高志軍，王麗麗，田長(zhǎng)濤

(1. 呼瑪縣水文站，黑龍江 呼瑪165100;2. 孫吳縣水文局，黑龍江 孫吳164200;3. 伊春水文局，黑龍江 伊春153000)

1 降雨徑流形成原理及影響因素簡(jiǎn)介

在一個(gè)閉合流域內(nèi)，自降雨至出口斷面出現(xiàn)徑流過(guò)程，一般要經(jīng)過(guò)流域蓄滲、坡地漫流、河槽匯流3個(gè)階段，見(jiàn)圖1。

圖1 降雨徑流形成過(guò)程簡(jiǎn)圖

一次降雨后形成徑流過(guò)程的水源劃分情況見(jiàn)圖2，在圖2 中，1 表示由地面徑流形成的洪水過(guò)程;2 表示由表層流形成的洪水過(guò)程(1 和2 統(tǒng)稱地表徑流，地表徑流與洪峰流量關(guān)系密切);3 表示由淺層地下徑流形成的洪水過(guò)程;4 為深層地下徑流，其形成過(guò)程與本次降雨無(wú)關(guān)。圖2 中的水源劃分僅僅是一種在理論上理想情況下的劃分，實(shí)際上在前期流域土壤含水率相差較大時(shí)，地面徑流和地下徑流( 表層、淺層、深層流)的分配會(huì)相差較大，即前期干旱時(shí)地面徑流偏少，前期濕潤(rùn)時(shí)偏多。一次降雨所帶來(lái)的雨量并不能完全進(jìn)入河道形成徑流，其中不能形成徑流的那部分降雨就是損失量，損失量一般包括:植物和水工建筑物截流、雨間蒸發(fā)、填充洼地、土壤下滲，這些損失都出現(xiàn)在流域坡地，所以也稱坡地?fù)p失。

圖2 降雨徑流過(guò)程水源劃分示意圖

影響產(chǎn)流的主要因素有流域自然地理特性、氣象因素和土壤濕潤(rùn)情況因素等，具體包括流域面積、地形、土壤種類和結(jié)構(gòu)、植被情況、水工建筑物、地下水埋深、降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨的時(shí)空分布、土壤含水率和氣溫、濕度、風(fēng)向風(fēng)力等。由于上述各影響因素復(fù)雜多變，目前仍然難以實(shí)際定量掌握。

雨水透過(guò)地表滲入土層的下滲量是降雨在流域坡地?fù)p失中的主要損失量。本文主要討論示例流域在下墊面存在凍土期間的下滲和產(chǎn)流規(guī)律以及凍土對(duì)流域產(chǎn)匯流的影響。

2 凍土對(duì)流域下墊面產(chǎn)匯流規(guī)律的影響

2.1 示例流域概況

永翠河流域發(fā)源于伊春市帶嶺區(qū)寒月林場(chǎng)翠嶺山南麓，流域地勢(shì)北高南低，河流總的走向由西北流向東南。流域面積677 km2，河長(zhǎng)67 km，總落差483 m，河系形狀為樹(shù)枝形，河道彎曲系數(shù)為1.52。流域地勢(shì)陡峭，地貌屬小興安嶺山地，植被良好，河網(wǎng)發(fā)育，地下水豐富。該流域?yàn)楹邶埥”┯曛行闹?，多年平均年降水?53.2 mm，其中6—9月降水量為482.7 mm，歷年平均徑流深為343.4 mm，徑流系數(shù)為0.53。流域代表站帶嶺站洪水屬暴漲暴落型洪水，洪峰一般在時(shí)段最大降雨量后的8 ～10 h內(nèi)出現(xiàn)。

