江流場下墊面條件改變和氣象變化對匯流參數(shù)m的影響研究

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

近年來，隨著氣候變化、流域內(nèi)庫壩建設(shè)，河道特征的改變、水文下墊面條件受人為因素的影響，許多原有的水文數(shù)據(jù)、參數(shù)等發(fā)生變化，原有的推理公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大。為適應(yīng)當(dāng)前今后一段時間水利發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，滿足新形勢下水利工程建設(shè)防洪需求，需要有新的計(jì)算參數(shù)。本次研究背景以以黃土梁峁丘陵溝壑區(qū)馬湖峪江流場為例。

1 研究方法

我國無資料地區(qū)水利計(jì)算設(shè)計(jì)中，水科院推理公式法使用最廣，而匯流參數(shù)m值是推理公式計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量最重要的定量參數(shù)。本文在以往分析計(jì)算基礎(chǔ)上，運(yùn)用陜西省馬湖峪流域馬湖峪水文站多年次降雨次洪水分析計(jì)算結(jié)果，對該流域匯流參數(shù)m值進(jìn)行定量綜合，以滿足現(xiàn)有下墊面條件下水文計(jì)算得精度。

2 馬湖峪推理公式法m值計(jì)算過程

2.1 流域概況

馬湖峪河發(fā)源于陜西省橫山縣石窯溝鄉(xiāng)腦畔山，河流自西向東流經(jīng)武鎮(zhèn)、郭興莊、付家坪，至米脂縣張家灣村附近匯入無定河。馬湖峪流域河道兩岸分布較為均勻，左岸面積占流域總面積的40.3%，右岸面積占59.7%。全流域河長大于5 km支流16條，交大支流為龍鎮(zhèn)溝、廟溝、張家溝、寺坪溝(圖1)。

據(jù)榆林氣象站資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫8.1℃，極端最高氣溫38.6℃(1935年7月8日)，極端最低氣溫-32.7℃(1954年12月28日)，年平均日照2 925.5 h，年平均無霜期259.4 d；全年多西北風(fēng)，東南風(fēng)次之，歷年最大風(fēng)速20.7 m/s，多年平均降水量為406.8 mm，多年平均蒸發(fā)量1 895.7 mm，最大積雪深度15 cm，最大凍土深度148 cm。

2.2 水文站網(wǎng)基本資料

馬湖峪河流域設(shè)有馬湖峪水文資料，該流域流域呈羽毛狀，河長39 km，河道平均比降5.9%，集水面積372 km2，實(shí)際產(chǎn)流面積每次洪水均在變化。本次計(jì)算收集了該河流相關(guān)站點(diǎn)的降水、蒸發(fā)、流量等主要觀測數(shù)據(jù)和資料。

圖1 馬湖峪流域水系圖

2.3 推理公式法m值計(jì)算

由于馬湖峪流域上游水庫以及多座淤地壩的修建，實(shí)際產(chǎn)流面積每年均在變化，分析該站歷年雨洪數(shù)據(jù)，通過三性審查，最終選取10次暴雨對應(yīng)關(guān)系較好的雨洪過程作為計(jì)算依據(jù)。通過10次雨洪過程計(jì)算結(jié)果，分析得到馬湖峪站匯流參數(shù)m。本次計(jì)算選用1980年7月24日上游雨量站降雨過程。

2.3.1 基本數(shù)據(jù)

馬湖峪流域地形相對平坦，雨量站分布密度較大，觀測年限較長，收集的暴雨資料較豐富，本次采用算術(shù)平均法計(jì)算流域平均雨量。結(jié)合該地區(qū)暴雨特點(diǎn)，降雨總歷時確定為6 h，時段為1 h。選取7個具有代表性的雨量站，并選取歷史上發(fā)生的、具有獨(dú)立性的大暴雨過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表1和表2)。

