山東省山丘區(qū)典型流域產(chǎn)流機制研究

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)。

山東省；產(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(xué)”學(xué)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。

1 研究區(qū)概況

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 產(chǎn)流機制分析

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(biāo)準(zhǔn)》（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(biāo)準(zhǔn)一般在10年一遇以上，臨時性水工建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(fēng)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(biāo)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。可見，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(dāng)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（其中地下水徑流很小），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。

3 結(jié)語

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(xué)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(zé)任編輯 崔春梅）

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1009-6159（2017）-04-0001-02

2016-10-25

鄭從奇（1986—），男，工程師