臥虎山流域暴雨洪水特性分析

張甲芳，相　華，林海洋

（濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250014）

臥虎山流域暴雨洪水特性分析

張甲芳，相華，林海洋

（濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250014）

分析了臥虎山流域暴雨洪水形成條件、特點(diǎn)、產(chǎn)流方式以及洪水參數(shù)計(jì)算方法，以此為基礎(chǔ)確定臥虎山水庫洪水預(yù)報(bào)的相關(guān)參數(shù)和預(yù)報(bào)方法。

濟(jì)南市；暴雨洪水特性；降雨徑流相關(guān)法；洪水預(yù)報(bào)

臥虎山流域地處泰山山脈北麓，臥虎山水庫的上游源流區(qū)，是濟(jì)南市重要的供水水源地，濟(jì)南群泉的地下水補(bǔ)給區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)，具有調(diào)節(jié)濟(jì)南市生態(tài)環(huán)境的功能。臥虎山水庫是匯集錦繡、錦云、錦陽三川之水蓄積而成的，流域控制面積557 km2，其地下多為基巖裂隙含水層，地勢(shì)上東及東南高，向西北降低，山峰林立，樹木茂密，植被較好。多年平均降水量700 mm，雨水資源豐富。降水主要集中在6～9月份，約占全年總水量的70%，而汛期降水主要集中在7、8月份。

1　氣象條件

臥虎山流域地處中緯度內(nèi)陸地帶，由于受太陽輻射、大氣環(huán)流和地理環(huán)境的影響，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季受熱帶、副熱帶海洋氣團(tuán)影響，盛行來自海洋的暖濕氣流，天氣炎熱，雨量充沛。形成暴雨的天氣系統(tǒng)主要有氣旋、臺(tái)風(fēng)、冷鋒、切變線四種，每種天氣系統(tǒng)均有產(chǎn)生暴雨和大暴雨的可能，如有兩種以上的天氣系統(tǒng)共同影響可能產(chǎn)生大暴雨。臥虎山流域受泰山地形影響，雨量一般較山前為小，暴雨多為氣旋雨。

2　暴雨洪水特點(diǎn)

暴雨是流域雨洪計(jì)算的基礎(chǔ)，暴雨的時(shí)程分配和空間分布，影響著整個(gè)一場(chǎng)洪水過程的形成。暴雨洪水的特點(diǎn)主要決定于暴雨，除暴雨的成因外，還有暴雨中心落點(diǎn)、暴雨中心移動(dòng)與否、移動(dòng)路徑、暴雨的面分布、暴雨強(qiáng)度和時(shí)程分配等影響。如果暴雨中心分布越近于下游，則匯流歷時(shí)越短，洪峰出現(xiàn)時(shí)間越早，峰量越大，峰形越尖瘦。暴雨中心從上游往下游移動(dòng)比從下游往上游移動(dòng)的洪水，匯流更快，峰量更大，更易引起中下游洪水的泛濫。對(duì)相同降雨量來說，雨強(qiáng)越大，降雨損失量越小，產(chǎn)流越快，洪峰流量越大，流量過程越尖瘦。另外暴雨洪水特點(diǎn)還受流域下墊面、河道形態(tài)等因素的制約。

臥虎山流域暴雨洪水特點(diǎn)一般為突發(fā)性強(qiáng)，歷時(shí)短；暴雨量大，強(qiáng)度高；局地性強(qiáng)，危害重；年際變化大，時(shí)空分布不均。由于臥虎山流域地處石灰?guī)r地區(qū)，風(fēng)化巖層較厚，流域的降雨入滲較大，易形成蓄滿產(chǎn)流，地表徑流產(chǎn)量甚小，洪水過程平緩，退水時(shí)間較長，另一方面由于流域內(nèi)山高坡陡，遇到強(qiáng)度較大的降雨，則易形成超滲產(chǎn)流，形成暴漲暴落的洪水過程。

3　降雨徑流計(jì)算

降雨徑流預(yù)報(bào)是根據(jù)流域上的降雨，預(yù)報(bào)流域出口站的洪水過程。這種預(yù)報(bào)方法是以降雨在流域的產(chǎn)流和匯流規(guī)律為依據(jù)。降雨以后，流域上的產(chǎn)流和匯流現(xiàn)象是相互交錯(cuò)不可截然分割的。實(shí)際工作中，為了便于計(jì)算，把它分成兩部分。即先由降雨預(yù)報(bào)產(chǎn)生的徑流量（凈雨量），再由徑流量預(yù)報(bào)出口站的洪水過程。

臥虎山流域的洪水預(yù)報(bào)是依據(jù)蓄滿產(chǎn)流的基本原理，采用降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的方法來進(jìn)行的。

3.1主要參數(shù)計(jì)算

1）流域平均雨量P。一般有兩種方法來計(jì)算。算術(shù)平均法和加權(quán)平均法。算術(shù)平均法簡便，適用于地形起伏不大，雨量站分布較為均勻的流域。加權(quán)平均法是將流域內(nèi)各相鄰雨量站用直線相連，做各連線的中垂線，這些線相交，將流域分成以各雨量站為單元的多邊形，計(jì)算出其面積與全流域面積之比，就是各站的權(quán)重，以各自的權(quán)重乘以本站降雨即可得到流域平均雨量。臥虎山流域的平均雨量計(jì)算采用的是算術(shù)平均法。

