巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析.pdf

Journal of Water Resources Research 水资源研究水资源研究,2023,12(4),323-333 Published Online August 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jwrr https:/doi.org/10.12677/jwrr.2023.124037 文章引用文章引用:尹家波,黄燨,祝东亮,田娟,谭茜,方龙章,王俊,郭生练.巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析J.水资源研究,2023,12(4):323-333.DOI:10.12677/jwrr.2023.124037 巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析与频率分析 尹家波尹家波1*，黄，黄 燨燨1，祝东亮，祝东亮2，田田 娟娟2，谭，谭 茜茜2，方龙章，方龙章1，王王 俊俊1，郭生练，郭生练1 1武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉 2安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 收稿日期：2023年7月5日；录用日期：2023年8月10日；发布日期：2023年8月24日 摘摘 要要 巢湖具有防洪、灌溉、供水、航运、水产等多种功能，也是“引江济淮”工程的重要输水区。长系列径流数据巢湖具有防洪、灌溉、供水、航运、水产等多种功能，也是“引江济淮”工程的重要输水区。长系列径流数据是开展巢湖流域水旱灾害治理和引江济淮工程优化调度的重要依据，但是目前巢湖入湖是开展巢湖流域水旱灾害治理和引江济淮工程优化调度的重要依据，但是目前巢湖入湖39条河道仅有条河道仅有2个系列个系列不完整的水量监测断面，制约了巢湖流域规划和水资源综合管理。本文通过融合多源数据和水量平衡方法反演不完整的水量监测断面，制约了巢湖流域规划和水资源综合管理。本文通过融合多源数据和水量平衡方法反演了巢湖的总入湖径流系列，采用产汇流演算和水文比拟等多种方法重构了巢湖的天然径流过程，进一步考虑外了巢湖的总入湖径流系列，采用产汇流演算和水文比拟等多种方法重构了巢湖的天然径流过程，进一步考虑外流域调水和工农业取用水等人类活动影响，回溯模拟了巢湖主要入湖河道的径流过程。经过多方案比选和合理流域调水和工农业取用水等人类活动影响，回溯模拟了巢湖主要入湖河道的径流过程。经过多方案比选和合理性分析，论证了回溯模拟结果的可靠性，最后基于模拟成果开展了年径流频率分析。性分析，论证了回溯模拟结果的可靠性，最后基于模拟成果开展了年径流频率分析。关键词关键词 巢湖巢湖流域流域，径流，径流系列系列，水文模拟，水量平衡，水文模拟，水量平衡，频率频率分析分析 Retrospective Simulation of Long-Term Inflow Runoff in Chao Lake and Frequency Analysis Jiabo Yin1*,Xi Huang1,Dongliang Zhu2,Juan Tian2,Qian Tan2,Longzhang Fang1,Jun Wang1,Shenglian Guo1 1State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management,Wuhan University,Wuhan Hubei 2Anhui Survey&Design Institute of Water Resources&Hydropower Co.,Ltd.,Hefei Anhui Received:Jul.5th,2023;accepted:Aug.10th,2023;published:Aug.24th,2023 Abstract Chao Lake has many functions such as flood control,irrigation,water supply,navigation and aquatic products,and it is also an important water receiver of the“Diverting Yangtze River to Huai River”project.