沙漠前沿出流河水利計(jì)算方法研究

王喜波，江行久

（1.遼寧省阜新縣水資源管理辦公室，遼寧阜新123100；2.遼寧省水文水資源勘測局阜新分局，遼寧阜新123000）

1 研究區(qū)域概況

科爾沁沙地西高東低,西部內(nèi)蒙古奈曼旗附近高程達(dá)到400m左右，東部散都附近僅180m左右。自新生代以來,經(jīng)歷了一個(gè)漫長的堆積過程,普遍發(fā)育著堆積地型，區(qū)內(nèi)遍布高低起伏的沙丘、沙壟地形。沙丘中風(fēng)蝕坑和風(fēng)蝕洼地發(fā)育甚多，低山丘頂一般5～15m，最高不超過20m，形成許多的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，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(dòng)沙丘，其形態(tài)多為不規(guī)則的新月形。多個(gè)沙丘之間呈現(xiàn)為波狀平原，平坦沙地風(fēng)積砂的厚度一般小于2.0m，表部0.3～0.5m厚度內(nèi)已壤成沙土，牧草和農(nóng)作物生長茂盛。丘間洼地，泡沼水深在0.1～4.0m之間。

區(qū)域內(nèi)第四紀(jì)極其發(fā)育，分布面積廣，厚度大。由風(fēng)積、湖沼堆積、沖積、沖湖積疊加而形成巨厚松散堆積層。第四紀(jì)早期至晚期連續(xù)沉積特點(diǎn)表現(xiàn)明顯，據(jù)勘查[2]，厚度在50～100m以上，最大厚度達(dá)150m以上。第四紀(jì)沉積物巖性以砂類為主，其中大部分為細(xì)砂、中細(xì)砂、粉細(xì)砂，部分為細(xì)中砂、細(xì)粉砂和粉砂；亞砂土、亞粘土、粉土質(zhì)、粉砂及淤泥質(zhì)一般均在夾層出現(xiàn)。

沙丘區(qū)主要地貌特征是風(fēng)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；也有溝谷深切形成的沙漠開放地帶，發(fā)育小型出流河。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅彰北沙丘前沿地下水開放區(qū)，有大小出流河20多條，長年流水，流量可觀。主要有柳河、養(yǎng)息牧河、秀水河3條河流，區(qū)域內(nèi)，柳河面積為309.6km2、養(yǎng)息牧河面積為875.2km2、秀水河面積為222.2km2、大清溝河面積為 196km2。

考慮到人類活動(dòng)影響、試驗(yàn)站建設(shè)等因素，本文選擇大清溝小流域作為研究代表區(qū)域。研究區(qū)域內(nèi)設(shè)有大清溝林場、蘇家戈、八門套海、大清溝4個(gè)雨量站和小清溝、內(nèi)蒙大清溝、遼寧大清溝3個(gè)水文站，下游有大清溝水庫。

2 產(chǎn)流特點(diǎn)

研究區(qū)域內(nèi)降雨后首先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，這個(gè)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；再次就是溝槽內(nèi)的超滲坡面流；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(bǔ)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)生地面徑流的概念。

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)整模型的參數(shù)來協(xié)調(diào)適應(yīng)，因此次降雨徑流的模擬得到了較好的應(yīng)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]。

3 產(chǎn)流面積的動(dòng)態(tài)性

計(jì)算大、小清溝1980～2005年間的主要洪水的降雨徑流系數(shù)，如表1所示。

表1 大小清溝降雨徑流關(guān)系表

表1中除小清溝1981年6月8-9日雨量極不均勻，八門套海站104mm，其他站雨量均不大，使徑流系數(shù)偏大，其他年份徑流系數(shù)均在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，這時(shí)，徑流系數(shù)就是產(chǎn)流面積權(quán)重。就是說，表1中100mm以下的降雨量，其產(chǎn)流面積只不過是總流域面積的1%～2%而已，并且主要發(fā)生在河溝水面及兩旁的坡腳，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(dá)到整個(gè)流域。由于沒有更大降雨徑流資料，在設(shè)計(jì)暴雨情況下，可根據(jù)表中的徑流系數(shù)（產(chǎn)流面積）適當(dāng)外延。

4 匯流及洪水過程特點(diǎn)

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

從表 1可知：產(chǎn)流面積=94×0.0197=1.85km2。

1）產(chǎn)流面積上的徑流深R=20.09萬m3/1.85km2=108mm，即流域平均雨量108mm在產(chǎn)流面積1.85km2上全部產(chǎn)生了徑流。原因是：河溝水面全部產(chǎn)生徑流；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。

2）大清溝的地面徑流過程線和24h 10mm單位線如圖 1，2所示。

圖1 1984年8月大清溝站地面徑流過程線

圖2 大清溝1984年8月地面徑流24h單位線

3）最后加上地下徑流（基流）0.8m3/s。

在設(shè)計(jì)情況下，產(chǎn)流面積適當(dāng)擴(kuò)大，單位線縱坐標(biāo)和底長也適當(dāng)按比例擴(kuò)大，使單位線包圍的面積等于擴(kuò)大的產(chǎn)流面積上10mm的總水量。如是2d和3d的雨量，按24h單位線錯(cuò)后時(shí)段疊加。

5 大清溝水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

5.1 百年一遇設(shè)計(jì)洪水推求

1）求P=1%的設(shè)計(jì)暴雨量：

2）求產(chǎn)流面積：根據(jù)上述的產(chǎn)流面積分析，降雨量100mm左右徑流系數(shù)（產(chǎn)流面積）為2%，192mm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%=8.88km2。

3）計(jì)算單位線縱高擴(kuò)大倍數(shù)：用大清溝站24h10mm單位線求大清溝水庫單位線；水庫單位線縱標(biāo)與大清溝站單位線縱標(biāo)和之比：

4）繪制洪水過程線：將大清溝站24h10mm（1.85km2）單位線各站點(diǎn)縱標(biāo)擴(kuò)大4.80倍，繪制出大清溝水庫8.88km2單位線，按設(shè)計(jì)降雨192mm（即凈雨）推求設(shè)計(jì)洪水過程（見圖2），其峰值為 25.85m3/s，其中基流為 1.15m3/s。洪量 W=R×F+基流量=192×8.88+108×1.15=215.2萬 m3。

圖2 不同面積設(shè)計(jì)洪水過程

5.2 千年一遇設(shè)計(jì)洪水推求

2）F產(chǎn)=222×5%=11.1km2。

3）單位線縱坐標(biāo)擴(kuò)大倍數(shù)：

4）P=0.1%洪水過程線（見圖 3）：其峰值為 45.1m3/s，其流量為 1.15m3/s。 洪量計(jì)算：W=273×11.1+108×1.15=347.7萬 m3。

6 結(jié) 語

目前國內(nèi)外還沒有一個(gè)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(jī)制的不確定性，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和下墊面條件的復(fù)雜性決定的。

圖3 不同面積24h單位線

本文對研究區(qū)域的產(chǎn)匯流機(jī)制進(jìn)行了分析，著重分析了沙丘前沿區(qū)流域產(chǎn)匯流的特點(diǎn)，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，分析出了基于沙丘前沿區(qū)的洪水特點(diǎn)和設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法。其成果對沙丘出流河的產(chǎn)流面積動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)及規(guī)律可以應(yīng)用于相似流域，并在本區(qū)域的水文水利計(jì)算中了有較好的應(yīng)用。

[1]張國輝，江行久.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]江行久.彰北沙丘前沿區(qū)水文水資源監(jiān)測與研究[M].2007（6）.