薛 麗

(遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003)

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撫順地區(qū)前期影響雨量Pa值的特性淺析

薛 麗

(遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003)

在進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)及區(qū)域暴雨洪水設(shè)計(jì)工作中，Pa值——即前期影響雨量是一個(gè)必不可少的重要參數(shù)。Pa值分析、采用的準(zhǔn)確與否，直接影響到相關(guān)后續(xù)成果的精度。根據(jù)撫順地區(qū)的水文特性及相關(guān)系列資料，運(yùn)用實(shí)測(cè)資料比對(duì)及頻率分布理論對(duì)本區(qū)域內(nèi)的Pa值隨雨水情變化趨勢(shì)及特點(diǎn)進(jìn)行闡述探析，以期為本地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)及有關(guān)暴雨洪水設(shè)計(jì)等工作提供具有實(shí)用性的參考依據(jù)。

暴雨；洪水；預(yù)報(bào)；設(shè)計(jì)；前期影響雨量

1 區(qū)域產(chǎn)流特性概述

在現(xiàn)有的水文理論體系中，將大氣降水轉(zhuǎn)化為流域徑流的過程普遍分為產(chǎn)流和匯流兩個(gè)階段。前期影響雨量這一參數(shù)主要應(yīng)用于流域產(chǎn)流的計(jì)算過程。流域的產(chǎn)流過程是一個(gè)較為復(fù)雜的過程。通常情況下，在我省將流域產(chǎn)流過程概化為兩種模型：超滲產(chǎn)流模型和蓄滿產(chǎn)流模型。所謂超滲產(chǎn)流模型，即是指降水強(qiáng)度超過流域下墊面容蓄降水的下滲速度而出現(xiàn)地面產(chǎn)流的情況；而蓄滿產(chǎn)流模型則是指降水強(qiáng)度低于流域下墊面容蓄水源的初始下滲速度，前期降水全部入滲，待流域下墊面達(dá)到飽和蓄水容量(即流域土壤包氣帶達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài))后才出現(xiàn)地面產(chǎn)流的情形。但在實(shí)際的物理過程中，上述兩種情況則是復(fù)合交叉出現(xiàn)的，并不能嚴(yán)格地區(qū)分出某一地區(qū)單屬于哪一種產(chǎn)流情形。因此，在進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算時(shí)，往往是根據(jù)這一地區(qū)的主要產(chǎn)流形式來確定采用哪種產(chǎn)流模型的。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和大量的資料分析結(jié)果，我省中西部地區(qū)多采用超滲產(chǎn)流模型，東部地區(qū)則多采用蓄滿產(chǎn)流模型。撫順地區(qū)地處遼寧東部，域內(nèi)植被豐富，屬于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)，流域下墊面含蓄水源能力強(qiáng)，在進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)和暴雨洪水設(shè)計(jì)時(shí)一般都采用蓄滿產(chǎn)流模型來做相應(yīng)的分析計(jì)算和模擬。

2 前期影響雨量Pa的一般推求方法及作用

2.1 流域最大損失量Im

在蓄滿產(chǎn)流模型中，前期影響雨量Pa是一個(gè)概化的參數(shù)。由降水到產(chǎn)流這一過程中，降水首先滿足流域內(nèi)植物的截留、地面填洼、土壤含蓄及雨期蒸散發(fā)等，當(dāng)這部分損失的雨量達(dá)到流域下墊面的飽和需求后才在流域降水范圍內(nèi)出現(xiàn)地面產(chǎn)流。這一滿足流域下墊面飽和需求的降水?dāng)?shù)量稱為該流域的最大損失雨量(亦稱流域最大初損)，通常標(biāo)識(shí)為Im。Im值的大小和流域的下墊面構(gòu)成狀況關(guān)系密切，植被密度、植被類型、地理地質(zhì)構(gòu)造、土壤構(gòu)成類別等均與此參數(shù)相關(guān)，它是整個(gè)流域下墊面含蓄水源能力的綜合反映。該參數(shù)無法通過觀測(cè)等手段直接取得，它是通過建立區(qū)域降雨徑流關(guān)系模型，利用長(zhǎng)系列的降雨徑流資料進(jìn)行分析、試算并與鄰近地區(qū)比較平衡后確定下來的，在一定的時(shí)期內(nèi)Im值是恒定的。撫順地區(qū)的Im值經(jīng)相關(guān)部門分析，大致在120～140 mm之間(本文計(jì)算過程中采用140 mm)。

