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准确估算洪峰流量是小流域土壤侵蚀预报、防洪、水利工程设计和水资源管理的基础,黄土高原土壤侵蚀强烈、水资源匮乏,因此,科学认识和预报黄土高原小流域次暴雨的洪峰流量具有重大现实意义。本研究共搜集黄土高原71个小流域、2584场次降雨的地形参数(流域面积、主沟道长度、主沟道比降、形状系数、流域地理参数L/J1/3)、降雨参数(降雨量、降雨历时、降雨强度)和径流参数(径流量、径流深、径流系数)资料。利用所搜集的资料分别进行了黄土高原全区、黄土高原各分区、各月份、各面积区间内地形、降雨和径流参数与洪峰流量的回归分析,以此分析各个参数对洪峰流量变化的解释能力,同时利用这些资料检验了国内外10个小流域次暴雨洪峰流量经验公式在黄土高原的适用性。最后本研究将搜集的资料分为两部分(建模数据和检验数据),利用建模数据,参考以往经验公式的形式,利用合格率(R20)与相对误差小于50%的比例(R50)作为评判公式好坏的核心指标,构建了黄土高原小流域次暴雨洪峰流量模型,并利用检验数据进行了精度检验。模型包括黄土高原全区、丘陵沟壑区、高塬沟壑区以及丘陵沟壑区第Ⅰ、Ⅱ副区的洪峰流量经验公式。本研究的结论如下:
(1)黄土高原全区、各分区、各月份、各面积区间内均是径流参数对洪峰流量的解释方差最大,其次是地形和降雨参数。径流参数的径流量(Q)与洪峰流量(QP)的相关性最高。地形参数中流域地理参数L/J1/3(α)、流域面积(A)、主沟道长度(L)和主沟道比降(J)对QP的解释方差相差不大。形状系数(f)对QP的解释方差远低于其它的地形参数。与径流和地形参数相比,降雨参数对QP的解释方差较小,按从大到小排序依次为降雨强度(1)、降雨量(P)和降雨历时(T)。QP随着A、L、f、α、P、I、Q、h、ψ的增大而增大,随着J、T的增大而减小。各参数对洪峰流量的影响与流域面积大小有关,30km2可以作为黄土高原各参数对洪峰流量解释方差的转折点。因此在构建黄土高原小流域次暴雨洪峰流量模型时可将30km2作为小流域面积分界点。
(2)研究中检验的10个公式在黄土高原的适用性均不高,绝大多数公式的合格率都达不到20%,四个单参数公式(Meyer公式、Sheridan-one公式、Creage公式、Scimemi公式)的预测效果均比多参数公式(CREAMS公式、Rode and Frede公式、Sheridan-two公式、Fu公式、SCS公式、Capece公式)差。多参数公式中,Fu公式适用性最好,尤其是在丘Ⅰ区,R20和R50达到20.1%和48.4%,但相对误差偏高,平均为151.9%。相对误差往往与没有考虑的参数相关性最好,说明建立黄土高原小流域次暴雨洪峰流量经验模型时必须综合考虑地形、径流和降雨三类参数,缺一不可。由于不同参数间存在着相关性,所以同类参数并不是个数越多越好。
(3)在建模过程中,我们发现有几个公式形式在黄土高原全区和各分区每个面积区间中拟合效果都较好。从各个拟合效果较好的经验公式中优选出R20和R50最高的公式作为黄土高原小流域次暴雨洪峰流量经验模型。除丘陵沟壑区面积区间[30,205]的经验公式(丘陵沟壑区[30,205]公式)和丘Ⅰ区[30,205]公式的预测值偏大外,模型中其余公式的预测值都比真实值略微偏小(0.56~0.89)。模型的合格率在18.4%与32.6%之间,并有40.2%~59.3%的预测值在真实值的±50%范围以内。除高塬沟壑区[30,205]公式外,检验数据中各公式的R20和R50均有不同程度的降低,其中R20降低的程度要比R50要大。但各公式的R20和R50依旧比以往公式的值要高得多。
(4)黄土高原洪峰流量的影响因素很多且变异性大,仅用地形、降雨和径流三类参数并不足以拟合出合格率达标的经验公式。因此要建立稳定高效地小流域洪峰流量经验公式,必须考虑其他(如土地利用、植物覆盖、水土保持等)影响小流域次暴雨洪峰流量的参数。