作者简介：尹家波(1992-)，男，副教授，主要从事水文水资源研究。*通讯作者 Email: 巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析 DOI:10.12677/jwrr.2023.124037 324 水资源研究 Long-term runoff data series are an important basis for controlling flood and drought hazards in Chao Lake basin and optimizing operation of Yangtze-Huai River diversion project.However,there are only 2 incomplete hydrological monitoring sections among 39 inflow rivers of Chao Lake,which limits the plan-ning and integrated water resources management in Chao Lake basin.In this paper,by integrating mul-ti-source data and water balance method,the total inflow streamflow series of Chao Lake is retrieved,and the natural runoff series of Chao Lake is reconstructed by employing multiple methods such as ru-noff yield-routing calculation and hydrological scaling.In addition,by considering the influences of hu-man activities such as water transfer in external basins and industrial and agricultural water utilizations,the runoff process of the main inflow channels of Chao Lake is retrospectively simulated.The reliability of the simulation series is approved,and the annual runoff frequency analysis is carried out based on these simulation results.Keywords Chao Lake Basin,Runoff Data Series,Hydrological Simulation,Water Balance,Frequency Analysis Copyright 2023 by author(s)and Wuhan University.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 巢湖是我国五大淡水湖和“三河三湖”之一，具有防洪、灌溉、供水、航运、水产、旅游等多种功能，同时水多、水少、水滞、水脏等问题交织并存，新老水问题极其复杂1 2 3。巢湖流域形状呈东西长、南北短，发源于大别山余脉和江淮分水岭，最大河流杭埠河自西向东流入巢湖，另有南淝河、派河、十五里河、白石天河、柘皋河和兆河等河流呈放射状注入，并由裕溪河、牛屯河排入长江。巢湖闸以下裕溪河水系主要支流有清溪河、西河等，西河、兆河、裕溪河也是巢湖重要的引江水道。巢湖流域现有水文(位)站 20 余个，湖区入汇的杭埠河、南淝河等较大支流上设立水文站较早，具有较长的实测流量资料；派河、十五里河、白石天河、兆河等较小河道流量资料较为缺乏(未设站，或设站时间较短，或仅观测水位)。巢湖入湖河流的径流特征及变化分析是开展水旱灾害治理、水环境治理、蓝藻水华防控、水生态修复的重要基础，也是分析河湖污染通量、研究水质水量响应关系、开展“引江济淮”工程的优化调度、提升巢湖综合治理水平的重要依据。长期以来，因主要聚焦防洪减灾及汛期洪量，巢湖缺乏入湖径流系列数据，目前入湖 39条河道仅有 2 个系列不完整的水量监测断面，制约水多、水少、水滞、水脏等巢湖综合治理规划设计和河长制管理工作。