2.2 前期影響雨量Pa

Pa值也是無法直接觀測(cè)到的一個(gè)參數(shù)。由上述內(nèi)容可以看出，Pa值是一個(gè)介于0～I(xiàn)m之間的一個(gè)數(shù)值。在實(shí)際的洪水預(yù)報(bào)作業(yè)中，Pa值是按日推算的。在計(jì)算Pa時(shí)，首先要確定的是Pa的0值。慣常的做法是，在每年的3～5月間，選擇一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間未下雨的時(shí)段，將時(shí)段末下雨日的Pa(即此日之前的影響雨量)作為起算0值。然后加上當(dāng)日降水P，減去當(dāng)日蒸發(fā)值f，再減去當(dāng)日的徑流量R(有降水時(shí)才會(huì)產(chǎn)生徑流，無降水則無徑流。當(dāng)降水較少、Pa值小于Im值時(shí)，僅有超滲產(chǎn)生的少量徑流以及河流水體表面直接產(chǎn)生的徑流，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，也可以通過降水徑流關(guān)系模型等查算；當(dāng)降水較大致使計(jì)算的Pa值大于Im值時(shí)，多余部分全部產(chǎn)流，此時(shí)的Pa值即等于Im值)，即為次日的Pa。如此類推，遇無雨日則只減去當(dāng)日蒸發(fā)值，便可得到汛期每日的Pa值了。

在流域產(chǎn)流量的分析計(jì)算中，最終的結(jié)果是需要推求出產(chǎn)生洪水過程的凈雨量及其雨型分布。而在推求凈雨量時(shí)，Pa值是必不可少的，它的大小、準(zhǔn)確與否直接與凈雨量相關(guān)。由于場(chǎng)次降水總量是通過雨量監(jiān)測(cè)設(shè)備直接觀測(cè)到的，準(zhǔn)確性有保證。而凈雨量是由場(chǎng)次降水總量加上前期影響雨量Pa再減去流域最大損失量Im得到的，因此Pa值的分析計(jì)算及采用是估算凈雨量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在暴雨洪水設(shè)計(jì)工作中，其目的是要得到某一頻率下的洪峰流量、洪水總量及相應(yīng)過程參數(shù)。在有較長(zhǎng)系列觀測(cè)資料的地區(qū)，可以用歷史洪水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行上述參數(shù)的分析和計(jì)算。但在資料系列短乃至無資料地區(qū)(多為中小河流域)，通常是假設(shè)雨洪同頻，先求得該頻率下的相關(guān)暴雨參數(shù)，然后再利用這些暴雨參數(shù)去推求相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水參數(shù)等。在暴雨參數(shù)的推求過程中，某一頻率下場(chǎng)次降雨的凈雨量的推求最為關(guān)鍵。因?yàn)榇藚?shù)是下一步推求設(shè)計(jì)洪水成果的基礎(chǔ)依據(jù)之一，對(duì)最后的設(shè)計(jì)洪水成果起著決定性作用。

3 區(qū)域Pa值的特性分析

3.1 區(qū)域概況

撫順市地處遼寧東部山區(qū)，總體地勢(shì)東北高西南低。境內(nèi)山高壑深，森林植被覆蓋良好，可達(dá)70 %覆蓋率，年平均降水在800 mm左右，屬于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)。全市土地總面積為11 272.1 km2，市區(qū)人口140余萬。行政管轄三縣(撫順縣、清原縣、新賓縣)、五區(qū)(新?lián)釁^(qū)、順城區(qū)、東洲區(qū)、望花區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū))。全市水資源儲(chǔ)量豐沛，以河川徑流為主。省內(nèi)六大水系——渾河、太子河、清河、柴河、輝發(fā)河、富爾江均發(fā)源于本地，其中渾河分布最廣，境內(nèi)流域面積7 311 km2，占全市總面積的64.9 %，占其整個(gè)流域面積的63.7 %，全市的水文站網(wǎng)均集中分布于該流域。全市水系及水文站網(wǎng)分布情況見圖1。

3.2 選用站及資料代表性分析

為了觀察、分析撫順地區(qū)Pa值與場(chǎng)次降水之間的關(guān)系特點(diǎn)，選擇了北口前、南口前、南章黨、東洲、占貝等5個(gè)水文站進(jìn)行資料收集與分析。這5個(gè)水文站的總集水面積為4 810 km2，占境內(nèi)渾河流域面積的65.8 %，測(cè)站代表性較好。各站的降水資料均采用年鑒刊印數(shù)據(jù)，其中北口前、南章黨、占貝三站連續(xù)系列資料年限均為58年，南口前站為50 a，東洲站為52 a，資料系列年限總計(jì)為276 a。在對(duì)資料的收集與整理過程中，與洪水資料進(jìn)行了必要的比對(duì)復(fù)核，并對(duì)部分缺失年份的資料運(yùn)用相鄰比擬法進(jìn)行了插補(bǔ)、校對(duì)，確保了資料系列的一致性、完整性、可靠性。

