沙丘前沿區(qū)產(chǎn)匯流特點研究及其在設計洪水計算中的應用

史沈彬，秦秀梅，李中艷，汪 晶

(1.遼寧省水文水資源勘測局鐵嶺分局，遼寧 鐵嶺112000;2.遼寧省水文水資源勘測局錦州分局，遼寧 錦州121000)

科爾沁沙地為西高東低，西部內(nèi)蒙古奈曼旗附近高程達到400 m左右，東部散都附近僅180 m左右。沙丘中風蝕坑和風蝕洼地發(fā)育甚多，低山丘頂一般5～15 m，最高不超過20 m，形成許多封閉性的水文小循環(huán)體。沙丘植被一般以沙篙和牧草為主，約占植被面積的70%～95%。沙丘多呈半固定狀態(tài)，區(qū)域內(nèi)樹木較少，少部分由于植被發(fā)育，而形成固定沙丘，大部分形成流動沙丘，其形態(tài)多為不規(guī)則的新月形。

本區(qū)域多年平均降水量為470 mm左右，主要集中在6—9月份，占全年的80%，區(qū)域的主要地貌特征是風成沙丘、坨間洼地間隔分布。既有封閉的坨甸，地勢低洼平坦，潛水面很淺，低洼處形成大小不一的水泡，降雨被沙丘間自然形成的水泡攔蓄量大;也有溝谷深切形成的沙漠開放地帶，發(fā)育小型出流河。大清溝河流域面積為196 km2。

考慮到人類活動影響、試驗站建設等因素，本文選擇大清溝河上游區(qū)域作為研究代表區(qū)域。研究區(qū)域內(nèi)設有林場、蘇家戈、大清溝三個雨量站，其中大清溝為水文站，下游有大清溝水庫。

1 沙丘前沿區(qū)產(chǎn)匯流分析計算

1.1 產(chǎn)流特點分析

研究區(qū)域的產(chǎn)流特性概述如下，首先，降雨后在河溝水面上全部產(chǎn)生徑流;其次，在與河溝緊連的坡腳、凹坡或洼潭產(chǎn)生徑流，這些區(qū)域一般土層薄，地下水埋深淺，土壤濕度大，容易產(chǎn)生飽和坡面流，飽和坡面流的面積隨著降雨量的增加不斷向蓄水容量不大的地區(qū)延伸;第三，就是溝槽內(nèi)的超滲坡面流;第四，其它流域面積由于沙丘下滲能力大，地下水較深，一般不產(chǎn)生地面徑流，下滲水量大范圍的補給地下水庫，參與多年調(diào)節(jié)，本次降雨徑流過程不能反映出來。因此，研究區(qū)的基本產(chǎn)流特性是部分面積產(chǎn)生地面徑流。

1.2 產(chǎn)流計算

根據(jù)新安江模型的定義，次降雨產(chǎn)流面積的變化可以通過調(diào)整模型參數(shù)來協(xié)調(diào)適應，因此次降雨徑流的模擬得到了較好的應用。而地下水庫的巨大調(diào)節(jié)作用，使日模型參數(shù)調(diào)整變得遲鈍，反映出的結(jié)果就是日流量模型不能得到較好的模擬［1］。

根據(jù)實測的大清溝1980—1985年間的主要降水和洪水資料，計算其降雨徑流系數(shù)。在0.013～0.019之間，徑流系數(shù)變化不大。如果地表徑流基本發(fā)生在溝槽面積內(nèi)，并且把數(shù)量很小的超滲坡面流概化到飽和坡面流中，則河溝水面和坡腳飽和坡面的降雨都會產(chǎn)生徑流，并隨降雨量的增大向兩旁延伸。這說明地表產(chǎn)流面積也是不固定的，它隨著降雨條件的不同而不同，但不會達到整個流域，徑流系數(shù)就是產(chǎn)流面積權(quán)重。

根據(jù)該區(qū)域的產(chǎn)流特性和以上分析，確定該流域產(chǎn)流計算方法為:流域徑流系數(shù)作為產(chǎn)流面積權(quán)重，100 mm以下的降雨量，其產(chǎn)流面積是總流域面積的1%～2%，發(fā)生更大降水過程，根據(jù)流域徑流系數(shù)(產(chǎn)流面積)適當外延［2］，計算產(chǎn)流量。

1.3 匯流計算

降雨徑流部分動態(tài)面積產(chǎn)流的特性，決定了部分面積匯流的特點。

現(xiàn)選大清溝站降雨量最大的1984年8月10日的降雨徑流資料分析其單位線如下。

產(chǎn)流面積 =94 ×0.019 7=1.85 km2;

