鄭從奇,莊會波,郭曉娜
(1.山東省水文局,山東濟南 250002;2.山東省水利勘測設(shè)計院,山東濟南 250014)
山東省山丘區(qū)典型流域產(chǎn)流機制研究
鄭從奇1,莊會波1,郭曉娜2
(1.山東省水文局,山東濟南 250002;2.山東省水利勘測設(shè)計院,山東濟南 250014)
本研究通過綜合選取15場次暴雨洪水資料,對本流域流量過程線、氣候地理和下墊面特征及降雨徑流關(guān)系等相關(guān)因素進行了綜合分析,確定了流域以蓄滿產(chǎn)流為主的產(chǎn)流模式。同時,分析了不同前期影響雨量和洪水稀遇程度對產(chǎn)流機制的影響,對山東省一般山丘區(qū)流域產(chǎn)流機制研究具有一定的借鑒意義,為流域的產(chǎn)匯流規(guī)律研究打下了重要基礎(chǔ)。
山東?。划a(chǎn)流機制;山丘區(qū);田莊水庫
產(chǎn)流機制旨在揭示降雨產(chǎn)生徑流的物理條件。Horton早于1935年提出了超滲地面徑流和地下水徑流2種產(chǎn)流機制,70年代“山坡水文學”學派提出了壤中水徑流和飽和地面徑流產(chǎn)流機制。于維忠等提出自然界可能出現(xiàn)的9種產(chǎn)流模式,如果從影響總徑流量的因素作為分類依據(jù),產(chǎn)流模式可進一步概括為2類:即“超滲”產(chǎn)流與“蓄滿”產(chǎn)流模式。這2種產(chǎn)流模式是自然界中2種基本產(chǎn)流模式,是現(xiàn)行流域產(chǎn)流量計算方法的基礎(chǔ)。通常,一個地區(qū)的產(chǎn)流機制并非固定不變,而是隨降雨強度和降雨歷時發(fā)生轉(zhuǎn)化的。文章選用山東省一般山丘區(qū)典型流域--田莊水庫流域為研究對象,對其產(chǎn)流機制及其可能的影響因素進行了研究。
田莊水庫地處山東省魯山南麓、沂河上游,集水面積417.0 km2。流域均為山區(qū),山高陡坡,四周高山環(huán)繞,深山區(qū)主要分布在四周的分水嶺附近,約占集水面積的15%,其余均為淺山區(qū)。流域形狀為扇形,長度20.2 km,平均寬度20.6 km,最大河長30.0 km,平均坡度3.72‰。
田莊水庫總庫容1.2億m3,興利庫容0.684 億m3,是一座以防洪、灌溉為主,結(jié)合水利發(fā)電、水面養(yǎng)殖、工業(yè)供水等綜合利用的大(2)型水庫。田莊水庫水文站于1960年5月設(shè)立,上游支流高村河朱家莊徑流站距此11 km,下游44 km為東里店水文站。流域內(nèi)共有9處雨量站,分別為徐家莊、石草埠、包家莊、大張莊、田莊水庫、朱家莊、曹家莊、磨山石、雙廟雨量站,流域內(nèi)無蒸發(fā)監(jiān)測站點。
2.1 洪水資料選擇
根據(jù)田莊水庫歷年洪水要素摘錄表,采用水量平衡法推求水庫入庫流量,將歷年出庫洪水過程還原為入庫洪水過程。
根據(jù)歷年最大入庫流量系列,對其進行頻率適線,分析求得田莊水庫百年一遇洪峰流量3 979.5 m3/s,50年一遇洪峰流量3 247.5 m3/s,20年一遇洪峰流量2 308.0 m3/s,10年一遇洪峰流量1 629.3 m3/s,5年一遇洪峰流量996.1 m3/s,3年一遇洪峰流量658.5 m3/s,2年一遇洪峰流量293.1 m3/s。
根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000),山丘、平原、濱海區(qū)水利水電工程永久性水工建筑物防洪標準一般在10年一遇以上,臨時性水工建筑物洪水標準一般在3年一遇以上。
綜合考慮洪水發(fā)生量級、年代分布代表性、避免復式洪水、峰后無雨及全流域降水較大5個因素,對田莊水庫歷年所有入庫洪水資料和相關(guān)雨量站降雨量摘錄數(shù)據(jù)進行了逐年分析、篩選,共有15場洪水納入分析范圍,分別為1 708.9 m3/s (19660624)、1 216.7 m3/s(19670701)、100.0 m3/s (19670712)、168.7m3/s(19690726)、222.2m3/s (19720827)、85.2m3/s(19760725)、183.3m3/s (19800904)、688.9m3/s(19940629)、542.5m3/s (19940706)、790.6m3/s(19960725)、499.4m3/s (19990909)、109.4m3/s(20000810)、168.3m3/s (20010629)、274.1m3/s(20090826)、111.2m3/s (20110622)。根據(jù)資料顯示,所選洪水1708.9m3/s (19660624)為較大洪水,其余14場都為一般洪水。
