魯西南平原區的徑流退水過程模擬研究

翟思貝，孫鳳榮

(菏澤市水文局，山東 菏澤 274000)

對徑流退水過程的認知是研究流域水文響應和流域水量平衡的重要內容之一。徑流退水過程是指在降水很少或無降水時期內連續的排水和消退過程，是隨時間或空間變化的水文現象的重要組成部分。該實驗場地占地880 m2，設有一條長35 m、寬2 m的河槽來模擬河道徑流，有助于從實驗場地的尺度去了解魯西南平原區隨時間或空間變化的水文現象的原理，通過實驗得到的數據更有利于研究退水特點和影響因素。該研究的主要任務是通過模擬人工降水實驗呈現魯西南平原區徑流退水過程，說明可能影響退水過程的因素，求出峰值流量發生后退水曲線的退水常數值，為模擬隨時間或空間變化的水文現象提供參考數據。

表1 逐月降水、徑流數據MK檢驗結果Tab.1 MK inspection results of rainfall and runoff data month by month

表2 年內各季節降水及徑流MK檢驗結果Tab.2 MK inspection results of rainfall and runoff data of all seasons in the year

表3 年內各月尺度的降水及徑流MK檢驗結果Tab.3 MK inspection results of rainfall and runoff in each month

1 魯西南徑流和基流變化趨勢

從MK檢測趨勢可以看出，對比徑流和基流過程發現，基流和徑流出現高度統一，觀察魯西南地區的徑流突變點和基流突變點時間也大致相同[1]。從這一觀察中可以看出，基流和徑流之間是存在一定關系的。在季節相對偏暖時，隨著降水量的增加，活動層之間的水分加速融化，地面上的融水量不斷增加，路面徑流出現匯聚現象，導致源頭處徑流量上升。以上變化導致了源頭處地下層水區、深層地下水區及活動層水區的庫存量不斷增加，使得基流存儲量越來越多。魯西南地區的徑流和基流的產生方式不同，在相對溫暖的氣候下，雨水、活動層水區都可能成為基流的主要供給來源。徑流的主要供給來源則是降雨量，在相同降水的影響下，同一個時期內由于基流和徑流補給來源不同，使得基流和徑流在氣候溫暖時差異比較明顯。在寒冬季節，降水量較少且沒有冰川融化，在這種條件下，徑流補給的水量會大大減少，這時基流能夠對徑流保持一個相對穩定的供給，這個穩定供給的來源主要是深層地下水，在這種情況下，徑流并不像夏季那樣旺盛，基流此時的流量受徑流的控制。如果從整年來觀察，基流雖然流量比徑流小，但是更趨于穩定，這使得魯西南地區在較為寒冷的時期基流更加穩定[2]。

2 模擬人工降水實驗

實驗場地長44 m、寬20 m。實驗場地的徑流區中間設有長35 m、寬2 m的河槽來模擬自然條件下河道徑流量的狀況，用混凝土預應力板打到陸殼表層風化層下面的完整的新礦物巖石中作為實驗徑流區周圍能夠隔離水的墻。實驗徑流區的土壤分為上層再返還重填的土和下層保持天然含水量及天然結構的土，上層再返還重填的土約120 cm，下層保持天然含水量及天然結構的土約為230 cm，土壤總共深約350 cm。魯西南平原區耕作土壤為再返還重填的土壤，由下到上依次為粉質黏土、壤土和砂壤土；植被類型是農民耕作后的雜草地，植被在地面的垂直投影面積占徑流區總面積的50%～60%，自北向南設計比降是1/100。設置了兩層土壤中流，出流的深度為土壤深度的40 cm、80 cm。實驗徑流區設了出流的凹槽用來接河道徑流、地表徑流和各層壤中流的出流，流水位通過三角堰與記錄式的水位流量計，利用兩者相互作用來監測，流量要在使用效率確定以后通過水位流量關系曲線計算。

徑流區使用降水車來模擬人工降水實驗，因為考慮實驗小區面積稍大，總共設了6架降水車，每架降水車配有一個供水機來供水。徑流區為了測量實際降水量，共用了10個雨水測量筒。為了測量10 cm、30 cm、50 cm、90 cm、130 cm、150 cm、190 cm、250 cm、300 cm和350 cm不同土壤深度含有水的體積，在徑流區內總共埋了20根測量土壤中水含量的儀器。

魯西南平原區共有7個基本水文站，收集了這7個基本水文站13年間的水文監測和降水氣象資料，最小的降水標準間隔為1 h，次降水的判斷依據為次降水量大于10 mm，選出了符合以上條件的324次降水。降水類型依據一般判別法和K值聚類可以分為3種類型，其中有3次降水因為產生的概率很小，所以剔除了，總結了魯西南平原區的特點為強大雨、時間短，強小雨、時間長兩種降水類型。為了最真實地模擬出魯西南平原區的降水特點，選出了10種時間短的強大雨和6種時間長的強小雨，模擬人工降水實驗，對16種降水進行了研究[3]。

表4 不同降雨類型特征指標統計Tab.4 Statistics of characteristic indexes of different rainfall types

3 降雨對退水過程分析

圖1 累計雨量(mm)的正態Q-Q圖Fig.1 Normal Q-Q graph of accumulative rainfall(mm)

降水量的強度會對退水流量造成影響，影響程度較為明顯，主要表現在河道徑流上，觀察發現，隨著降水強度的增加，河道徑流會加速退水量上升，上升數據呈現出冪指數的形式。造成這種現象的主要原因是在模擬過程中使用的河道徑流場的長度和寬度是不變的，在強降雨過程中，短時間內河道徑流場內的水量趨于穩定，隨著下雨量的強度增大，其單位時間內流量最大值越來越大，因此，受下雨強度影響比較明顯的是河道徑流。與此同時，降水量則對各個土壤層中的退水總流量有一定的影響[4]。研究發現，隨著降水量的不斷增加，土壤層中的退水總流量以冪指數方式增加。降水量對于河道徑流和地表徑流的退水量沒有明顯的影響，影響河道徑流的主要原因是降水強度，而會對地表徑流造成影響的因素有很多，如在降水量和降水強度一致的情況下，由于不同土壤前期所含水量存在差異，會使得流經地表徑流的最大值不同，導致退水量不同。在土壤前期含水量相同的情況下，降水量也相同時，不同之處則體現在降水方式上，如降水量強弱或降水持續時間，以上任意條件都會使退水量出現偏差。

4 結語

模擬了16種人工降雨，分析了魯西南平原區各層土壤流入流出、地表徑流、河道徑流等退水特點。研究發現，降雨停止過后地表徑流和河道徑流消退速度較快，各層土壤水流往往較慢，退水時間大約在地表徑流開始退水的后半程，相比之下，退水時間最長，流量最小。降水強度對河道徑流的退水量影響比較明顯，強降雨過程中，短時間內隨著下雨量的強度增大，其單位時間內流量最大值越來越大，呈冪指數上升。以上各種分析過程是在模擬人工降雨的條件下進行的，試驗場規模較小，希望能夠為更大規模的流域或水文過程提供參考。實驗過程中存在一些漏洞，如進行人工降雨時，類型不同的植被覆蓋程度、下雨強度在單位時間內的變化、降雨中心區的移動及地表特征等參數都需要進一步的深入研究。