为掌握入湖径流变化规律，支撑巢湖综合治理，提升巢湖科学调度水平，开展巢湖主要入湖河道长系列逐月逐旬径流回溯模拟研究不仅是必要的，也是急迫的，具有重大的应用价值和现实意义。2.基于水量平衡方法反演巢湖总入湖径流过程基于水量平衡方法反演巢湖总入湖径流过程 2.1.反演方法反演方法 巢湖流域的入湖河道和巢湖湖区均可视为一个系统，巢湖入湖河道径流汇入湖区，湖区同时承受降雨增益和蒸发损失，经过湖区调蓄，汇入巢湖闸的径流为输出结果。因此，巢湖流域的水量平衡计算可以利用多输入单输出(Multi-input and single-output,MISO)系统模型进行分析。基于 MISO 模型的基本原理，建立巢湖流域水量平衡的 MISO 模型如图 1 所示，主要选取了巢湖控制流域面积较大的主要河道，将其余小河道概化为河道下游圩区和巢湖周边区间，并进一步考虑巢湖周边取用水。Open AccessOpen Access巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析 DOI:10.12677/jwrr.2023.124037 325 水资源研究 巢湖闸设站后，具有长系列的出闸流量过程；兆河闸设在巢湖的入湖河道兆河上，也具有长系列的流量过程，由兆河汇入巢湖的流量被记为正值，由巢湖汇入兆河被记为负值。采用巢湖闸和兆河闸整理后的 19672021年共 55 年的日流量资料作为巢湖的总出湖流量资料；采用巢湖的 4 个水位站资料均化后的日水位数据(采用巢湖闸上游水位、忠庙水位、塘西水位、槐林水位)，依据巢湖的高程(H)-面积(A)-容积(V)曲线，从而反演巢湖的库容变化。本文搜集整理了巢湖流域 7 个国家基本气象台站，涵盖 19552021 年共 67 年的气象资料，主要有日降水量、日平均气温、日最高气温、日最低气温和日蒸发量，其中蒸发量分别有大型蒸发皿和小型蒸发皿的观测值。本文还收集到 174 个自动气象观测站，涵盖 20152021 年共 7 年的气象资料，包括日降水量、日平均气温、日最高气温和日最低气温，无蒸发观测资料。国家基本气象台站中仅有巢湖站位于巢湖湖区，故采用该站的长系列日蒸发资料作为湖区的面蒸发系列，并基于泰森多边形方法推求巢湖湖区的面降水系列。Figure 1.Diagram of the MISO model in evaluating water balance in Chao Lake basin 图图 1.巢湖流域水量平衡演算的 MSIO 模型概化图 2.2.巢湖总入湖径流过程及变化特征分析巢湖总入湖径流过程及变化特征分析 首先研究不同历时状态下的巢湖国家基本气象台站观测降水量与湖区面降水量回归关系，发现国家基本气象台站的降水观测值与自动站推求的湖区面降水系列呈现显著的正相关性，且显著性水平 p 值均低于 0.05。同时，可以发现，月降水量的相关特征最优，日降水的相关性最差，但是线性回归方程仍然取得了较好的拟合效果，R2值超过 0.86。鉴于线性回归方程良好的拟合效果，将该回归关系应用到 19552014 年，基于巢湖国家基本气象台站的实测降水系列，反演得到巢湖湖区的长系列面降水过程，记为方案一。仅采用国家基本气象台站表征湖区降水系列，记为方案二。基于该湖区面降水、蒸发、水位及湖区周边取用水资料，采用 MSIO 模型反演得到了两种方案下巢湖的总入湖径流系列。巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析 DOI:10.12677/jwrr.2023.124037 326 水资源研究 采用 Mann-Kendall(M-K)趋势检验、Petti 突变检验和周期性分析方法分析巢湖年入湖径流的变化特征，发现巢湖总入湖年径流过程呈现先上升后下降的特点，但是在 0.05 显著性水平下变化不显著；巢湖的年径流量系列存在突变，而且其突变时间在 19751980 年左右；在研究时段，巢湖湖区的年降水量在研究时段内没有显著性周期变化，但在其中某些时段存在一定的周期，例如在 2000 年左右存在显著的周期性，如图 2 所示。Figure 2.Periodic analysis of annual runoff series in Chao Lake 图图 2.巢湖总入湖年径流系列的周期性分析结果 3.基于卫星遥感反演巢湖流域长系列气象数据集基于卫星遥感反演巢湖流域长系列气象数据集 巢湖流域的国家基本气象台站，涵盖 19552021 年资料，但是空间密度低；流域内近年来设立了 174 个自动气象观测站，但是仅观测 20152021 年的日气象系列。