晉中市水文下墊面對產(chǎn)流的影響研究

高華峰

（山西省水文水資源勘測局晉中分局）

晉中市水文下墊面對產(chǎn)流的影響研究

高華峰

（山西省水文水資源勘測局晉中分局）

徑流是由降水和水文下墊面共同作用所導(dǎo)致。以晉中市為例，在水文下墊面分類的基礎(chǔ)上，采用雙曲正切模型，分析計(jì)算出了單種地類的吸收率及導(dǎo)水率。利用此計(jì)算成果，可定量計(jì)算分析流域復(fù)合下墊面對產(chǎn)流造成的影響，研究成果對水土流失規(guī)律探索具有啟迪與指導(dǎo)意義。

水文下墊面 產(chǎn)流計(jì)算 雙曲正切模型 晉中市

1 研究區(qū)簡況

徑流是由降水和水文下墊面共同作用所導(dǎo)致，除了降雨量和雨強(qiáng)影響外，水文下墊面的異同將對產(chǎn)流產(chǎn)生重要影響，使得在同量級的降雨量和降雨強(qiáng)度下，產(chǎn)流機(jī)理也將有較大的不同。現(xiàn)以晉中市為例，分析水文下墊面對產(chǎn)流的影響。

晉中市位于山西省的中部，地理座標(biāo)為東經(jīng)111°25′-114°08′，北緯36°40′-38°05′，東依太行山與河北省相鄰，西瀕汾河與呂梁市相望，東北、西北分別與陽泉市、太原市相連，東南、西南分別與長治市、臨汾市接壤。全市總土地面積16 347 km2，主要有平原、山區(qū)和丘陵三種地貌，其中：太原盆地平川區(qū)2 219 km2，占總面積13.57%；山區(qū)和丘陵區(qū)面積14 128 km2，占總面積86.43%。不同的地貌形成的水文下墊面不盡相同，對產(chǎn)流的影響也截然不同。

2 水文下墊面的分類

2.1 水文下墊面分類的意義

水文下墊面是徑流、泥沙、洪水等水文現(xiàn)象及水文過程發(fā)生和演變的載體。在同樣的降水條件下，包氣帶的吸水性能、導(dǎo)水性能、漏水性能及持水性能主導(dǎo)著對降水的再分配和徑流形成全過程；地表的抗侵蝕能力強(qiáng)弱和洪流挾沙能力大小、河道的抗沖刷特性，決定著流域產(chǎn)沙量的多少；地貌與植被則制約著流域的匯流過程。一切水文要素，都是降水通過水文下墊面產(chǎn)生的終極結(jié)果。因此，科學(xué)地劃分水文下墊面地類，是研究水文規(guī)律與解決生產(chǎn)實(shí)踐問題的重要基礎(chǔ)。

2.2 水文下墊面主導(dǎo)要素

水文下墊面要素，主要包括：地理位置、地貌特征（如山地、丘陵、盆地、平原、谷地等）、地形特征（如坡度、坡向等）、地質(zhì)條件（如構(gòu)造、巖性、水理性質(zhì)等）、植被特征（如類型、分布等）、土壤性質(zhì)等，其中地質(zhì)、地貌和植被條件是制約水文現(xiàn)象區(qū)域分異規(guī)律的三大主導(dǎo)因素，也是劃分水文下墊面地類區(qū)域界限的主要依據(jù)。

按地質(zhì)巖性的水理性能，可將其分為變質(zhì)巖類、灰?guī)r類、砂頁巖類、松散巖類。從地貌形態(tài)劃分，大體可分為山地、平原和丘陵。植被對陸地生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)有著重要的調(diào)節(jié)作用，植被的變化對水文過程的影響實(shí)際上是改變了水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)，從而影響著降水的再分配。植被的類型及結(jié)構(gòu)不同，葉面積指數(shù)、樹冠結(jié)構(gòu)等也相應(yīng)不同，致使流域水文的蒸散發(fā)、截留量、入滲率等都會有很大的差異。晉中市是一個多山地區(qū)，從山麓到山頂，由于海拔高度、地形、氣候、土壤母質(zhì)的不同，不同部位的植被類型也不盡相同。根據(jù)對產(chǎn)流過程的影響程度，可將植被分為森林、灌叢、草坡和農(nóng)作物四類。

2.3 晉中市水文下墊面劃分成果

據(jù)多年水文測驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可知，制約產(chǎn)流的主導(dǎo)因子是地質(zhì)巖性的水理性能，其次為植被和地貌。灌叢與草坡對產(chǎn)流過程的影響非常相近，因此，在具體確定植被類型時把草坡并入灌叢。在劃分晉中市產(chǎn)流地類時，按主次因子，由巖性—植被—地貌組合，可將其劃分為12種（見表1）。

表1 晉中市產(chǎn)流地類劃分成果表

3 水文下墊面對產(chǎn)流的影響

流域產(chǎn)流計(jì)算，包括設(shè)計(jì)洪水凈雨深和凈雨過程兩部分。水文下墊面對產(chǎn)流機(jī)理的影響主要表現(xiàn)在設(shè)計(jì)洪水凈雨深，不同的水文下墊面會有不同的吸收率和導(dǎo)水率。通過以下計(jì)算，可以了解水文下墊面對產(chǎn)流的影響機(jī)理。