圖1 撫順市水文站網(wǎng)及主要河流水系分布圖

3.3 計(jì)算與分析

首先建立了各站三日降水量P3及前期影響雨量Pa兩個(gè)數(shù)據(jù)系列，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了不同組合的頻率分析計(jì)算，即先分別計(jì)算得到各站“Pa+ P3”及P3的頻率曲線，然后通過查算同頻率下的“Pa+ P3”和P3，再用前者減去后者，便得到了這一選定頻率下對(duì)應(yīng)的Pa，以此類推，即可得到不同頻率下的相應(yīng)Pa系列。由于Pa的上限值為Im，二者之比能夠更直觀地反映出前期影響雨量與流域最大損失量的相對(duì)狀態(tài)，因此，點(diǎn)繪各水文站及全區(qū)平均的Pa/Im值與對(duì)應(yīng)頻率的關(guān)系圖，藉此觀察不同降水頻率下的Pa變化趨勢(shì)(見表1)。

表1 不同頻率三日降水量對(duì)應(yīng)Pa值計(jì)算表

可看出，Pa/Im值隨著降水頻率的上升呈現(xiàn)出漸次增大趨勢(shì)，至百年一遇(頻率=1%)降水區(qū)域，Pa/Im值則多介于0.9～1.0之間，即表示Pa已接近或達(dá)到流域最大損失雨量——Im。而Pa/Im值大于1.0的部分是由于“Pa+ P3”及P3頻率曲線上部缺少實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)校準(zhǔn)，出現(xiàn)兩曲線上部曲度不同步造成的(Pa值不應(yīng)大于Im，即Pa/Im應(yīng)小于等于1.0)。

由以上分析可以反映出：本地區(qū)發(fā)生稀有頻率暴雨洪水時(shí)，其前期影響雨量大多數(shù)已接近或已達(dá)到了流域的最大損失雨量。這一點(diǎn)通過分析撫順地區(qū)的多次歷史暴雨洪水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也可以得到驗(yàn)證。僅以北口前水文站為例，1995“7.29”(超百年一遇)、2013“8.16”(超250年一遇)兩場(chǎng)歷史性特大暴雨洪水的前期，均有多場(chǎng)相對(duì)小一些的降雨過程出現(xiàn)，至上述特大暴雨出現(xiàn)前，區(qū)域內(nèi)的前期影響雨量基本達(dá)到其上限值(Im=140 mm)，致使隨后出現(xiàn)的特大暴雨量接近于全部轉(zhuǎn)化為凈雨量，進(jìn)而形成了歷史性的特大洪災(zāi)，最終造成了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。之所以存在著這樣的一種趨勢(shì)，應(yīng)是由氣象系統(tǒng)形成因素以及本地獨(dú)特的地形地貌等地理環(huán)境因素共同作用造成的。

4 結(jié)語

在本地?zé)o資料地區(qū)的中小流域暴雨洪水設(shè)計(jì)中，在Pa值的選用上，以往通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用一個(gè)定值(多選定在60～80 mm之間)。通過本文的分析可以看出，Pa值與不同頻率的暴雨洪水存在一定的相關(guān)關(guān)系，因此，當(dāng)進(jìn)行稀有頻率暴雨洪水設(shè)計(jì)演算時(shí)，應(yīng)結(jié)合考慮其使用目的，適當(dāng)提高Pa的取值范圍，使設(shè)計(jì)成果更貼近實(shí)際，從而最大限度、合理地提高設(shè)計(jì)成果的安全性。

在實(shí)際的水情防汛工作中，應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域Pa值的實(shí)時(shí)測(cè)算，不斷分析和總結(jié)其變化規(guī)律，并密切關(guān)注實(shí)時(shí)雨情與水情，結(jié)合歷史暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)，在Pa值接近區(qū)域最大損失量時(shí)，及時(shí)發(fā)布預(yù)報(bào)預(yù)警，確保防汛水情服務(wù)工作取得最大實(shí)效。

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2016-12-16

薛麗(1967-)，女，遼寧遼陽人，工程師，主要從事水文資料整編、水資源評(píng)價(jià)及檔案管理等工作。

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