因此，本文尝试融合有限的地面气象观测数据、国际上较新的长系列高精度 Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation Version 2(MSWEP-V2)卫星集成降水数据集和欧洲中期天气预报中心的 ERA5 气温数据，首先通过基于分位数映射的日偏差校正(DBC)、基于月尺度的回归校正(LRBC)和等率校正(RBC)等 3 种偏差校正方法，对遥测栅格降水和再分析气温日系列进行校正，再采用季节性贝叶斯模式平均(Bayesian Model Averaging，BMA)方法求解各偏差校正系列的后验分布优选相应权重，得到融合多种偏差校正模式的日降水、气温系列，最后选取 2 个试验子流域分别基于新安江、GR4J 和 HMETS模型评估其水文模拟适用性及精度，关于 MSWEP-V2 和 ERA5 数据集的详细信息及具体校正方法，详见文献4。主要结论如下：1)MSWEP V2 降水和 ERA5 气温数据集在巢湖流域均存在一定的模拟偏差，故在流域水文模拟应用领域有必要开展气象数据偏差校正；偏差校正模型需要可靠的观测资料进行率定，该流域具有空间密度较高的自动气象站，为构建校正模型提供了良好的适用条件；对于地面观测站点稀少的地区，降水受地形、气候等多种因素影响较大，其偏差校正方法的稳定性有待进一步探讨。2)4 种偏差校正方法对气温变量进行校正后，整体上均得到较低的模拟误差，其中 DBC 方法对气温极值的模拟能力最优，BMA 方法次之；对于均值气温，DBC、RBC 和 BMA 方法均能得到优良的校正效果，校正后各月均温与实测系列的差异一般在 0.5以内，日气温的相关性系数均超过 0.9。3)日降水相较于气温系统误差偏大，LRBC 方法对降水的校正能力相对较差，而 BMA、DBC 和 RBC 方法均取得较好的校正效果，这 3 种校正模式下大多数评价指标的相对偏差低于 5%；基于国家基本气象台站长系列资料的泰勒图和回归分析结果显示，BMA 方法优于其他模式，日降水的相关性系数接近 0.8，月降水量的相关巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析 DOI:10.12677/jwrr.2023.124037 327 水资源研究 性系数超过 0.94。4)采用 BMA 模型偏差校正后的气象数据系列，分别驱动新安江、GR4J 和 HMETS 水文模型，结果显示在2 个试验子流域均取得较好的模拟效果，率定期和检验期的 Kling-Gupta efficiency(KGE)系数超过 0.67，纳西效率系数(NSE)和相对偏差(RB)等指标显示水文模型的水量误差较小。总体而言，BMA 方法校正的日降水、气温系列能够满足水文模拟的应用要求。4.桃溪水文站桃溪水文站日径流系列模拟与插补日径流系列模拟与插补 巢湖流域仅有两个系列不完整的水量监测断面，其中较为关键的丰乐河桃溪水文站也存在较多的缺测漏测现象，而巢湖流域反演的长系列降水和气温数据集具有时空分辨率高、数据质量好的特点，故可以通过丰乐河气象水文资料建立流域水文模型，实现水文资料的插补延长和资料稀缺流域的径流重塑模拟。杭埠河是巢湖流域最大的入湖河道，在杭埠河干流中上游建有龙河口水库，丰乐河是杭埠河最大的支流，而且其与杭埠河干流的交汇点接近巢湖湖区，桃溪站是丰乐河中上游的水文站。因此，通过重构桃溪水文站的径流系列不仅可以回溯模拟丰乐河的径流过程，还能为其他缺资料流域水文模拟过程的参数移植提供参考。本文采用新安江模型和GR4J 模型率定丰乐河流域的径流过程，并采用水文模型插补桃溪水文站的缺测系列。对于水文模型的参数率定方法，具体采用复合型混合演化(SCE-UA)算法优选水文模型参数，该算法是一种全局优化算法，它集成了随机搜索算法、单纯形法、聚类分析及生物竞争演化等方法的优点，能有效处理目标函数反映面的不敏感和不凸起等问题，且不受局部最优点的干扰5 6。桃溪水文站控制流域的水文模型精度普遍较好，其中 GR4J 模型率定期的 KGE 系数一般超过 0.85，模拟的旬径流和月径流与实测系列的相关性系数一般超过 0.72；新安江模型也取得了良好的模拟效果，率定期的 KGE系数一般超过 0.7。图 3 给出了桃溪水文站控制流域 GR4J 模型日尺度、旬尺度和月尺度的模拟与实测径流回归分析图，从图中可以看到模型的日径流模拟系列与实测系列较为接近，在旬尺度和月尺度均得到较高的相关性系数，仅在第 III 子期较低(但是旬和月尺度均超过 0.69)，而在其他三个子期日、旬和月尺度的相关性系数一般在 0.70.8 之间。