2）前期影響雨量Pa。由于缺乏土壤含水量的實(shí)測(cè)資料，目前多用流域平均前期影響雨量Pa，作為反映降雨前流域土壤含水量的指標(biāo)。計(jì)算公式如下：

式中：Pa，t、Pa，t+1分別為t日，t+1日前雨量（mm）；Pt為t日的平均降雨量（mm）；K為折減系數(shù)，采用0.85。

3）徑流深R。一次降雨所形成的徑流量，是利用流域出口斷面實(shí)測(cè)的流量過程，經(jīng)過分割基流和前后期徑流（復(fù)式洪水）后求得，再除以流域面積轉(zhuǎn)換為徑流深（凈雨深）以毫米表示。

①基流的分割：一般采用直線斜割法。即從洪水起漲點(diǎn)到地面徑流終止點(diǎn)作為直線，斜線以上為地面徑流，斜線下為基流。地面徑流的終止點(diǎn)要想準(zhǔn)確定位較為困難，為克服任意性過大而造成的誤差，一般采用峰后N天作為終點(diǎn)，或以終點(diǎn)流量占洪峰流量的比例進(jìn)行控制。

②復(fù)式洪水的分割：若兩次降雨的間隔時(shí)間較短，前一次降雨形成的洪水過程還沒退完，第二次洪水過程又出現(xiàn)，在計(jì)算徑流量時(shí)就要將兩次洪水過程分割開。常用的方法是退水曲線法。即從實(shí)測(cè)資料中分析綜合退水期基本無雨的退水過程，以此作為標(biāo)準(zhǔn)按趨勢(shì)分割。

臥虎山流域的徑流深R是用還原后的洪水過程斜割基流，計(jì)算出地面徑流量，除以流域面積得到的。

4）有效降雨歷時(shí)Tc。有效降雨歷時(shí)是指占總降雨量80%的時(shí)段降雨的時(shí)段數(shù)。各站一次降雨的歷時(shí)，可從降雨記錄中的降雨起止時(shí)間摘取，遇到降雨量小歷時(shí)長，或時(shí)斷時(shí)續(xù)的情況時(shí)，應(yīng)將主雨前后的小雨歷時(shí)略去不計(jì)。

3.2降雨徑流相關(guān)圖的繪制及應(yīng)用

1）P～Pa～R曲線。選用多年N次洪水資料，計(jì)算各次洪水的流域平均量，前期影響雨量及徑流深后，以P為縱坐標(biāo)，R為橫坐標(biāo)，點(diǎn)繪關(guān)系點(diǎn)，在關(guān)系點(diǎn)上旁注Pa值，勾繪其等值線得到。

2）P～Pa～R～Tc曲線。此圖是在P～Pa～R的基礎(chǔ)上加入了降雨歷時(shí)Tc為參數(shù)建立的四變數(shù)相關(guān)圖。降雨歷時(shí)Tc一般為直線。當(dāng)P、Pa相同，歷時(shí)愈短，即雨強(qiáng)愈大，超滲產(chǎn)流量也大。因此，歷時(shí)等值線的數(shù)值應(yīng)自左向右由大至小排列。

3）R～Tc～Qm曲線。凈雨流量Qm為洪峰流量減去基流所得。以有效降雨歷時(shí)Tc為參數(shù)，點(diǎn)繪關(guān)系點(diǎn)，通過點(diǎn)群中心并照顧同一R值Qm逐漸減小的趨勢(shì)定線得到。R，Qm關(guān)系接近直線，說明臥虎山上游河道調(diào)蓄能力較強(qiáng)。

4）洪水預(yù)報(bào)綜合相關(guān)圖。以庫容為縱坐標(biāo)、溢洪道的泄流量為橫坐標(biāo)，以閘門開啟高度為參數(shù)繪制第一象限；以庫容為縱坐標(biāo)、洪水總量為橫坐標(biāo)、開始漲水時(shí)的庫水位為參數(shù)繪制第二象限；以徑流深為縱坐標(biāo)、洪水總量為橫坐標(biāo)，流域面積為參數(shù)繪制第三象限；以徑流深R為縱坐標(biāo)、入庫洪峰流量為橫坐標(biāo)、凈雨歷時(shí)為參數(shù)繪制第四象限而組成。其中還包含水位庫容曲線。

計(jì)算出流域平均P和Pa，有效降雨歷時(shí)Tc，查得起漲水位和庫容，利用綜合相關(guān)圖，就可預(yù)報(bào)水庫最高洪水位，洪水總量，洪水歷時(shí)，最大泄量等。將來臥虎山水庫建立起洪水預(yù)報(bào)決策系統(tǒng)，這是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信息采集、處理和輸出就會(huì)減輕以前洪水預(yù)報(bào)繁重的工作量，大大提高洪水預(yù)報(bào)的時(shí)效性和準(zhǔn)確度。

4　結(jié)語

水文計(jì)算與分析是防汛決策的基礎(chǔ)，了解和熟悉本流域的暴雨洪水特點(diǎn)，從而制定出科學(xué)合理的洪水預(yù)報(bào)方案，可以為領(lǐng)導(dǎo)和各級(jí)防汛部門的防汛指揮、調(diào)度、決策的提供重要依據(jù)，對(duì)降低洪水風(fēng)險(xiǎn)，減少洪災(zāi)損失，洪水資源化利用都具有重要意義。

（責(zé)任編輯趙其芬）

P333.2

B

1009-6159（2016）-05-0057-02

2015-11-21

張甲芳（1970—），女，工程師