倪皖南

(遼寧省沈陽水文局,遼寧 沈陽 110043)

遼寧三水轉(zhuǎn)化模型在小柳河的應(yīng)用

倪皖南

(遼寧省沈陽水文局,遼寧 沈陽 110043)

基于飽和產(chǎn)流,遼寧中部平原三水轉(zhuǎn)化模型,不但能反映平原地區(qū)的三水轉(zhuǎn)化規(guī)律和產(chǎn)流特點(diǎn),而且比過去的降雨徑流相關(guān)圖更符合水量平衡原理,且經(jīng)過驗(yàn)證,精度可靠.通過在小柳河的實(shí)例應(yīng)用,表明三水轉(zhuǎn)化模型在設(shè)計(jì)洪水中具有一定的適用性.

飽和產(chǎn)流;三水轉(zhuǎn)化模型;降雨徑流相關(guān);設(shè)計(jì)洪水

1 "三水"轉(zhuǎn)化水文模型

"三水"轉(zhuǎn)化是指大氣降水、地表水和地下水之間的相互轉(zhuǎn)化.

遼寧中部平原地區(qū)三水轉(zhuǎn)化模型,將包氣帶土壤計(jì)算層分為上、下兩層進(jìn)行雙層扣損計(jì)算,降水量采用計(jì)算單元平均降水量,用算術(shù)平均法或面積加權(quán)法計(jì)算,蒸發(fā)能力采用E-601型蒸發(fā)器測值.上層受植物截留和地表填洼等影響,當(dāng)土壤含水量加降雨量大于蒸散發(fā)能力時(shí),上層的土壤蒸發(fā)量等于蒸發(fā)能力,下層的土壤蒸發(fā)量等于0;當(dāng)土壤含水量加降雨量小于蒸散發(fā)能力時(shí),上層的土壤蒸發(fā)量等于土壤含水量與降雨量之和,下層的土壤蒸發(fā)量與該層的蓄水量成正比關(guān)系.兩層各有土壤張力水的蓄水容量,作為各自土壤含水量的上限,流域的蓄水容量,分布可用指數(shù)型蓄水容量曲線描述.土壤的吸水過程和蒸發(fā)過程都自上層至下層順序進(jìn)行.

當(dāng)流域內(nèi)的降水量到達(dá)地表,首先植物截留和地表填洼,接著上層土壤蓄滿并滿足蒸發(fā)后,剩余的降水量補(bǔ)給下層,下層土壤蓄滿并滿足土壤蒸發(fā)后剩余的水量,為總產(chǎn)水量.總產(chǎn)水量經(jīng)過地下水庫的調(diào)節(jié),超出包氣帶重力水的蓄水能力的水量為地表徑流量,所剩余的水量為降水入滲補(bǔ)給量.由此,地表水轉(zhuǎn)化為地下水,而潛水蒸發(fā)量將地下水由地下水庫輸送到包氣帶,補(bǔ)充土壤蓄水量并參與土壤蒸發(fā),再次轉(zhuǎn)化為大氣降水[2].

2 "三水"轉(zhuǎn)化相關(guān)圖的建立及其使用方法

利用老邊河流域?qū)崪y資料,計(jì)算每次降雨P(guān)形成的地表水資源(扣除重復(fù)量)Rs、地下水資源Pr、總水資源RT=RS+Pr、降雨補(bǔ)給包氣帶土壤的水量SW=P-E雨-RT,以及地下水埋深Z及前期氣象因子和地下水因子,對包氣帶的影響水量等水文、水資源要素.利用上述水文、水資源要素,在第二象限內(nèi)建立P-E雨～～RT相關(guān)圖,在第一象限內(nèi)建立RT～Z～RS相關(guān)圖,把兩個(gè)圖合并成為一個(gè)合軸相關(guān)圖建立P-E雨～～RT～Z～RS相關(guān)圖,見遼寧省水文水資源勘測局1998年編制的《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》,適用于水文I2、I3區(qū).

根據(jù)已知的P和 E雨,查第二象限P-E雨～～RT相關(guān)圖,求出RT;用RT和雨前的Z,查RT～Z～RS相關(guān)線求出RS,Pr=RT-RS,一次降水補(bǔ)給到包氣帶的水量SW=P-E雨-RT.設(shè)計(jì)條件下無實(shí)際資料,根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨推求時(shí)段雨量,分段累計(jì)時(shí)段雨量Pi,由P-E雨～～RT相關(guān)線,求出相應(yīng)分段累計(jì)的RT;用RT和Z查相關(guān)線RT～Z～RS相關(guān)圖求得分段累計(jì)的徑流深RS,相鄰兩徑流深相減則得時(shí)段凈雨過程,再采用瞬時(shí)單位線推求設(shè)計(jì)洪水過程線.

3 實(shí)例研究

3.1 流域概況

小柳河發(fā)源于遼寧省臺安縣桓洞鎮(zhèn)小河子村,是遼河右側(cè)一級支流,流經(jīng)臺安縣、盤山縣和盤錦雙臺子區(qū),于盤錦雙臺子區(qū)興海街道高家村匯入遼河,其下游盤錦境內(nèi)屬于感潮河段,河水常常受到大潮的影響而產(chǎn)生回水.小柳河流域面積741 km2,河長69 km,比降0.011%.