鑒于水土保持對流域產(chǎn)匯流規(guī)律發(fā)生了較大的影響，本次重構(gòu)樣本系列，有效回避系列不一致問題。在實(shí)測洪水過程線圖上，采用直線斜割法，割除深層地下水及潛流，然后量算即為地面徑流量。起割點(diǎn)為洪水明顯起漲點(diǎn)，終點(diǎn)為退水拐點(diǎn)，終點(diǎn)流量為凈洪峰流量10%。

表1 馬湖峪站1980年7月24日上游雨量站降雨過程

表2 馬湖峪站1980年7月24日洪水過程線

2.3.2 凈雨量計(jì)算

根據(jù)洪水過程線，在縱坐標(biāo)軸上自原點(diǎn)截取等于凈雨量hR的點(diǎn)，向曲線作切點(diǎn)，切點(diǎn)的橫坐標(biāo)為產(chǎn)流歷時tc，縱坐標(biāo)為產(chǎn)流歷時內(nèi)降雨量Htc。Htc減去hR即為產(chǎn)流期的入滲量μtc，再除以產(chǎn)流歷時tc，即為產(chǎn)流期平均入滲率μ。用產(chǎn)流歷時內(nèi)各時段的降雨量減去時段入滲量，求得相應(yīng)時段凈雨量。時段凈雨之和等于地面徑流量hR。

通過以上方法，該次降雨產(chǎn)生的凈雨量為hR=5.81 mm。

2.3.3 產(chǎn)流歷時計(jì)算

根據(jù)雨量站降雨過程變化情況劃分降雨時段，用算術(shù)平均法求得時段平均雨量。降雨過程按照從小到大排列。建立關(guān)系曲線，截取縱坐標(biāo)等于hR，向曲線做切線，切點(diǎn)橫坐標(biāo)為產(chǎn)流歷時tc。

2.3.4 匯流歷時計(jì)算

2.4 匯流參數(shù)m計(jì)算

3 計(jì)算結(jié)果

利用上述方法計(jì)算馬湖峪次降雨與洪峰關(guān)系，并通過10次雨洪過程計(jì)算結(jié)果，計(jì)算出該流域多次降雨徑流關(guān)系重要系數(shù)—匯流參數(shù)m。推理公式產(chǎn)生在土壤含水量較大，蓄滿產(chǎn)流時的設(shè)計(jì)上，因而所選水文資料必須是降水量及洪水量級較大的水文資料。由于陜北地區(qū)蓄滿產(chǎn)流幾乎很少發(fā)生，因而計(jì)算出的匯流參數(shù)m極不穩(wěn)定。

表3 馬湖峪站9場洪水計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 與80年代水文手冊計(jì)算結(jié)果對比

80年代水文手冊計(jì)算時對陜北地區(qū)17站104場洪水進(jìn)行分析計(jì)算，列出同為黃土丘陵溝壑區(qū)匯流參數(shù)m平均值為3.3。本次計(jì)算馬湖峪站匯流參數(shù)m為9.8。

近年來由于國家對黃土高原地區(qū)進(jìn)行了退耕還林環(huán)草、天然林保護(hù)、土地荒漠化防治等工程，這些工程對流域水文特征產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。流域產(chǎn)流量明顯減少，洪水發(fā)生次數(shù)及量級均有減少，使得洪水規(guī)律收到一些影響。

5 結(jié)語

本次計(jì)算收集了該河流相關(guān)站點(diǎn)的多年降水、蒸發(fā)、流量等主要觀測數(shù)據(jù)資料，大量的實(shí)測資料計(jì)算結(jié)果更符合現(xiàn)有實(shí)際情況，滿足新形勢下該流域水利水保工程建設(shè)、城市防洪、交通運(yùn)輸、市政建設(shè)、能源開發(fā)、國土整治、生態(tài)環(huán)境治理等諸多涉水工程建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)需求，保證新形勢下水資源的可持續(xù)利用。