江蘇省濱海縣翻身河測區降雨徑流關系分析

司英凡，任中杰

（江蘇省水文水資源勘測局徐州分局，江蘇 徐州 221000）

降雨徑流關系分析是水文計算和水文測報的基礎，可找尋流域內徑流的形成規律，定量分析流域平均降雨量、徑流量、土壤含水量、降雨過程與流量過程間的關系。以江蘇省濱海縣翻身河測區為例，通過與以往降雨徑流系列關系作對比并定量分析，充分了解和分析流域徑流關系的變化規律及其原因，對濱海縣區域的洪水暴雨預報、區域水循環機理探求及水資源合理規劃等具有重要意義。

1 測區概況

翻身河位于江蘇省鹽城市濱海縣東北部，屬水利水資源四級分區渠北翻身河區，是濱海縣境內單獨排水入海的骨干河道之一。翻身河位于廢黃河與中山河之間，廢黃河擾亂了淮河原有的水系，使下游河水無法流出，導致整個流域頻繁災害。根據域內周邊水系及引排水工程分布現狀， 結合降雨徑流試驗要求，滿足引排水口門流量、水位、區域降水量、蒸發量及淺層地下水位等要素條件，測區站網布設如圖1。

圖1 測區站網分布

2 水文測驗

翻身河閘站為區域出水重要控制站點，開啟日數多，排水量大，運行后全年共施測9 潮，從閘門開啟后水流趨穩開始測流， 每小時1 次， 直到關閘， 由于水位變化較大， 且系不等時距觀測或摘錄，所以舍棄算術平均法，利用面積包圍法計算一潮排水量，建立開閘穩定高水位、穩定低水位與開閘時間經驗關系，利用該站閘上遙測水位、穩定低水位與開閘時間推算翻身河閘全年入海排水量，運用流速儀測法，水位差采用平均水頭。相關因素的計算公式為：

式中T 為歷時；hu為水位差；ΔZ 為有效潮差。

同時利用實測的流量推算堰閘系數， 建立閘上穩定水位差與堰閘系數關系，推算大水期流量過程，翻身河閘為平頂閘。

為此所采用的公式為：

式中Q 為流量；C 為淹沒式堰流流量系數；B 為閘門開啟寬度；H 為平均水頭。

3 產流分析

3.1 面平均降水量P 的計算

采用降雨實測資料計算面平均雨量， 翻身河測區流域面積較小，且地形起伏不大，區域內降雨均勻分布在地區上變化很小， 采用簡單易行的算術平均法計算測區面平均雨量，誤差較小、數據可用。

算術平均法公式為：

通過代入式（3）得出翻身河測區年平均降水量為783.6 mm,比多年平均降水量減少15.9%。

3.2 前期影響雨量Pa 計算

3.2.1 最大初損值確定

式中 P 為流域時段降雨量 （mm）；E 為雨間蒸發量（mm）；R 為徑流深（mm）。

最大初損值是前期影響雨量的上閾值， 等于流域在特別干旱的情況下， 暴雨在產流過程中的最大損失量，包含植物截留、填洼及滲入包氣帶被土壤余下的雨量［3］。根據翻身河測區歷年降雨徑流資料分析P 值在90.2～147 mm，R 值在16.6～78.4 mm， 根據式（4）可概算出最大初損值取值70 mm。

3.2.2 計算前期影響雨量Pa

前期影響雨量Pa也就是降雨開始時的初始土壤含水量， 它的值取決于前期降雨對土壤的補給量和蒸發量對土壤含水量的消耗量， 通常以1 d 為計算時段， 逐日遞推， 一直計算到本次降雨開始前的Pa值為止。

式中Pa,t為第t 日的前期影響雨量（mm）；Pa,t+1為第t+1日的前期影響雨量（mm）；Pt為第t 日的流域平均雨量（mm）；K 為土壤含水量的日消退系數或折減系數。

計算Pa,t+1時段一般取該次暴雨之前15 d， 在計算過程中若發現Pa,t+1大于Im,則取Pa,t+1=Im，認為超過Im的部分已變為產流量，則需做一次誤差清除，使誤差不會連續累積。

折減系數K 的公式為：

式中Em為最大日蒸發量。

根據翻身河測區歷年降雨徑流資料分析計算，產流參數K 值取用0.90，Im取用70 mm。本次計算設4 月1 日影響雨量值為30 mm,然后逐日推算。

3.3 實測徑流深R 實

選擇不受上一場次雨洪影響比較獨立的雨洪過程，在5—9 月雨洪資料中，場降雨超過35 mm 的共有6 場次， 分別為6 月8 日場次降水量41.3 mm；6月23 日場次降雨量88.6 mm；6 月30 日場次降雨量112.9 mm；7 月12 日場次降雨量87.5 mm；9 月6 日場次降水量69.2 mm；9 月27 日場次降雨量89.8 mm，摘取這些場次計算實測徑流深要素，并用式（7）進行計算。