总体来看，丰乐河流域建立的流域水文模拟总体上精度较高，能够满足巢湖流域无资料地区入湖河道的径流回溯模拟要求，故采用桃溪水文站控制流域的降水和气温数据驱动新安江模型和 GR4J 模型，分别模拟得到两套日径流系列；考虑到两个水文模型的模拟效果均较好，故最后采用两套日径流系列的均值替补缺测系列，得到桃溪水文站径流过程。5.基于基于产汇流经验计算模拟巢湖天然入湖径流系列产汇流经验计算模拟巢湖天然入湖径流系列 把巢湖流域分为山丘区和圩区，各分块山丘区通过次降雨径流关系得到净雨过程，再通过净雨与模型单位线复合得出各分块的径流过程线，再与圩区排水过程逐日叠加，得巢湖闸上逐日径流过程线。山丘区径流的计算过程分为产流和汇流两部分，产流和汇流计算过程如下。全流域目前雨量站分布较多，但是部分雨量站建设较晚，不具有长系列的降雨资料，部分雨量站监测数据不连续，没有完整的长系列资料。本报告采用两种方案选用降水数据：方案 I 为第 3 节推求的 19792021 年栅格化降水数据集，通过选取各子流域范围内所有栅格的降水进行均化，得到各河道的面雨量过程；采用的方案 II 为雨量站，根据雨量站的位置和资料的完整性进行选择，每条河道上、中、下游均会选择合适的雨量站，所选的雨量站尽量分布均匀，本次共选择雨量站 28 处，根据泰森多边形计算各雨量站的权重。利用所选用的雨量站计算各分块面积上的场次降雨，采用次降雨径流关系计算场次径流，再分配到每一天，得到逐日的流量过程，次降雨径流关系采用桃溪站和合肥站的次降雨径流关系曲线。以每条河道作为一个分块，巢湖闸上分为 8 块。山丘区模型单位线，采用无资料地区的模型线，这种模型是在特定前流域特性(K)和时段 3b(t=3 h)，降雨强度为 50 mm，流域面积为 1000 km2的情况下做出的。经过换算做出了不同分块面积上，不同流域特性(K)，时段为 1 d(t=24 h)的模型线。巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析 DOI:10.12677/jwrr.2023.124037 328 水资源研究 Figure 3.Regression results of GR4J-simulated and observed runoff series in control basin of Taoxi hydrological station 图图 3.GR4J 模型在桃溪水文站控制流域模拟与实测径流的回归分析结果 Figure 4.Natural total inflow derived by yielding and routing method and observed annual runoff in Chao Lake 图图 4.基于产汇流计算得到的巢湖天然总入湖与实际入湖年径流 巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析 DOI:10.12677/jwrr.2023.124037 329 水资源研究 基于上述方法，采用栅格降水数据集和雨量站数据分别模拟得到巢湖各入湖河道的天然径流系列后，通过与圩区排水系列叠加，得到天然状态下的巢湖总入湖系列(见图 4)。从该图看出，采用雨量站点数据和栅格降水得到的总入湖径流系列非常接近；由于推求栅格化降水数据时采用了巢湖流域所有搜集到的实测雨量数据进行校正，各站点月尺度的栅格降水与实测降水的相关性系数达到 0.8，校正过程还使用年降水总量进行了质量控制，故经过流域面平均后得到的年系列与实测数据差异进一步缩小，这一结果也同时验证了第 3 节反演栅格降水数据集的合理性。为了对比分析天然径流系列的合理性，图 4 进一步给出了基于产汇流计算的天然总入湖与水量平衡反演实际总入湖系列的逐年径流量，可以看出天然入湖与实际入湖系列的年际变化趋势整体上接近，且能较好地刻画丰水年、枯水年和平水年。从图中进一步看出，天然径流系列与实测径流系列存在一定差异，这是由于巢湖流域水库调蓄、工农业取用水等影响，故有必要进一步考虑人类活动影响、推求巢湖各河道的入湖径流系列。6.巢湖入湖河道径流方案比选与基于人类活动影响的校正优化巢湖入湖河道径流方案比选与基于人类活动影响的校正优化 6.1.