3.2 小柳河設(shè)計(jì)洪水

小柳河位于遼河下游平原區(qū)的中部,該區(qū)地勢平坦,有深厚的第四紀(jì)沉積層,地下水埋深一般0.5～4.0 m,水分運(yùn)動(dòng)以垂直交換為主,水平運(yùn)動(dòng)微弱,可視為閉合型流域.針對遼寧中部平原區(qū)水資源的特點(diǎn),基于飽和產(chǎn)流理論,采用平原區(qū)"三水"轉(zhuǎn)化水文模型,將降水、地表水、地下水、潛水蒸發(fā)、地下水位等水文、水資源要素有機(jī)地結(jié)合起來,計(jì)算小柳河流域設(shè)計(jì)洪水.

1)設(shè)計(jì)暴雨.小柳河流域范圍屬遼寧省水文分區(qū)I2區(qū),設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)見表1.

表1 設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)

30年一遇設(shè)計(jì)暴雨雨型分配結(jié)果見表2.

表2 30年一遇設(shè)計(jì)暴雨3 h時(shí)段雨量分配表mm

2)降雨徑流計(jì)算.采用"三水"轉(zhuǎn)化產(chǎn)流經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯魄髸r(shí)段徑流深.I2區(qū)的Im為100 mm,設(shè)計(jì)情況下地下水埋深取1.5 m,雨期蒸發(fā)E=4.0 mm,取60 mm.

①將表2中時(shí)段雨量列于表3中第一欄.

②分段連續(xù)累計(jì)Pi列入第(2)欄.

表3 30年一遇設(shè)計(jì)凈雨時(shí)程分配表 mm

③將第二欄P減去蒸發(fā)4.0mm列入第(3)欄.

④以第(3)欄P-E雨各值為橫座,以作參數(shù),查第二象限(P-E雨～～RT)相關(guān)線得RT;再以RT為縱坐標(biāo),以地下水埋深Z作參數(shù),查RT～Z～RS相關(guān)線得RS,即,∑R(徑流深)列入第(4)欄.相鄰∑R值相減是時(shí)段徑流深值;列入第(5)欄.

⑤平扣地下徑流20%,即求出地面凈雨過程列入第(6)欄.

3)30年一遇洪水的推求.采用單位線法推求洪水過程線,首先求綜合單位線S(t)曲線,將S(t)曲線轉(zhuǎn)化為時(shí)段單位線,將時(shí)段單位線與時(shí)段凈雨相乘,并錯(cuò)后時(shí)段相加,即得地面洪水過程線.地下過程線概化為等腰三角形,還原到地面徑流過程線的底部,令其底寬等于地面徑流過程線的二倍,峰值對準(zhǔn)其終點(diǎn).三十年一遇設(shè)計(jì)洪水過程線見圖1,設(shè)計(jì)洪峰為418 m3/s.

圖1 小柳河30年一遇洪水過程線

4 結(jié)論

文中以小柳河為例,運(yùn)用三水轉(zhuǎn)化模型方法計(jì)算30年一遇洪峰,主要結(jié)論如下:

1)三水轉(zhuǎn)化模型,針對遼寧中部平原地區(qū)特殊自然地理情況,不但能反映平原地區(qū)的三水轉(zhuǎn)化規(guī)律和產(chǎn)流特點(diǎn),而且比過去的降雨徑流相關(guān)圖更符合水量平衡原理,更能滿足計(jì)算各種水資源的需要.

2)三水轉(zhuǎn)化模型運(yùn)用1995年特大暴雨的流域?qū)崪y雨量、遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院作的站(庫)點(diǎn)的洪峰頻率計(jì)算設(shè)計(jì)成果,以及遼河規(guī)劃和三查三定時(shí)的"水庫特性"匯總成果與三水轉(zhuǎn)化模型計(jì)算的雨量、洪峰及洪量進(jìn)行驗(yàn)證,兩者比較接近,精度可靠,可以采用三水轉(zhuǎn)化模型計(jì)算遼寧中部平原無資料地區(qū)的設(shè)計(jì)洪水.

[1]王才,唐繼業(yè).遼寧中部平原區(qū)三水轉(zhuǎn)化水文模型[J].水文,2001,21(4):18-22

[2]遼寧省水文水資源勘測局.遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法[M].沈陽:1998.

[3]張培德.區(qū)域水資源及三水轉(zhuǎn)化關(guān)系[J].地下水,1996(2).

[4]趙強(qiáng),董小輝.三水轉(zhuǎn)化相關(guān)均衡要素分析[J].吉林農(nóng)業(yè),2016.

[5]楊修芳,劉立博.西部平原產(chǎn)匯流計(jì)算方法初步分析[J].吉林水利,1999(8):16-19.

[6]魏忠義,湯奇成.西北干旱區(qū)地表水與地下水資源轉(zhuǎn)換的幾個(gè)問題探討[J].自然資源,1997(6):35-41.

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