式中 R實為次降雨實測徑流深 （mm）；F 為測區面積（km2）；Q出為各出水口門日平均流量之和（m3/s）；Q入為各進水口門日平均流量之和（m3/s）。

3.4 產流參數計算

與江蘇省1984 暴雨洪水圖集［1］一致，設定降雨產流模型為雙曲線函數，產流公式為：

式中R 為徑流深 （mm）；P 為面平均次雨量(mm)；Pa為前期雨量（mm）；Cp、Ci產流參數。

計算得到徑流深的計算公式為：

式中R計為計算的徑流深（mm）；P 為面降雨量（mm）；b 為流域蓄水容量不均勻的經驗指數；Im為流域最大缺水量，取70 mm。

式中 b 為流域蓄水容量不均勻的經驗指數；c 為流域參數，歷史取值為0.56；a 為流域旱田百分比，本區域旱田占83%，取0.83。

根據實測降雨量P 和計算得到的前期影響雨量Pa及用式（9）式（10）計算得到的徑流深R，采用最小二乘法原理用最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配和Excel 規劃求解功能， 率定出產流參數Cp、Ci。本次率定參數：Cp為12，Ci為56。本次率定參數與旱地產流計算參數Cp=13、Ci=60 相接近，說明本次產流數據可用。本次率定成果表1 與1981—1984年翻身河測區降雨徑流關系［1］（表2）比較，對比發現徑流深系統偏大，偏大范圍在20.4%～37.8%之間。翻身河測區降雨徑流關系如圖2 與1981—1984 年相比,關系圖發生變化,可能與原有河道庫容量縮小有關。 近年來鄉村河道淤積嚴重, 使原庫容量嚴重減少，庫容減小,導致試驗區現狀排水量比過去增大，測區內下墊面狀況可能發生變化。

表1 測區2016 年降雨徑流分析計算成果

表2 測區1981—1984 年降雨徑流分析計算成果

圖2 翻身河測區降雨徑流關系比較

4 降雨徑流關系影響因素分析

4.1 自然因素

自然因素的影響主要包括地形地貌、 氣候及植被覆蓋物等因素。 氣候影響的降雨量和蒸發量都直接影響到徑流的形成和變化，20 世紀80 年代以來氣候變化多端， 極端天氣增加使得地區降雨量發生改變。

地形地貌指地表中各類巖石、土壤和地層結構、各種水體及地表覆蓋物的表面形態和高度、 地理位置等，同樣的降水量在不同地區、不同環境、不同地質結構中產生的徑流量會出現較大差異［4］，在測站考證中發現區內高程和重力勢能的改變影響徑流的形成；植被覆蓋物指覆蓋在地表上的植被種類、大小及密度等，其對徑流的影響：植被在降雨過程中截留一定水分，可涵蓄水量，從而增加降水過程的入滲損失量，進而影響徑流形成過程。隨著城鎮化的推進使翻身河區內土地利用程度變高，植被覆蓋量下降。地下水埋深變化對徑流影響是通過影響包氣帶來產生徑流變化的，地下水位降低，包氣帶厚度增大，一次降雨徑流過程時，產流量會減小，但對于長期的降雨徑流過程來看，包氣帶對產流影響較小［5］。

4.2 人為因素

人為因素包括水利工程、農田建設、城市建設、水土保持及水資源開發利用等因素。 人為建設的影響包括從多方面改變原有的下墊面狀況， 影響土壤透水性、減小地面的坡度、破壞地表原有存在的天然植被、影響水庫建設等。過度的土地利用改變原有的水文過程，農田建設改變原有的徑流方式，城市建設大大影響降雨入滲，增大城市的內澇概率，對產匯流產生影響［6］。

經調查發現濱海縣地區水資源開發利用程度不同，部分區域地下水超采嚴重，地下水位大大下降，包氣帶缺水增大，從而導致地表徑流量的變化，影響降雨徑流關系。水利工程建設對徑流的影響：攔蓄截水面積的增大，導致蒸發量的相對加大，特別是在干旱年份； 引水工程和提水工程改變某個河流段的徑流情況及某些地區地下水的情況， 造成局部水量改變，影響區域的水資源情況，從而改變取水及用水地域的原有水體循環情況［7］；由于水利工程的建設，導致某局部流域匯流時間減少，但對整個流域來說，增加峰現時差，使洪峰出現時間滯后。這些表現只是對主要影響因素進行分析， 也說明水利工程的建設對流域下墊面的影響因素較大， 進而對徑流產生影響［5］。

5 結語

綜上所述，與20 世紀80 年代相比，近年年徑流深系統偏大，氣候影響和土地不合理利用均有影響，但調查發現土地的不合理利用是影響降雨徑流關系的短期主要因素，地形地貌、植被覆蓋物、地下水埋深下墊面條件的改變均影響著徑流深，隨著城市化推進，建設用地區域面積的逐年擴大，使得下墊面蓄水調節能力下降，地表徑流量增大，城市防洪壓力增大，究其原因主要是城市建成區不透水下墊面大幅增加等因素導致，對于城市化建設產生的城市防洪壓力問題，建議完善城市綠化、雨水管理、水環境治理等政策法規體系；加大雨水收集、透水路面鋪裝等領域技術攻關力度；增加滲水池、雨水調節池和濕地面積等雨水攔蓄系統， 做到全面防治、綜合治理。