的主要因素[3]，概括了徑流和滲流形成的條件[4]。趙人俊等提出濕潤地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流方式為主的理論，論證了南方濕潤地區(qū)影響產(chǎn)流的最主要因素是降雨量、流域蓄水容量和流域蒸發(fā)量，而與降雨強度無關(guān)[5]。

本文的產(chǎn)流模型是依據(jù)野外徑流小區(qū)試驗得到的徑流系數(shù)關(guān)系式，建立流域降雨、坡度、前期土壤含水量等因素與徑流之間的定量關(guān)系。

匯流階段是指凈雨匯集流域出口斷面的過程，一般認為匯流過程又可分為坡面匯流過程和河網(wǎng)匯流過程[6]。本模型采用將徑流系數(shù)公式與流域下墊面情況相結(jié)合的方式擬合公式推求降雨與流域匯水之間的定量關(guān)系，故本模型構(gòu)建過程中不考慮地下徑流的匯流作用。

2.1 流域最大蓄水量

當(dāng)降雨開始時，流域內(nèi)包氣帶中土壤含水量的大小是影響降雨產(chǎn)流形成徑流過程的一個主要因素之一，流域蓄水容量Wm可以反映該流域蓄水能力。流域最大蓄水容量采用多次洪水逐次逼近進行推求[7]，具體步驟如下：

(1)選取與上次降雨時間間隔較長的一系列降雨數(shù)據(jù)，并且選取的數(shù)據(jù)能夠使流域土壤含水量達到飽和且產(chǎn)生較大洪水過程的降雨洪水場次。設(shè)定初值Pa和Wm，0。

(2)根據(jù)公式(1)計算出第j次的Kj。

(3)根據(jù)Kj和Pi由公式(2)計算出W0，j。

(4)根據(jù)公式(3)計算出第j次迭代的Wm，j。

(5)重復(fù)公式(1)—(3)直到Wm趨于一個穩(wěn)定值，則該值即為流域最大蓄水容量。

(1)

(2)

Wm，j=Wm，j-1+W0，j-1

(3)

通過計算得到流域最大蓄水容量Wm=124mm，其擬合的流域蓄水容量曲線如圖2所示，在迭代第11次后流域最大蓄水容量Wm趨于穩(wěn)定。

圖2 流域蓄水容量曲線

圖3 徑流系數(shù)擬合函數(shù)圖

2.2 徑流系數(shù)

2.2.1參數(shù)β

引入與降雨量P、徑流深R、流域最大蓄水容量Wm、前期影響雨量Pa相關(guān)的參數(shù)β[8]，其公式如下：

(4)

根據(jù)歷史降雨數(shù)據(jù)和前15日累計降雨量與前期影響雨量的關(guān)系推求出參數(shù)β的值，β的值主要分布在0～1.5之間，且變動幅度較小，β的平均值為0.5627。因此在進行徑流深或徑流系數(shù)計算時，β可采用定值，即β=0.5627。

2.2.2徑流系數(shù)α

由于徑流系數(shù)α與降雨量P、流域最大蓄水容量Wm、前期影響雨量Pa及坡度γ等均有關(guān)系，對降雨量、前期影響雨量、坡度等數(shù)據(jù)進行擬合得到徑流系數(shù)擬合公式(5)，擬合效果優(yōu)異，其回歸相關(guān)系數(shù)平均值R=0.923，其擬合的圖像如圖3所示。

(5)

式中，α—徑流系數(shù)，無量綱；γ—坡度，(°)；Pa—前期影響雨量，mm；Wm—流域最大蓄水容量，mm。

2.3 降雨量與流域集水量關(guān)系

對于研究區(qū)從2017年8月12日—2018年9月12日的逐日降雨量、山塘的逐日水位、逐日蒸發(fā)量和山塘用水情況進行統(tǒng)計，共得到39次以日為單位的降雨-匯流數(shù)據(jù)，根據(jù)水量平衡原理得到每次的流域集水量。根據(jù)公式(6)得到各個子流域的集水量，其計算結(jié)果見表2。

Qi，j=α·Pi·Sj(Pi>3mm)

(6)

式中，Qi，j——第i時段第j塊子區(qū)域的集水量，m3；α—徑流系數(shù)；Pi—第i時段的降雨量，mm；Sj—第j塊子區(qū)域的面積，m2。

將子流域1、2、3的集水量分別用X1、X2、X3表示，進行主成分分析得到：X2在第二主成分載荷中絕對值最大，超過0.5，可以考慮列入第二主成分。X3在第三主成分載荷中絕對值最大，且超過0.5，可以考慮列入第三主成分。但是由于從主成分貢獻率和累計貢獻率來看，第一主成分可以解釋99.99%的信息，因此，可以選擇第一個主成分替代原來的X1、X2和X3，而系數(shù)選擇系數(shù)矩陣的第一列。根據(jù)設(shè)定新的變量為X，則根據(jù)得到新變量X與X1、X2和X3的關(guān)系式：

表2 流域集水?dāng)?shù)據(jù)表

(7)

X=0.5773·X1+0.5774·X2+0.5773·X3

(8)

式中，α(γ，P，Pa)函數(shù)詳見公式(5)。

設(shè)定本研究區(qū)的流域集水量為Y，對X和Y進行回歸分析，其回歸分析殘差圖和回歸分析線圖分別如圖4—5所示，從殘差圖中可以看出，殘差的置信區(qū)間均包含零點，說明回歸模型能夠較好地符合原始數(shù)據(jù)?；貧w分析的結(jié)果如表3所示，因F=229.29、P<0.05，說明回歸模型總體上來說具有統(tǒng)計學(xué)意義。相關(guān)系數(shù)R2=0.86，查詢表4可知，模型的有效性屬于乙等。回歸分析函數(shù)式見公式(9)。

Y=58.5609+0.7657·X

(9)

表3 回歸分析表

表4 模型及參數(shù)的有效性評定原則

圖5 主成分分析后回歸分析線圖

3 模型驗證

為了驗證模型的模擬效果，結(jié)合研究區(qū)流域內(nèi)的產(chǎn)流匯流特點，選取研究區(qū)2018年5月12日—2018年9月12日的31場降雨，對于模型的產(chǎn)流匯流過程進行計算并對構(gòu)建的模型進行驗證。為分析模型的擬合效果，采用確定性系數(shù)DC、決定系數(shù)R2對降雨場次形成的流域徑流深的擬合分析，當(dāng)確定性系數(shù)DC(納什效率系數(shù)ENS)和決定系數(shù)R2越接近于1，證明模擬值與實測值的相關(guān)性越好，而本模型擬合的確定性系數(shù)DC為0.92，決定系數(shù)R2為0.95，證明模型整體擬合效果很好。從計算結(jié)果可知，對于研究區(qū)的徑流系數(shù)產(chǎn)匯流模型擬合計算結(jié)果合格率為74.19%。根據(jù)GB / T22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》給定的精度評定標(biāo)準，本模型達到乙級預(yù)報水平。

圖6 徑流深模擬值與實測值對比

4 結(jié)論

本文選取以山塘為主要水源的贛南臍橙種植區(qū)，建立由臍橙種植坡面與山塘組成的小流域，采用前期影響降雨量代替土壤含水量和多次洪水逐漸逼近的方法推求流域最大蓄水容量，對流域降雨、坡度、前期影響雨量、流域最大蓄水容量進行擬合得到徑流系數(shù)擬合公式。利用徑流系數(shù)公式，建立降雨與流域集水量的關(guān)系模型，并利用實測數(shù)據(jù)對構(gòu)建模型進行驗證，得出該模型達到乙級預(yù)報水平。