人类活动对洪水计算的影响分析

刘同僧

(河北省廊坊水文水资源勘测局，河北 廊坊065000)

受人类活动的影响，流域下垫面条件发生了较大变化，流域产汇流规律发生也一定程度的改变，要提高洪水预报精度，必须深入研究人类活动对本区域洪水产流、汇流的规律，提出符合本流域特性的计算模型。

1 人类活动对径流的影响

1.1 水库(含闸坝)拦蓄径流的影响

水库的拦蓄作用主要是改变水库下游径流的时空分布，对次洪水而言，还可能削减一次洪水的洪量。在中小洪水时，这种作用比较明显;但当发生大洪水时，水库的拦蓄作用如何，还不十分清楚。至少有两个问题不能确定:一是大、中型水库，因其防洪标准较高，垮坝的可能性较小，在防洪标准内大洪水发生时，大、中型水库仍可起拦、滞洪水的作用，总的趋势是通过水库调度，达到削减水库下游洪峰的目的;但当超标准洪水发生时，水库为了保坝安全，往往敞泄，其后果很可能是人造洪峰，使下游形成比天然情况更大的洪水;二是小型水库与闸坝，其防洪标准较低或很低，除在一定量级洪水下能起削峰作用外，往往会为了水库自身安全而敞泄，更有甚者，小型水库与闸坝失事的可能性较大，常会加大下游洪水。因此，在大洪水时，水库究竟是减少下游洪水，还是加大下游洪水，需要作具体分析才能作出判断。

1.2 引水、用水对河川径流的影响

随着社会经济的发展，工农业用水、城市环境用水、生态用水、居民生活用水不断增多，流域内与跨流域引水以及各类用水量都带有许多不确定性，它们随时随地改变着河道的径流量。例如，近些年海河流域中、下游河道大部分常年河干，除降水量减少外，沿河引蓄水也是很重要的原因。如果沿河的引蓄水都有详细的观测记录，资料还原还是可以办到的，问题在于除了大型和重要的引用水口有观测记录外，许多小的引用水口则失之管理，到底引走多少水是很难查清楚的，这给河川径流量的计算带来极大的困难。

1.3 地下水超采引起地下水位下降对地面产流的影响

大量抽取地下水引起地下水位下降，有的地方形成大范围的漏斗，使土壤非饱和带大幅度地增加，土壤蓄水容量随之大增。有资料显示，过去50～60 mm降雨就产流的地区，如今100～200 mm降雨也不见有地面径流。降雨径流关系的重大改变，给产流计算带来很大困难;问题的难点还不仅仅在于资料范围内如何确定降雨径流关系，更在于大暴雨条件下降雨径流关系的外延。因为，当发生长历时大暴雨时，一部分雨量渗入土壤，补充了土壤缺水量，使地下水位迅速回升，后续雨水将可能更多地变为地面径流。例如，海河流域在1996年8月就出现了这种情况。径流系数经历了由大变小，又由小变大的过程。这种变化与下垫面条件的变化有关，也同降雨的时空分布有关。海河流域20世纪50～60年代，还没有大量抽取地下水，地下水位一般较高;而到80～90年代，因大规模开采地下水，才使地下水位大幅度下降，从而造成了流域产汇流规律发生较大变化。

1.4 城市化对流域下垫面的影响

随着城市化进程的加快，城市土地利用方式发生了结构性的改变，如清除树木、平整土地、路面硬化、建造房屋、公路建设等，大大增加了不透水面积，减少了雨水下渗，增大了下游河道洪水强度。另外，城市排水也增加了下游河道的洪峰。

2 人类活动对雨洪规律的影响

2.1 地面最大初渗发生变化

由于下垫面条件的变化，土壤吸水能力普遍增加，最大初渗值相应增大，山区下垫面变化稍弱些，最大初渗虽有所增大，但变化的幅度不是很大。

经分析研究，海河流域平原区下垫面变化较大，最大初渗由85 mm左右增至130 mm左右。例如大清河北支的大石河60年代的最大初渗在80 mm左右，1998年7月15日降雨量达110 mm，前期影响雨量相当于20 mm，大石河漫水河站没有洪水发生，最大初渗在130 mm左右，增加了近40～50 mm。又如永定河官厅山峡50年代最大初渗在90 mm左右，1998年7月5日清水河青白口站降雨量108 mm，前期影响雨量25 mm，清水河白品站只有3m3/s的洪峰出现，7月5日降雨几乎全部下渗，最大初渗为130 mm，增加近40 mm多。潮白河上游地区最大初渗也由原来的45 mm增加至80 mm左右。

平原低洼地区主要受地下水埋深的影响，地下水埋深越大，最大初渗也就越大。最大初渗有年内的变化。一般地下水埋深3～4m，最大初渗120 mm左右。2000年汛期8月9日大城降雨量110 mm，无地面积水，最大初渗120 mm左右。但降雨增加地下水埋深回升，最大初渗则变小。1977年文安洼的八里庄和高屯，地下水埋深由2.6m减小到0.75m，最大初渗值由110 mm减少到90 mm。

2.2 稳定入渗参数发生变化

稳定入渗率一般是稳定不变的，根据大量的资料分析，受人类活动影响，稳定入渗率也是变化的，一些地区有逐年增大的趋势，特别是燕山南麓从60年代到90年代，普遍增大了1～2 mm/h。如永定河官厅山峡50年代稳定入渗率2～3 mm/h，到90年代稳定入渗率增加到4～5 mm/h。大清河南支50年代稳定入渗率3～4 mm/h，到90年代稳定入渗率增加到4～6 mm/h。

