受凍土影響流域洪水預(yù)報方法分析

高志軍，王麗麗，田長濤

(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介

在一個閉合流域內(nèi)，自降雨至出口斷面出現(xiàn)徑流過程，一般要經(jīng)過流域蓄滲、坡地漫流、河槽匯流3個階段，見圖1。

圖1 降雨徑流形成過程簡圖

一次降雨后形成徑流過程的水源劃分情況見圖2，在圖2 中，1 表示由地面徑流形成的洪水過程;2 表示由表層流形成的洪水過程(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程;4 為深層地下徑流，其形成過程與本次降雨無關(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，實際上在前期流域土壤含水率相差較大時，地面徑流和地下徑流( 表層、淺層、深層流)的分配會相差較大，即前期干旱時地面徑流偏少，前期濕潤時偏多。一次降雨所帶來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、降雨的時空分布、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，目前仍然難以實際定量掌握。

雨水透過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)律以及凍土對流域產(chǎn)匯流的影響。

2 凍土對流域下墊面產(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)寒月林場翠嶺山南麓，流域地勢北高南低，河流總的走向由西北流向東南。流域面積677 km2，河長67 km，總落差483 m，河系形狀為樹枝形，河道彎曲系數(shù)為1.52。流域地勢陡峭，地貌屬小興安嶺山地，植被良好，河網(wǎng)發(fā)育，地下水豐富。該流域為黑龍江省暴雨中心之一，多年平均年降水量653.2 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)，融凍時需吸收大量熱量，蒸發(fā)受到抑制，使實際蒸發(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，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較小，對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)報方程模型法來預(yù)報受凍土影響流域的洪峰流量。

3.1 經(jīng)驗相關(guān)圖繪制

經(jīng)驗相關(guān)圖的線型已間接反應(yīng)了各類因素對流域洪水的影響情況，在參與預(yù)報的要素因子較少且在理論上對洪水影響因素掌握不夠深入的情況下，該方法是一種較實用的預(yù)報方法之一。經(jīng)分析流域時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，洪水年份自1963—2003年。見圖3，點(diǎn)據(jù)大概可分成4個帶狀部分，分別定出4 條相關(guān)線，經(jīng)分析: 圖中各點(diǎn)據(jù)有以下幾個特點(diǎn):

1)1 號線和2 號線之間的點(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 號線和3 號線之間的點(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 號線和4 號線之間的點(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

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對預(yù)報值進(jìn)行經(jīng)驗改正。預(yù)報方程初始結(jié)構(gòu)為:

式中:X 為方程系數(shù);C 為常數(shù)項。

方程應(yīng)用于歷史洪水?dāng)M合過程見表1，擬合結(jié)果合格率為63%，符合丙級預(yù)報方案標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語

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)合使用來進(jìn)行凍土影響流域的洪水預(yù)報。

2) 本文所述洪水預(yù)報方法在實際工作中得到較好的應(yīng)用效果。實際使用時首先根據(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)報洪峰流量，然后再選擇預(yù)報方程法進(jìn)行洪峰流量預(yù)報計算。方程計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)報結(jié)果，否則應(yīng)進(jìn)一步綜合分析修正預(yù)報結(jié)果。

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

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

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