李亞龍，吳曉蓓，秦 博

（1.黑龍江省黑河水文局，黑龍江 黑河 164300；2.松遼委黑龍江水文水資源勘測(cè)局，黑龍江 黑河 164300）

新安江模型在我國(guó)南方濕潤(rùn)地區(qū)應(yīng)用的十分廣泛，但在黑龍江省應(yīng)用的并不多，一方面是因?yàn)楹邶埥∷氖聵I(yè)發(fā)展較緩，雨量站密度遠(yuǎn)小于南方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份，另一方面是因?yàn)楹邶埥〉靥幐呔暤貐^(qū)，冬季漫長(zhǎng)寒冷，冰期半年左右，個(gè)別地區(qū)冰期長(zhǎng)達(dá)270 d。由于冰雪的影響，水文特性與南方無(wú)凍地區(qū)的水文特性有較大不同，本文在分析受凍土影響下的寒冷地區(qū)水文特性的基礎(chǔ)上，將新安江模型應(yīng)用到科洛河。

1 流域概況

科洛河為嫩江左岸主要支流之一，流域面積7915 km2，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，氣溫變化急劇，溫差較大，多年平均氣溫-0.5℃，年最高氣溫37.0℃，年最低氣溫-47.0℃，風(fēng)向多呈北風(fēng)，最大風(fēng)力可達(dá)8級(jí)，一般在5級(jí)以下。冬季嚴(yán)寒少雪，夏季溫濕多雨，多年平均降水量在500 mm左右。降水和徑流年內(nèi)分布極不均衡，冬季河流長(zhǎng)時(shí)間結(jié)冰封凍，土壤凍結(jié)。多年平均封凍天數(shù)在170 d左右，最大凍土深度達(dá)2.80 m，最大冰厚1.60 m，有凍土存在時(shí)間長(zhǎng)達(dá)270 d之久。凍土的存在使水文情勢(shì)具有寒冷地區(qū)的特點(diǎn)。流域坡度5°～10°，海拔高度在200～300 m之間。為堆積地形，盆地、平原、溝谷地貌特征，植被覆蓋良好。

科后水文站是科洛河下游控制站，位于東經(jīng)125°43′，北緯 49°23′。該站地處嫩江縣科洛鄉(xiāng)，斷面以上至河源長(zhǎng)252 km，至河口距離72 km，集水面積7310 km2，測(cè)驗(yàn)斷面以上有龍門(mén)、七星泡、塔溪、向陽(yáng)、麥海、白云、石頭溝、沐河、科后等9個(gè)雨量站。

2 凍土存在影響水文特性

由于位于高緯度地區(qū)，科洛河流域冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，地面積雪，土壤凍結(jié)，凍土深度多在1 m以上，部分地區(qū)有局部和成片的永久性?xún)鐾链嬖?。凍土影響水文特性，使新安江產(chǎn)流模型在科洛河應(yīng)用時(shí)效果極差，制作預(yù)報(bào)方案時(shí)，5，6月份和部分7月份徑流量明顯偏大。經(jīng)分析去除降雨等誤差影響仍無(wú)法改變。除永久性?xún)鐾镣?，其他都是冬季凍結(jié)，夏季融凍的季節(jié)性?xún)鐾?。河流解凍后，仍有凍土存在，積雪和凍土的存在，改變了包氣帶厚度和土壤水分的動(dòng)態(tài)規(guī)律，降雨徑流關(guān)系受到制約。凍土的不透水作用，蓄水調(diào)節(jié)作用，抑制蒸發(fā)作用，使降雨入滲、土壤含水量的垂線分布等均不同于無(wú)凍地區(qū)和無(wú)凍期。凍土的存在，增加了土層蓄水量，土改變了土壤含水量的垂線分布，使土壤蒸發(fā)能力降低，融凍期土壤入滲能力減小。

3 參數(shù)的確定

3.1 流域蒸發(fā)和K值分析

該流域凍土從上年10月末凍結(jié)，次年3月末4月初上層開(kāi)始解凍，至8月初凍土化通。有凍土存在時(shí)因土壤凍結(jié)，毛管輸水終止。地面覆雪后，蒸發(fā)發(fā)生在雪面，而且由于冬季氣溫極低，蒸發(fā)微弱。實(shí)際土壤蒸發(fā)遠(yuǎn)小于氣候蒸發(fā)能力，因此對(duì)凍土存在時(shí)期的蒸發(fā)能力應(yīng)進(jìn)行凍土期修正，K值采用清溪站計(jì)算值，[6]如表1所示。

表1 清溪站蒸發(fā)能力和K值計(jì)算表（Wm=120 mm，K=1-Em/Wm）

修正凍土期蒸發(fā)能力的方法是，令凍土期實(shí)際蒸發(fā)能力為Ep，常規(guī)法采用的蒸發(fā)能力EZ=E601，凍土期蒸發(fā)修正系數(shù)KE，則