2.3 洪水传播规律发生变化

海河流域平原河道常年干涸，由于长期过量开采地下水，使河道两岸地下水位大幅下降，形成巨大的地下蓄水库容。另外，由于滩地修建了大量的阻水建筑物与种植的高杆作物也严重阻碍滩地行洪。由此造成河道一旦行洪，洪水传播时间加长，河槽渗漏损失率加大。例如:1996年8月大清河东淀泄洪，行洪时间由过去的36个小时增长为120 h。

3 现状条件下暴雨洪水的分析计算

3.1 流域洪水计算

海河流域的暴雨地面分布有很强的不均匀性，地面产流也有较大差异，反映在洪水过程线上也有差异。洪水过程计算要针对暴雨不均匀性和产流地面差异提出合适的模式，计算成果才能可靠。

产流(净雨)历时不同，单位线不同。以永定河官厅山峡为例，2 h单位线峰型瘦，纵高大，一般为250m3/s，3 h单位线峰型稍胖，最大纵高较大，一般为220m3/s，6 h单位线峰型胖纵高低，一般为200m3/s。因此，要编制不同净雨历时的单位线多条，实际暴雨发生时，应选用产流历时相似的线型进行计算，效果会更好。

暴雨中心不同，单位线型也不同。同样的地理条件，暴雨中心在下游峰值大，而在上游则峰值小。有时由于地理条件不同，受其影响峰型也不同，山区坡度大，汇流快，峰尖瘦，平原地区坡度缓汇流慢，峰型胖。受以上两种因素同时影响，则不同暴雨中心峰型不一样，因此，要编制多种暴雨中心的单位线备用。

产流方式不同，单位线型也不同。蓄满产流的线型胖，而超渗产流的线型尖瘦。对于超渗产流的线型，稳定入渗率大的线型尖瘦而稳定入渗率小的线型渐胖。

流域出口洪水过程的线型有时受人为因素的影响。突然提开闸门会增大峰值。如北运河1994年7月13日发生洪水，土门楼水文站出现洪峰流量1 054m3/s，此峰是上游拦河闸闭闸蓄水，洪水快到闸门顶突然提闸加大了洪峰的形成。根据北关闸放水资料分析，突提闸门加大了洪峰流量250m3/s。因此，如发生突提闸门情况要进行修正计算，将计算成果加上突提闸门增大的流量过程叠加为合理的计算成果。

3.2 河道洪水计算

海河流域中部地区河道汇流计算以往多用马司京干法和分段连续流量演算法。30年的变化，使河道汇流计算出现了问题，计算成果误差越来越大。主要问题有三个方面:一是河道输水损失问题越来越大。如大清河南支的沙河，1988年的一次大洪水，新乐和横山岭到潴龙河北郭村下泄洪水9.56亿m3，北郭村相应洪水4.48亿m3，洪水的输水损失在53%左右。1996年8月，上游新乐和横山岭下泄洪水4.54亿m3，北郭村只有1.73亿m3，损失量2.81亿m3，洪水的输水损失在61%;二是水利开发程度高的地区，河道蓄水建筑物很多，蓄水与洪水一起下泄，洪水总量增加20～50%，且破坏了原洪水的峰型;三是人为影响因素越来越多，1998年永定河山峡降雨量超过200 mm，产生洪水1000万m3，最大洪峰流量160m3/s。由于北京市卢沟桥拦河闸蓄水和沿河引水，洪水没有进入河北地界就消失了。

以上三种情况改变了以水量平衡为理论基础的流量演算的基本条件，因而原来的预报方法已经不能较好的反映洪水的实际演变规律。因此，必须作修正计算。例如，永定河泛区在考虑河道损失的基础上，利用利用分段连续流量演算的方法，通过对 1956、1958、1963、1979年洪水演算，泛区出口流量过程与实测比较精度较高;北运河上游，建有苇沟等三个翻板闸，日常为自动使用，具有一定的水头，自动翻板泄流。小水时不翻板，起到蓄水作用，水泄不下去，只有具备翻板条件时才翻板。翻板造峰和提闸造峰一样，形成与原洪水峰不同的变形峰。有时早期蓄水还影响洪量。用一般的河道流量演算方法反映不出翻板造峰的规律。解决此类问题，一般将闸上河道作为蓄水区考虑，进行调节演算计算到水位超过翻板水头时判断为翻板，不到翻板水头则不翻板，下游无水;北运河北关闸至土门楼闸区间闸坝林立，经常蓄水2000～3000万m3，遭遇暴雨突提闸门加大洪峰流量，遇到此情况，将分析计算的突提闸门过程线与河道汇流计算过程相叠加为修正计算过程，多年来，计算成果较好。

实践证明，暴雨径流参数为变数，产流方式超渗和蓄满在一定条件下相互转换，单位线型复杂多变等问题，是客观存在的特性。因此，研究具有本流域特点的洪水规律，是提高洪水预报水平的关键。

4 结论

受人类活动的影响，流域下垫面条件发生了较大变化，流域产汇流规律也发生一定程度的改变，要提高洪水预报水平，必须深入研究人类活动对本区域洪水产流、汇流的规律的影响，校正本流域产汇流参数，提出符合本流域特性的计算方法。

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