2.2 流域凍土特征簡(jiǎn)介

凍土是指溫度在0 ℃以下含有冰的各種巖土和土壤，凍土區(qū)是指存在凍土的地殼部分，凍結(jié)狀態(tài)保持?jǐn)?shù)年乃至更長(zhǎng)年限的凍土稱為多年凍土。黑龍江省經(jīng)常受強(qiáng)大的西伯利亞和蒙古高壓影響，形成嚴(yán)寒的大陸性氣候，這為多年凍土的形成和發(fā)育創(chuàng)造了有利氣候條件，而且冬夏溫差很大，極易形成季節(jié)性凍土。黑龍江省多年凍土區(qū)位于歐亞大陸多年凍土區(qū)的南部地帶，凍土分布具有明顯的緯度地帶性規(guī)律，自北向南，分布面積逐漸減少。永翠河流域位于黑龍江省多年凍土分區(qū)的南部邊緣，由于冬季寒冷，每年土壤11月中旬凍結(jié)，翌年4月中旬開(kāi)始解凍。因受氣溫與深層地溫影響，季節(jié)性凍土上層與下層同時(shí)解凍，但上層解凍速度較快，7月份，少部分地區(qū)上層凍土解凍完畢，在一些山地陰坡和塔頭樺林地帶，則始終存在大面積小興安嶺島狀多年凍土，凍土最大深度約2.5 m，凍土總體分布特點(diǎn)是自上游至下游面積和深度逐漸減小。

2.3 凍土對(duì)流域產(chǎn)匯流特征的影響

流域內(nèi)島狀凍土的存在改變了包氣帶厚度和土壤水分動(dòng)態(tài)規(guī)律，導(dǎo)致降雨徑流規(guī)律異常。由于凍土的透水作用較差、使降水入滲、土壤蒸發(fā)和土壤含水率的垂直分布等均不同于無(wú)凍土地區(qū)。凍結(jié)期，降水轉(zhuǎn)為積雪，入滲終止，潛水和深層土壤水分蒸發(fā)沿凍結(jié)鋒面凝結(jié)。因土壤凍層溫度低于冰點(diǎn)，融凍時(shí)需吸收大量熱量，蒸發(fā)受到抑制，使實(shí)際蒸發(fā)遠(yuǎn)小于流域正常蒸發(fā)能力，土壤含水率大于無(wú)凍土區(qū)。由于凍土透水性差，融雪和降水入滲在凍層形成凍層上水，土壤含水率增加，易于飽和，此時(shí)遇強(qiáng)降雨極易產(chǎn)生突發(fā)洪水。流域凍土的不透水層分布并不是十分廣泛且連續(xù)，在局部流域，由于分散的島狀凍土凍結(jié)面間存在上下含水層貫通地帶，這部分凍土顆粒間存在較大的孔隙，在降雨強(qiáng)度較小時(shí)，導(dǎo)致降雨入滲增大，流域產(chǎn)流量則偏小。因此處于凍土區(qū)的流域下墊面產(chǎn)流特性不僅與凍土分布特點(diǎn)有關(guān)而且還與降雨強(qiáng)度關(guān)系密切。在流域下游地區(qū)，由于凍土分布面積和深度都相對(duì)較小，對(duì)流域降水入滲的影響也較輕微，流域的產(chǎn)流規(guī)律則基本恢復(fù)正常。

3 預(yù)報(bào)方法介紹

由于流域下墊面受凍土因素影響，其產(chǎn)匯流規(guī)律較正常土壤環(huán)境下的流域產(chǎn)匯流規(guī)律復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的降雨徑流相關(guān)圖和流域匯流單位線及蓄滿產(chǎn)流模型等預(yù)報(bào)方法應(yīng)用效果都較差。本文根據(jù)流域?qū)嶋H特性，提出了采用降雨和洪峰流量相關(guān)圖并結(jié)合預(yù)報(bào)方程模型法來(lái)預(yù)報(bào)受凍土影響流域的洪峰流量。

3.1 經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖繪制

經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖的線型已間接反應(yīng)了各類因素對(duì)流域洪水的影響情況，在參與預(yù)報(bào)的要素因子較少且在理論上對(duì)洪水影響因素掌握不夠深入的情況下，該方法是一種較實(shí)用的預(yù)報(bào)方法之一。經(jīng)分析流域時(shí)段降雨量和反映流域前期土壤含水指標(biāo)情況的Pa值即( p + Pa) 來(lái)與相應(yīng)洪峰流量建立相關(guān)圖( 圖3) ，圖中采用相關(guān)點(diǎn)據(jù)共48個(gè)，洪水年份自1963—2003年。見(jiàn)圖3，點(diǎn)據(jù)大概可分成4個(gè)帶狀部分，分別定出4 條相關(guān)線，經(jīng)分析: 圖中各點(diǎn)據(jù)有以下幾個(gè)特點(diǎn):