多方案比选分析多方案比选分析 采用常规水文比拟法和考虑降水修正的水文比拟法分别推求南淝河、白石天河、派河、柘皋河和十五里河等五条集水面积超过 100 km2的入湖河道长系列径流过程，并对两种方案下的长系列入湖径流过程进行集成；圩区排水过程大圩按照 0.61.1 m3/s/km2进行计算；最后通过水量平衡进行校正，从而得到优化后的各河道入湖径流系列。由于巢湖流域 39 条入湖河道中仅有 7 条河流集水面积超过 100 km2，故将剩余 1259 km2概化为其他区间。经过比较分析，常规水文比拟法得到的径流系列在南淝河和白石天河等河道难以满足降水径流关系，这是由于各河道的下垫面条件差异较大，难以直接采用面积缩放方式获得径流过程，故考虑降水因素对模拟入湖河道径流系列具有重要意义。进一步对比考虑降水修正的水文比拟法与产汇流计算的天然径流过程，发现杭埠河的年际变化趋势基本一致，其他河道的差异较大，如图 5 所示。从该图看出，尽管两种方案得到的杭埠河年径流年际变化趋势接近，但是各年份的年径流总量存在差异。Figure 5.Comparison of annual runoff during 19682021 based on two different methods in Hangbu River 图图 5.两种方案下杭埠河 19682021 年径流的对比结果 通过综合分析和多方案比选，发现各方案各有优劣，水文比拟法和降水修正法的计算量较小，对有资料地区的河道径流模拟精度较高，例如能够充分利用杭埠河的观测系列，但是由于巢湖各入湖河道的产汇流条件存在显著差异，这两种方案在其他河道的应用效果较差，该方案推算的总入湖与实测系列差异较大，难以直接应巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析 DOI:10.12677/jwrr.2023.124037 330 水资源研究 用于回溯模拟总入湖径流系列。采用产汇流计算得到的天然入湖系列能够较好地捕捉总入湖径流过程，各河道及圩区叠加的天然入湖量与实测总入湖的年际变化趋势接近，但是未考虑水利工程和工农业用水影响，对部分河道的模拟结果存在偏差。尽管上文推求了天然状态下的各河道入湖径流，为了适应现状条件下支撑推求入湖河道污染通量的要求，以满足调度应用和水资源管理等实际需求，当前迫切需考虑人类活动的影响量。综合上述分析结果，本文建议以经验产汇流计算的天然入湖径流系列为基准，进一步考虑流域外引调水工程、湖区周边工农业取用水等人类活动，给出优化校正后的巢湖入湖河道径流系列。6.2.考虑考虑外流域调水外流域调水影响校正净雨量和径流系列影响校正净雨量和径流系列 把巢湖流域分为山丘区和圩区，各分块山丘区通过次降雨径流关系得到天然净雨过程，再通过净雨与模型单位线复合得出各分块的径流过程线，再与圩区排水过程及水库下泄过程逐日叠加，得巢湖闸上天然逐日径流过程线。由于防洪排涝工程的建设，流域防洪排涝能力不断提高，根据各典型年实际统计相应的排涝能力，初步统计，现状圩区泵站排水模数一般在 0.61.1 m3/s/km2。基于两套降水数据集，通过以上方法进行产汇流计算，得到各分块山丘区的逐日径流过程，各分块径流过程叠加圩区排水过程、大型水库泄水过程和湖面的来水过程，得到巢湖闸上逐日径流过程。考虑到兆河的河道较为平缓，且来水交错复杂；以兆河闸为界，兆河闸下 83 km2直接入巢湖，兆河闸上 537 km2入西河，难以直接反演。本文以柘皋河为参照流域，首先采用面积比法缩放，折算后得到兆河闸上的径流系列，与兆河闸的汇入流量叠加，得到兆河的入湖径流系列。两种降水方案下得到的校正后径流系列，分别记为方案 I 和方案 II。两种降水方案得到的入湖径流基本接近(均基于实测数据进行了校正处理)，主要在洪水年和枯水年的若干月份存在差异。例如，对于杭埠河而言，不同方案的径流系列在 1991 年和 2020 年存在一定不显著的差异，在其他年份普遍非常接近。整体来看，两种方案得到的径流结果较为接近，方案 I 采用栅格降水系列得到面降雨进而推求入湖径流能更充分地考虑气象事件的空间异质性，方案 II 采用雨量站资料与以往的设计规划报告较为接近。进一步比较两种方案的年际变化，发现方案 I 对捕捉特大/小年份的径流过程较为有优势，这是由于栅格降水数据集能较好反映巢湖流域的空间异质性及降水事件的时空过程。基于以上分析结果，对于 19792021 年系列，本文采用栅格降水数据(方案 I)得到的径流过程；对于 19511978 年系列，由于暂无栅格降水数据，采用雨量站(方案 II)推求的径流过程。图 6 给出了上述方法得到的杭埠河年径流的 Pettitt 突变检验结果，可以看到回溯模拟的杭埠河年径流系列在 2010 年存在显著突变。