云州水庫上游流域徑流情況分析及對該區域農業環境的影響

張 健

(河北省張家口水文勘測研究中心，河北 張家口 075000)

1 流域概況

云州水庫坐落在張家口赤城縣云州鄉舍身崖山峽處，地處E115°46′,N41°02′，是潮白河水系白河上游的一座大(II)型水庫。白河壩址以上分為東西2支，沽源縣九龍泉為東支發源地，東支河長62km，縱坡約8‰；崇禮區威遠門為西支發源地，西支河長45km，縱坡約11‰。東支有支流清泉堡河匯入，河長20km，控制流域面積236km2，匯合點在貓峪村西南500m處，距入庫口約3km；西支有支流二道川河匯入，河長22km，控制流域面積207km2，匯合口在羊坊東北約500m處，距入庫口約4km。流域內山巒起伏，山川面積比約4∶1，平均海拔高程1440m，東部最高峰冰山梁海拔2210m。山地多為石山，巖石裸露，植被稀疏，部分背山坡有小片原始林或人造林。山川過渡帶梯度較大，耕地較少且多為砂質壤土，地力脊薄。

云州水庫上游流域地處內蒙古高原南部邊緣地帶，屬于溫帶大陸性高原氣候，西北方向冷、暖鋒交匯形成的強對流天氣是影響該地區降雨過程的主要因素，所形成的降雨特征是短歷時、小范圍、高強度。該流域多年平均降水量為450mm，汛期降水量在全年降水量中所占比重達80%以上，在7月下旬—8月上旬的主汛期期間多發生較大降雨過程。多年平均徑流量為0.6315億m3。

2 降雨、徑流及關系分析

2.1 資料情況

通過對云州水庫上游流域40a間降雨洪水資料進行統計分析，共選取了其中48場次降雨徑流資料，進行了詳細的分析計算，以中、小水為主，所選資料實測徑流深大多不足4mm，<1mm的洪水僅選取了一場，場次平均降雨量大部分在20～60mm。

2.2 降雨徑流相關因素計算

2.2.1 流域平均降雨量P的計算

流域平均降雨量采用泰森多邊形法進行計算，公式：

P=∑ωiPi

式中，Pi為第i站降雨量，mm；ωi為第i站權重；P為流域平均降雨量，mm。

根據雨量站在流域內分布情況，以及考慮到資料連續性、完整性等情況，選用云州水庫以上流域內的6個常年自記雨量站資料，分別為獨石口、貓峪、百草(虎龍溝)、馬營、缸房窯、云州，各雨量站權重見表1。

表1 水庫以上流域雨量站權重表

2.2.2 流域平均前期影響雨量Pa的計算

Pat=K×(Pat-1+Pt-1)

控制Pa≤Im，該流域Im取值40mm。根據各站日降水量，K依據經驗取值0.85，Pa從前30d開始計算，單站的前期影響雨量，即Pa，可通過各日的日降水量計算得出，各個站的前期影響雨量Pa乘以該站權重加和即可求得上游流域平均前期影響雨量。

2.2.3 暴雨中心位置的確定

云州水庫上游流域降雨情況，大多為局部降雨，分布不均，暴雨中心位置對流域出口斷面產生徑流影響較大，降雨徑流相關圖采用以暴雨中心位置為參數，各雨量站降雨量的多少以及較短時間內降雨的強度作為判斷暴雨中心的重要指標，如果全流域降雨比較均勻，則可按暴雨中心在中游考慮。

2.2.4 總徑流深的計算

根據云州水庫洪水水文要素反推的入庫洪水過程線，計算入庫洪水總量及總徑流深。云州水庫上游流域下墊面條件較差，該流域多為局部短歷時降雨，造成洪水過程陡漲陡落，壤中流很小，本次分析沒有將壤中流計算在內，云州水庫以上流域的徑流深為總徑流深。

2.2.5 次洪水總量計算

根據計算的總徑流深和流域面積A，次洪水總量W計算公式：

W總=R總×A×0.1

式中，W總為次洪水總量，萬m3；R總為總徑流深，mm；A為流域面積，km2。

2.3 降雨徑流相關圖的建立

根據以上計算的降雨徑流各相關因素，點繪以暴雨中心位置為參數的降雨徑流深點據，并按點據的分布趨勢，繪制出P+Pa～暴雨中心位置～R總相關圖，見圖1。依據暴雨中心位置分為上游、中游、下游3條趨勢線，且每條線均穿過其所代表趨勢點據的點群中心。