1)1 號(hào)線和2 號(hào)線之間的點(diǎn)據(jù)降雨強(qiáng)度普遍偏小，均＜0.5 mm/h，降雨中心多數(shù)在流域上游凍土分布較廣區(qū)域，因此洪峰流量偏小。

2)2 號(hào)線和3 號(hào)線之間的點(diǎn)據(jù)降雨強(qiáng)度適中，一般在0.5 ～1.0 mm/h，降雨中心多數(shù)在流域中游和下游，這些點(diǎn)據(jù)可以認(rèn)為是受凍土影響輕微的正常點(diǎn)據(jù)。

3)3 號(hào)線和4 號(hào)線之間的點(diǎn)據(jù)降雨強(qiáng)度較大，一般在1.0 ～8.0 mm/h，降雨中心多數(shù)在流域中游和上游，這些均屬受凍土影響而偏大點(diǎn)據(jù)。

圖3 永翠河帶嶺站時(shí)段降雨量( P +Pa)與洪峰流量相關(guān)圖

3.2 回歸方程模型法預(yù)報(bào)

選擇上述相關(guān)點(diǎn)據(jù)，以降雨強(qiáng)度( pi) 、流域不同河段凍土深度( hi) 、流域平均雨量和流域前期土壤含水率( Pa) 等因素與相應(yīng)洪峰流量( qm) 來(lái)建立相關(guān)方程。利用上面相關(guān)圖分析結(jié)果以降雨強(qiáng)度和暴雨中心位置來(lái)對(duì)預(yù)報(bào)值進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)改正。預(yù)報(bào)方程初始結(jié)構(gòu)為:

式中:X 為方程系數(shù);C 為常數(shù)項(xiàng)。

方程應(yīng)用于歷史洪水?dāng)M合過(guò)程見(jiàn)表1，擬合結(jié)果合格率為63%，符合丙級(jí)預(yù)報(bào)方案標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 受凍土影響流域的下墊面環(huán)境復(fù)雜多變，在降雨蓄滲、產(chǎn)流方面直接影響著流域洪水規(guī)律特征。由于凍土分布面積和埋深的不確定性，使得傳統(tǒng)單一理論的洪水預(yù)報(bào)方法難以在該流域得以應(yīng)用，因此，必須考慮采用多種方法結(jié)合使用來(lái)進(jìn)行凍土影響流域的洪水預(yù)報(bào)。

2) 本文所述洪水預(yù)報(bào)方法在實(shí)際工作中得到較好的應(yīng)用效果。實(shí)際使用時(shí)首先根據(jù)流域的(+Pa) 值、降雨強(qiáng)度和降雨中心位置等參數(shù)，在相關(guān)圖上選擇適宜的線型初步確定預(yù)報(bào)洪峰流量，然后再選擇預(yù)報(bào)方程法進(jìn)行洪峰流量預(yù)報(bào)計(jì)算。方程計(jì)算值與查圖值若接近( 差值小于查圖值的20%) 則取二者的均值作為正式預(yù)報(bào)結(jié)果，否則應(yīng)進(jìn)一步綜合分析修正預(yù)報(bào)結(jié)果。

3) 本文采用相關(guān)圖法和預(yù)報(bào)模型法分別從經(jīng)驗(yàn)相關(guān)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)2個(gè)方面對(duì)示例流域的洪水預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了分析。由于有效預(yù)報(bào)因子較少，加之對(duì)流域凍土特性規(guī)律掌握不夠全面等原因，預(yù)報(bào)方程歷史擬合精度較低，今后還有待對(duì)凍土影響流域的洪水預(yù)報(bào)方法進(jìn)行深入研究。

表1 永翠河帶嶺站預(yù)報(bào)方程模型法歷史洪水?dāng)M合計(jì)算及檢驗(yàn)成果表

［1］鄧先俊. 陸地水文學(xué)［M］. 北京:水利電力出版社，1984:61 －114.

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［3］謝平，胡彩霞，譚瑩瑩，等. 西江歸槽洪水研究［J］. 黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2010，01(01) :29 －33.

［4］伊春市統(tǒng)計(jì)局. 伊春市統(tǒng)計(jì)年鑒［M］. 伊春:伊春市統(tǒng)計(jì)局，2011.