Figure 6.Abrupt point detection analysis of Hangbu River annual inflow runoff 图图 6.杭埠河入湖年径流的突变检验分析结果 6.3.合理性分析合理性分析 为进行成果合理性说明，首先比较本文推求的径流回溯模拟过程和水量平衡方法得到的实测过程，差别最大的年份为 1969、1991 和 2020 等大水年，这几个大水年 7 月份均发生了破圩，进一步分析发现月平均差值最巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析 DOI:10.12677/jwrr.2023.124037 331 水资源研究 大的月份也为 7 月份，故结果基本合理。根据安徽省第三次水资源调查评价成果，巢湖流域 19562016 年多年平均地表水资源量为 59.79 亿 m3，50%、80%和 95%保证率下的地表水资源量分别为 66.39 亿 m3、35.73 亿m3和 23.65 亿 m3。杭埠河流域多年平均地表水资源量为 21.91 亿 m3，50%、80%和 95%保证率下的地表水资源量分别为 24.84 亿 m3、12.17 亿 m3和 8.34 亿 m3。本文推求的巢湖 19512021 年多年平均入湖径流量为 43.18 亿m3，量级相比水资源调查评价的结果偏小，这是由于本文仅考虑巢湖闸上游的入湖径流量，未考虑巢湖湖区、闸下游及湖区的径流量，故偏小结果是合理的。进一步对比杭埠河的多年平均径流量，发现本文推求的径流量为 20.82 亿 m3，19562016 年径流量为 20.98 亿 m3，与水资源调查评价的结果略微偏小；但是安徽省第三次水资源调查评价成果给出的地表水资源量是指河流、湖泊、冰川等地表水体中由当地降水形成的、可以逐年更新的动态水量，是天然河川径流量，本文推求的杭埠河径流系列考虑了水库调蓄影响和工农业耗水过程，结果适当偏小是合理的。7.巢湖总入湖年径流频率分析巢湖总入湖年径流频率分析 考虑到不同水文频率分布线型和参数估计方法可能对计算结果有较大影响，本项目同时采用 P-III/CF 和P-III/LM 两种不同的频率分析模型开展巢湖总入湖年径流频率分析计算，相关计算成果见图 7 和图 8。其中，考虑国内通常做法和地区综合需要，对 P-III/CF 采取 Cs/Cv=2。关于两种频率分析模型的介绍，参见文献7 8。结合图 7 看出，采用中国规范推荐的 P-III/CF 模型时，巢湖总入湖年径流 1%设计频率下的径流量为 103.7 亿m3，2%设计频率下的年径流量为 94.2 亿 m3，10%设计频率下的年径流量为 70.4 亿 m3，20%设计频率下的年径 Figure 7.Hydrological frequency results of annual inflow runoff of Chao Lake by P-III/CF model 图图 7.巢湖总入湖年径流 P-III/CF 模型频率曲线结果 巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析 DOI:10.12677/jwrr.2023.124037 332 水资源研究 Figure 8.Hydrological frequency results of annual inflow runoff of Chao Lake by P-III/LM model 图图 8.巢湖总入湖年径流 P-III/LM 模型频率曲线结果 流量为 58.7 亿 m3；若采用线性矩法估计 P-III 分布函数，设计年径流量普遍减少 6%16%，例如 1%设计频率下的年径流为 88.7 亿 m3，减少了 14.5%。本文进一步开展了各入湖河道的年径流频率分析，发现采用中国规范推荐的 P-III/CF 模型时，杭埠河入湖系列年径流 1%设计频率下的径流量为 48.5 亿 m3，2%设计频率下的年径流量为 44.2 亿 m3，10%设计频率下的年径流量为 33.4 亿 m3；若采用线性矩法估计 P-III 分布函数，设计年径流量普遍减少 3%7%。8.结论结论 巢湖入湖河道的长系列径流回溯模拟结果对支撑“引江济淮”工程具有重要意义，本文首先采用水量平衡方法推求了巢湖总入湖径流系列，进一步融合卫星遥测数据、气候模式再分析数据和地面观测数据，分别采用DBC、LRBC、RBC 和 BMA 等四种偏差校正方法对卫星遥测数据进行校正，得到了巢湖流域 19792021 年的高分辨率气象数据集，并验证了其各项精度满足要求。