2.4 產流預報方案精度評定

根據中華人民共和國行業標準《水文情報預報規范》SL 250-2000，允許誤差采用實測值的±20%，上限為±20mm，下限為±3mm，云州水庫上游流域產流預報方案精度為98%，屬甲級預報方案，數據情況詳見表2。

3 方案分析說明

場次流域平均降雨量P與流域平均前期影響雨量Pa可求得P+Pa，通過降雨量的大小及雨強可確定暴雨中心位置，在原有P+Pa～暴雨中心位置～R總相關圖中描點并計算誤差，分析計算均以中、小水為主，大洪水的計算分析有待資料完善，因近年來幾乎未有較大徑流的產生，仍需日后積累較新資料并進一步梳理歷史洪水資料。因上游地區降雨歷時短、強度大，洪水起漲速度較為迅速，所繪過程線均為陡漲陡落。經實地考察，云州水庫上游流域下墊面近年來變化不大。

2011年7月24日洪水預報誤差偏大，經分析主要原因是引起該場洪水的降雨歷時長，總雨量大，預報值依據暴雨中心在下游的關系線查得，但實際情況中雨強很小，部分降雨下滲，未形成地表徑流。

云州水庫上游流域處半濕潤半干旱地區，降雨情況多數為短歷時強降雨，且洪水過程多為陡漲陡落，退水過程很快，此方案的建立所依據的資料也多為短歷時強降雨產生的洪水過程，因此，若遇歷時較長雨強較小的降雨過程，在預報時應酌情考慮這2方面的影響及預報精度，在實際作業預報中，還需結合場次降雨的暴雨中心、時空分布等各方面信息具體進行分析，并且需要對上游流域情況具有較為準確全面的了解，以求預報結果更切合實際。

4 農業影響分析

云州水庫是一座集防洪、灌溉等多種功能為一體的綜合性大型水庫，多年年均pH值、礦化度、總硬度、總堿度等化驗項目都符合相關標準，為重碳酸鈣型水，水質適用于飲用和灌溉。自2004年以來，20余次為北京開閘輸水，對農業灌溉及飲用水補給起到了重要作用。上游流域土地在2000年以后被全部利用，具有多種利用類型，以耕地、草地、林地為主，徑流和產生與土地利用情況相互影響，在相同的降水條件下，植被覆蓋較好的情況下，降雨量損失增加，產流量會有所減少，利用率較差的土壤條件下更容易形成洪水，制約農業生產的發展。同時，在降雨條件相同的情況下，裸露地比草地上的土壤侵蝕劇烈很多，土壤各類對土壤侵蝕以及地表徑流產生的影響都很小，這意味著土壤利用率降低，會導致產流的輸水率與含沙量增加，影響土壤及生態環境的修復。分析其上游流域降水、徑流等方面的水文特性，可以為保持水土、合理開發利用水資源等提供水文基礎數據。洪水預報在水庫調度、防洪減災方面發揮著重要作用，為防汛抗旱決策提供有力支撐，在農業生產方面也具有重要的參考意義，有助于促進農業安全生產，減少農業經濟損失。

水利是農業的命脈，農業發展和糧食安全在國家發展戰略中處于核心地位，而農業常常受到水旱災害嚴重影響。近年來，在環境變化的影響下，大氣和陸面水循環系統產生較大變化，極端降水出現的頻率增加，糧食生產及農業安全生產受到水旱災害的威脅，我國在農業防汛減災方面還存在著一些問題，如災害預警能力有待提高，防汛減災基礎設施有待完善，防災減災保障能力及意識有所欠缺等，因此，在農業安全生產的可持續性發展道路上仍需積極探索。可通過建立農業灌溉排放保障體系的方法，提高農業生產能力，保障糧食安全，增加農業產量、增加農民收入和促進經濟發展。水文行業需在保證監測、情報能力的基礎上提高水文預報水平，提高預報精度、延長預見期，同時開展干旱預測預警，為農業的防災減災提供更為科學合理的參考依據。

表2 云州水庫降雨徑流相關圖精度評定表

續表2 云州水庫降雨徑流相關圖精度評定表

圖1 云州水庫P+Pa～暴雨中心位置～R總相關圖