冬季積雪期的Ep和KE近于零，Ep隨氣溫回升和凍土解凍過(guò)程確定各月的休整系數(shù)KE。對(duì)蒸發(fā)能力Em修正后按K=1-Em/Wm計(jì)算K日和K月消退系數(shù)。

3.2 流域最大蓄水容量Wm

流域最大蓄水量Wm，是反映流域蓄水和對(duì)降雨徑流關(guān)系調(diào)節(jié)性能的參數(shù)，其確定方法和雨洪計(jì)算相同。但在科洛河流域，年、季降雨量相對(duì)偏少，用常規(guī)法難以求得Wmax值，因此采用經(jīng)驗(yàn)法試算，以求得R=f（P+W0）更為合理。其中，R為徑流深；P為降雨量；W0為起始蓄水量。經(jīng)分析，Wmax與氣候及下墊面條件有關(guān)，該流域雖然降水量不充沛，但植被良好，受凍土不透水層影響，地下水位較高，在植物根系層以上（約0.30 m）土壤濕潤(rùn)，容易蓄滿(mǎn)而形成蓄滿(mǎn)產(chǎn)流的機(jī)制，因此Wmax定位120 mm為宜。當(dāng)考慮月計(jì)算時(shí)，降雨和蒸發(fā)量均大于次洪過(guò)程Wm不宜過(guò)小，分層計(jì)算中，上層WUM，下層WLM，深層WDM均按降水、蒸發(fā)和凍土變化過(guò)程取變動(dòng)值，如表2。

3.3 其他計(jì)算的有關(guān)問(wèn)題

1）凍土在封凍過(guò)程中，土壤含水量增加，為考慮增加的流域蓄水量，將起始蓄水量計(jì)算到3月31日后的W0乘以相應(yīng)的系數(shù)c，此例采用系數(shù)為c＝1.2，即 1.2 W0。

表2 科洛河分層模型設(shè)置表（Wm=120 mm）mm

2）凍土蓄水按層分配系數(shù)。為考慮凍土蓄水量的變化，最好從上年度秋季起開(kāi)始計(jì)算前期蓄水量，可按月計(jì)算，因?yàn)?1月至次年2月為穩(wěn)定封凍期，降水、蒸發(fā)可合并作為一個(gè)時(shí)段，當(dāng)計(jì)算的W0分配到分層計(jì)算模型的各層中去。此時(shí)可按分層WUM、WLM和WDM起始值的比例，進(jìn)行分配，如表2中，11月至次年3月末起始分層蓄水容量為0，70，50 mm，流域最大蓄水容量為120 mm，則分到各層為 0，70/120，50/120，按此比例系數(shù)乘以計(jì)算的起始W0，即得到各層起始蓄水量。

3）最大蓄水量。最大蓄水量分為上下兩層最大蓄水量。上下兩層最大蓄水量均為變化值，按下面公式計(jì)算，其和為流域最大蓄水容量。

式中：WDMT上層最大蓄水量；KDT消退系數(shù)；t，T 為融凍時(shí)間與至化通的總歷時(shí)；a為與消退速度有關(guān)的系數(shù)，0.8為宜；WXMT下層最大蓄水。

4）蓄水量計(jì)算前推時(shí)間和起算值?？紤]土壤凍結(jié)蓄水量增加的特性，W0計(jì)算時(shí)盡可能跨年計(jì)算，為簡(jiǎn)便和減少工作量，可按月以單層模型計(jì)算，受寒區(qū)凍土影響，土壤含水量較大，起始值可大一些，可取2/3Wm。

在分析了凍土影響下的水文特性的基礎(chǔ)上，采用受凍土影響下的產(chǎn)流模型，在科洛河流域，方案的精度為80%，遠(yuǎn)高于采用傳統(tǒng)方法不足50%的精度，同時(shí)采用連續(xù)計(jì)算的方法，解決了4，5月份的徑流計(jì)算點(diǎn)子明顯偏離曲線的問(wèn)題，同時(shí)解決了6，7月份點(diǎn)子系統(tǒng)性偏大的問(wèn)題。見(jiàn)圖1。

圖1 科后降雨徑流相關(guān)圖

[1]肖迪芳、陳培竹.凍土影響下的降雨徑流關(guān)系[J].水文，1983（2）.

[2]周有才.凍土中水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律[J].黑龍江水利科技，1980（2）.

[3]黑龍江水利科學(xué)研究所部份實(shí)驗(yàn)資料，1979.

[4]肖迪芳.寒區(qū)凍土水文學(xué)概論[D].全國(guó)冰工程學(xué)會(huì)文件匯編，1996.

[5]肖迪芳.寒區(qū)降雨徑流模擬清溪模型[D].蘭州冰川凍土學(xué)會(huì)文件匯編，1996.

[6]肖迪芳.凍土地區(qū)年、季降雨徑流關(guān)系分析[J].黑龍江水利科技，1996（2）.