采用新安江模型和 GR4J 模型对桃溪水文站控制流域开展了模型率定，并验证了模拟精度满足要求，各模型的参数在合理区间，具有物理意义，利用该模型插补了桃溪水文站的日径流系列。基于卫星遥感反演及雨量站数据，从产汇流过程推求巢湖总入湖及各河道的天然入湖径流系列，把巢湖流域分为山丘区和圩区，各分块山丘区通过次降雨径流关系计算净雨过程，考虑人类活动影响校正净雨量，再通过净雨与模型单位线复合得出各分块的径流过程线，再与圩区排水过程、大型水库泄水过程和湖面的来水过程逐日叠加，得巢湖闸上逐日径流过程线，并验证了该结果的合理性。考虑引调水工程、圩区排水过程、工农业耗用水、污水厂排污等，基于多种方案推求了巢湖的总入湖及各巢湖入湖河道长系列径流回溯模拟与频率分析 DOI:10.12677/jwrr.2023.124037 333 水资源研究 入湖河道的径流系列，通过多方案比较和优化，给出了各河道的 19512021 年入湖径流过程，并区分了天然径流量和人类活动影响后的径流系列。经过回溯模拟，巢湖的年入湖径流量约为 43.18 亿 m3；采用 P-III/CF 和P-III/LM 两种不同的频率分析模型，开展了年径流频率分析计算工作，采用中国规范推荐的 P-III/CF 模型时，巢湖总入湖年径流 1%设计频率下的径流量为 103.7 亿 m3，2%设计频率下的年径流量为 94.2 亿 m3。基金项目基金项目 巢湖生物资源调查及生态修复示范工程(基础调查研究部分)(编号：2021BFFBZ01571)、国家自然科学基金(编号：52009091；52242904)、中央高校基本科研业务费专项项目(编号：2042022kf1221)、武汉大学研究生导师育人方式创新项目、武汉大学学位与研究生教育教学改革研究项目、武汉大学“教育教学改革”建设引导专项(本科教育质量建设综合改革子项目)、武汉大学研究生研究学分课程建设项目等资助。参考文献参考文献 1 周文强,马友华,吴雷,等.巢湖流域土地利用变化对雨洪调蓄能力的影响J.水资源与水工程学报,2023,34(3):101-108.ZHOU Wenqiang,MA Youhua,WU Lei,et al.Land use change affects stormwater storage capacity of the Chaohu basin.Journal of Water Resources and Water Engineering,2023,34(3):101-108.(in Chinese)2 吴利,张雁,陈亚军,等.巢湖流域河湖系统水环境因子分布特征及营养状态评价J.水生态学杂志,2023,44(1):65-72.WU Li,ZHANG Yan,CHEN Yajun,et al.Distribution of water environmental factors and evaluation of trophic state in the river-lake system of Chaohu Lake basin.Journal of Hydroecology,2023,44(1):65-72.(in Chinese)3 王诗琪,周振宏,刘东义,等.基于土地利用变化的巢湖流域景观格局变化研究J.延边大学农学学报,2022,44(4):84-93.WANG Shiqi,ZHOU Zhenhong,LIU Dongyi,et al.Study on landscape pattern change of Chaohu basin based on landuse change.Agricultural Science Journal of Yanbian University,2022,44(4):84-93.(in Chinese)4 尹家波,郭生练,王俊,等.基于贝叶斯模式平均方法融合多源数据的水文模拟研究J.水利学报,2020,51(11):1335-1346.YIN Jiabo,GUO Shenglian,WANG Jun,et al.Blending multi-source data in hydrological simulations based on BMA method.Journal of Hydraulic Engineering,2020,51(11):1335-1346.(in Chinese)5 DUAN,Q.,SOROOSHIAN,S.a