2.2 流量過程線分析
受朱家莊等站降雨資料條件限制,全流域選用石草埠、包家莊、徐家莊、田莊水庫、大張莊5個雨量站計算面平均雨量。針對15場次洪水,分別繪制2 h時段暴雨洪水過程圖。選取其中2場次暴雨雨洪過程,如圖1所示。
由圖1知,2場洪水基本都呈現(xiàn)某種程度的不對稱形狀,但總體上其不對稱程度不大,且過程線中上部多呈陡漲陡落,對稱性較好。
從洪水過程線判斷,本流域傾向于混合產(chǎn)流模式,即蓄滿產(chǎn)流與超滲產(chǎn)流并存。
圖1 田莊水庫其中2場次暴雨洪水過程圖
表1 田莊水庫流域產(chǎn)流機制綜合分析
2.3 氣候、地理和下墊面特征分析
從地理、氣候來講,田莊水庫地處魯山南麓、沂河上游,屬于暖溫帶半濕潤季風型氣候區(qū),多年平均降水量850.0 mm,多年平均水面蒸發(fā)量1 000~1 150 mm之間,多年平均徑流深320.0 mm,徑流系數(shù)為0.38。
從下墊面分析,流域形狀為扇形,長度20.2km,平均寬度20.6 km,最大河長30 km,平均坡度3.72‰。流域內(nèi)以花崗巖、灰?guī)r為多,石灰?guī)r、砂巖、片麻巖次之。土壤一般為砂土、砂壤土,土質(zhì)較貧瘠,河谷地帶大多為淤土、黃土、黑土,土質(zhì)較肥沃。經(jīng)濟果樹較多,大片森林較少,植被率超過20%。綜合流域氣候、地理和下墊面條件因素,本流域蓄滿產(chǎn)流與超滲產(chǎn)流并存,屬混合產(chǎn)流模式。
2.4 綜合分析
本流域產(chǎn)流機制綜合分析見表1。從降雨強度對產(chǎn)流影響、影響產(chǎn)流因素、表層土質(zhì)結(jié)構(gòu)、缺水量、產(chǎn)流與降雨特征關(guān)系來分析,本流域產(chǎn)流方式傾向于蓄滿產(chǎn)流;從多年平均年降雨量、多年平均年徑流系數(shù)來分析,該流域又屬于混合產(chǎn)流區(qū);從其他指標來看,傾向于超滲產(chǎn)流。
從影響產(chǎn)流量的主要因素看,降雨開始時的土壤濕度對各種產(chǎn)流方式影響都較大。除此之外,降雨量是蓄滿產(chǎn)流的主要影響因素,降雨強度是超滲產(chǎn)流的控制因素。
對流域15場次洪水直接徑流深與降雨量、雨強之間的相關(guān)關(guān)系進行分析。田莊水庫流域降雨量與直接徑流深的相關(guān)系數(shù)為0.757,而主時段降雨強度與直接徑流深的相關(guān)系數(shù)為0.008??梢?,田莊水庫流域直接徑流深與降雨量關(guān)系較為密切。
由于受資料條件限制,本研究在進行流域產(chǎn)流機制分析時,所選洪水大都為一般量級洪水,但根據(jù)一般量級洪水產(chǎn)流機制的分析推測,當發(fā)生較大洪水、大洪水,甚至特大洪水時,本流域產(chǎn)流模式基本是不變的,即總徑流由飽和地面徑流、壤中水徑流和地下水徑流組成(其中地下水徑流很?。?,其影響總徑流的因素是降雨量、降雨強度、初始土壤含水量和雨期蒸散發(fā)。初始土壤含水量主要影響場次暴雨的總徑流量,但對其產(chǎn)流模式即總徑流成分組成基本是沒有影響的。由于總徑流量既受降雨量影響,又受降雨強度影響,因而暴雨徑流關(guān)系既表現(xiàn)出“蓄滿”產(chǎn)流模式,又表現(xiàn)出“超滲”產(chǎn)流模式,這和前述分析是一致的。因此,該流域的產(chǎn)流模式實質(zhì)是2種產(chǎn)流模式并存,以蓄滿產(chǎn)流為主。
田莊水庫流域類型屬于山東省一般山丘區(qū),本研究為田莊水庫流域及山東省一般山丘區(qū)產(chǎn)流模式分析提供了一定借鑒,并為流域產(chǎn)匯流規(guī)律研究打下了重要基礎(chǔ)。主要結(jié)論如下:1)田莊水庫流域?qū)傩顫M產(chǎn)流模式,實質(zhì)是兩種產(chǎn)流模式并存,以蓄滿產(chǎn)流為主。2)本流域產(chǎn)流模式基本不受暴雨洪水稀遇程度影響,其一般及以上量級暴雨洪水產(chǎn)流模式基本不變。3)本流域產(chǎn)流模式基本不受前期雨量影響,即前期雨量僅影響總徑流量的多少,但并不影響其總徑流組成成分。
[1]于維忠.論流域產(chǎn)流[J].水利學報,1985(2):1-11.
[2]水利部長江水利委員會水文局,南京水文水資源研究所.水利水電工程設(shè)計洪水計算手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2001.
[3]包為民.水文預(yù)報[M].北京:中國水利水電出版社,2006.
(責任編輯 崔春梅)
TV213.4
B
1009-6159(2017)-04-0001-02
2016-10-25
鄭從奇(1986—),男,工程師