產(chǎn)流面積上的徑流深 =20.09萬 m3/1.85 km2=108 mm。

即流域平均雨量108 mm在產(chǎn)流面積1.85 km2上全部產(chǎn)生了徑流。原因之一是河溝水面，無疑全部產(chǎn)生徑流，第二是緊靠河溝的坡腳地帶，開始要有部分雨水抬高地下水位(坡腳包氣帶濕潤，無需潤濕包氣帶的雨水)，然后產(chǎn)生飽和坡面流，雨停后退水階段這部分抬高地下水位的雨水很快流出來參與退水過程。

藥物作用24 h后收集各組細胞培養(yǎng)液，按照Human Aβ1-42ELISA試劑盒說明書操作。加入待測樣本和標準品每孔100 μL(設重復孔), 覆上板貼，37 ℃溫育2 h；棄液，甩干，不洗滌；每孔加入生物素標記抗體工作液100 μL，覆上新板貼，37 ℃溫育1 h；棄液，甩干，洗板3次；每孔加入辣根過氧化物酶標記親和素抗體工作液100 μL，覆上新板貼，37 ℃溫育1 h；棄液，甩干，洗板3次；加入底物溶液90 μL，37 ℃避光顯色30 min；加入終止溶液50 μL，終止反應；酶標儀在450 nm處記錄吸光度值，繪制曲線，計算Aβ1-42濃度。

在設計情況下，產(chǎn)流面積適當擴大，單位線縱坐標和底長也適當按比例擴大，使單位線包圍的面積等于擴大的產(chǎn)流面積上10 mm的總水量。如是二天和三天的雨量，按24 h單位線錯后時段疊加，推求匯流過程。

2 該區(qū)域產(chǎn)匯機制在大清溝水庫設計洪水計算中的應用

運用該流域的產(chǎn)匯機制，計算該流域內(nèi)大清溝水庫的設計洪水。

2.1 百年一遇設計洪水推求

(1)求P=1%的設計暴雨量:P24=65 mm(查全國暴雨等值線圖)

(2)求產(chǎn)流面積:根據(jù)上述的產(chǎn)流面積分析，降雨量100 mm左右徑流系數(shù)(產(chǎn)流面積)為2%，192 mm的降雨量其產(chǎn)流面積采用集水面積的4%，即F產(chǎn)=F×4% =222×4% =8.88(km2)。

(3)計算單位線縱高擴大倍數(shù):用大清溝站24小時10 mm單位線求大清溝水庫單位線;水庫單位線縱標與大清溝站單位線縱標和之比如下:

(4)繪制洪水過程線:將大清溝站24小時10 mm(1.85 km2)單位線各站點縱標擴大4.8倍，繪制出大清溝水庫8.88 km2單位線，按設計降雨192 mm(即凈雨)推求設計洪水過程，其峰值為25.85 m3/s，其中基流為 1.15 m3/s。洪量W=R×F+基流量 =192(mm)×8.88(km2)+108 h×1.15(mm)=215.2 萬 m3。

2.2 千年一遇設計洪水推求

(2)F產(chǎn)=222×5%=11.1(km2)

(4)P=0.1%洪水過程線。計算方法同上，推求設計洪水過程:其峰值為45.1 m3/s，其流為1.15 m3/s。洪量計算:W=273 ×11.1+108 ×1.15=347.7 萬 m3。

3 結(jié)語

目前國內(nèi)外還沒有一個成型的結(jié)論和確定的模型來描述沙丘前沿區(qū)的降雨徑流規(guī)律。這是由于沙丘前沿區(qū)產(chǎn)匯流機制的不確定性，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和下墊面條件的復雜性決定的。

本文對研究區(qū)域的產(chǎn)匯流機制進行了分析，著重分析了彰北沙丘前沿區(qū)流域產(chǎn)匯流的特點，確定了地表產(chǎn)流面積隨著降雨量不同而發(fā)生變化的規(guī)律，分析了基于沙丘前沿區(qū)洪水特點的設計洪水計算方法。其成果為具有沙丘出流河流的產(chǎn)匯流面積動態(tài)變化特點及其規(guī)律的相似流域提供借鑒，并在本區(qū)域水文水利計算中有較好的應用。

［1］張國輝，冮行久.利用新安江模型模擬沙丘前沿區(qū)降雨徑流規(guī)律［G］.第五屆中國水論壇.2008(1).758～761.

［2］冮行久.次降雨土壤吸收量推算方法研究［J］.中國農(nóng)村水利水電.2006(2).