在設(shè)計(jì)凈雨深計(jì)算時，主要采用的是雙曲正切模型：

式中：th為雙曲正切運(yùn)算符；x為供水度；tz為設(shè)計(jì)暴雨的主雨歷時，h；HP,A（tz）為設(shè)計(jì)暴雨的主雨面雨量，mm；φ為洪水徑流系數(shù)；Rp為設(shè)計(jì)洪水凈雨深，mm；FA（tz）為主雨歷時內(nèi)的流域可能損失（角標(biāo)A表示流域平均值，下同），mm。

流域降雨可能損失用下式計(jì)算：

式中：Sr,A為流域包氣帶充分風(fēng)干時的吸收率（反映流域的綜合吸水能力），mm/h1/2；Ks,A為流域包氣帶飽和時的導(dǎo)水率，mm/h；B0,P為設(shè)計(jì)頻率的流域前期土濕標(biāo)志（流域持水度）。

多種產(chǎn)流地類組成的復(fù)合地類流域，吸收率和導(dǎo)水率分別根據(jù)各種地類的面積權(quán)重按式下式加權(quán)計(jì)算：

式中：Sr,i為單地類包氣帶充分風(fēng)干時的吸收率，mm/h1/2；Ks,i為單地類包氣帶飽和時的導(dǎo)水率，mm/h；ci為某種地類面積占流域面積的權(quán)重。

流域下墊面不同，吸收率Sr,i與導(dǎo)水率Ks,i也將不同。根據(jù)上述原理，計(jì)算的晉中市12種產(chǎn)流地類所對應(yīng)的吸收率Sr和導(dǎo)水率Ks詳見表2。

表2 晉中市單地類風(fēng)干流域吸收率Sr及飽和流域?qū)蔏S計(jì)算成果表

從表2中合理選用相應(yīng)的單地類吸收率Sr與導(dǎo)水率Ks，然后分別用式（4）和式（5）計(jì)算流域的吸收率Sr,A和導(dǎo)水率Ks,A。

將Sr,A、Ks,A和tz連同流域域持水度B0,P，代入式（3），可計(jì)算出流域可能的降水損失FA（tz）。根據(jù)設(shè)計(jì)主雨面雨量HP,A（tz）及流域可能的降水損失FA（tz），用式（1）或式（2）即可計(jì)算出設(shè)計(jì)洪水凈雨深Rp。

從公式（3）中可以知道，在持水度和主雨歷時相同的情況下，吸收率與導(dǎo)水率的不同將導(dǎo)致流域可能的降水損失不同。將流域可能的降水損失代入公式（1）或（2）中可知，在主雨量相同的情況下，流域可能的降水損失不同，凈雨深則也不同，最終改變其產(chǎn)流機(jī)理。

4 結(jié)論與建議

（1）事實(shí)上，下墊面的空間變異并不像下墊面分區(qū)圖所標(biāo)示的那樣界限分明，分區(qū)內(nèi)的下墊面屬性也不一定絕對單一，成圖時進(jìn)行的合并與綜合，掩蓋了小流域內(nèi)部下墊面的分異特征。所以，下墊面分區(qū)圖的實(shí)用性會隨著流域面積的減小而弱化，但野外工作不可或缺。

（2）在盆地，地下水位埋深對吸收率影響較大，一旦缺乏這方面的觀測資料，無法做系統(tǒng)分析，表2列值僅適用于地下水位埋深比較大的區(qū)域。地下水位埋深較小時，應(yīng)適當(dāng)減小吸收率的取值。

（3）對于廣闊低緩山坡，且覆蓋有薄層黃土或黃土斑狀分布、基巖零散出露的土石山區(qū)，應(yīng)設(shè)法確定（包括估計(jì)）出黃土、基巖露頭各自占流域面積的權(quán)重，將其分解為單地類，然后比照復(fù)合地類處理，以避免機(jī)械采用80%作為劃分石質(zhì)山地與土石山區(qū)指標(biāo)產(chǎn)生的參數(shù)值突變現(xiàn)象。

（4）對于12種地類未能涵蓋的下墊面類型，例如，采礦區(qū)和城市區(qū)，由于現(xiàn)實(shí)水文站網(wǎng)中沒有這些地區(qū)的觀測資料，不能具體分析它們的吸收率和導(dǎo)水率，只能以12種地類中的某種地類參數(shù)為參考，綜合考慮這些區(qū)域的產(chǎn)流特性，確定吸收率和導(dǎo)水率。煤礦開采區(qū)主要分布在砂頁巖灌叢山地，采礦放頂增加了包氣帶的導(dǎo)水性，所以，建議在表2列砂頁巖灌叢山地參數(shù)的基礎(chǔ)上，按采礦面積大小、巷道深淺，適當(dāng)加大導(dǎo)水率。城市化地區(qū)由于不透水面積加大，吸水率和導(dǎo)水率都會降低，建議降低使用表2列變質(zhì)巖灌叢山地參數(shù)值。

（5）灰?guī)r地類，根據(jù)流域漏水情況合理選用參數(shù)，強(qiáng)漏水區(qū)選用參數(shù)上限或中上值，中等漏水區(qū)選用一般值，弱漏水區(qū)選用下限或中下值。

（6）設(shè)計(jì)頻率的流域前期土濕標(biāo)志的變化，對設(shè)計(jì)凈雨深會產(chǎn)生一定影響，表2列值未考慮土濕沿緯度及高程的變異，實(shí)際應(yīng)用時可以在不超過表2列值±5%的范圍內(nèi)調(diào)整，高中山地和半濕潤地區(qū)可適當(dāng)提高，半干旱地區(qū)可適當(dāng)降低。

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1008-0120（2017）01-0018-03

2016-09-30

高華峰（1977-）：男，工程師；通訊地址：山西省晉中榆次區(qū)東關(guān)街65號，030600