受冻土影响流域洪水预报方法分析

高志军，王丽丽，田长涛

(1. 呼玛县水文站，黑龙江 呼玛165100;2. 孙吴县水文局，黑龙江 孙吴164200;3. 伊春水文局，黑龙江 伊春153000)

1 降雨径流形成原理及影响因素简介

在一个闭合流域内，自降雨至出口断面出现径流过程，一般要经过流域蓄渗、坡地漫流、河槽汇流3个阶段，见图1。

图1 降雨径流形成过程简图

一次降雨后形成径流过程的水源划分情况见图2，在图2 中，1 表示由地面径流形成的洪水过程;2 表示由表层流形成的洪水过程(1 和2 统称地表径流，地表径流与洪峰流量关系密切);3 表示由浅层地下径流形成的洪水过程;4 为深层地下径流，其形成过程与本次降雨无关。图2 中的水源划分仅仅是一种在理论上理想情况下的划分，实际上在前期流域土壤含水率相差较大时，地面径流和地下径流( 表层、浅层、深层流)的分配会相差较大，即前期干旱时地面径流偏少，前期湿润时偏多。一次降雨所带来的雨量并不能完全进入河道形成径流，其中不能形成径流的那部分降雨就是损失量，损失量一般包括:植物和水工建筑物截流、雨间蒸发、填充洼地、土壤下渗，这些损失都出现在流域坡地，所以也称坡地损失。

图2 降雨径流过程水源划分示意图

影响产流的主要因素有流域自然地理特性、气象因素和土壤湿润情况因素等，具体包括流域面积、地形、土壤种类和结构、植被情况、水工建筑物、地下水埋深、降雨量、降雨强度、降雨历时、降雨的时空分布、土壤含水率和气温、湿度、风向风力等。由于上述各影响因素复杂多变，目前仍然难以实际定量掌握。

雨水透过地表渗入土层的下渗量是降雨在流域坡地损失中的主要损失量。本文主要讨论示例流域在下垫面存在冻土期间的下渗和产流规律以及冻土对流域产汇流的影响。

2 冻土对流域下垫面产汇流规律的影响

2.1 示例流域概况

永翠河流域发源于伊春市带岭区寒月林场翠岭山南麓，流域地势北高南低，河流总的走向由西北流向东南。流域面积677 km2，河长67 km，总落差483 m，河系形状为树枝形，河道弯曲系数为1.52。流域地势陡峭，地貌属小兴安岭山地，植被良好，河网发育，地下水丰富。该流域为黑龙江省暴雨中心之一，多年平均年降水量653.2 mm，其中6—9月降水量为482.7 mm，历年平均径流深为343.4 mm，径流系数为0.53。流域代表站带岭站洪水属暴涨暴落型洪水，洪峰一般在时段最大降雨量后的8 ～10 h内出现。

2.2 流域冻土特征简介

冻土是指温度在0 ℃以下含有冰的各种岩土和土壤，冻土区是指存在冻土的地壳部分，冻结状态保持数年乃至更长年限的冻土称为多年冻土。黑龙江省经常受强大的西伯利亚和蒙古高压影响，形成严寒的大陆性气候，这为多年冻土的形成和发育创造了有利气候条件，而且冬夏温差很大，极易形成季节性冻土。黑龙江省多年冻土区位于欧亚大陆多年冻土区的南部地带，冻土分布具有明显的纬度地带性规律，自北向南，分布面积逐渐减少。永翠河流域位于黑龙江省多年冻土分区的南部边缘，由于冬季寒冷，每年土壤11月中旬冻结，翌年4月中旬开始解冻。因受气温与深层地温影响，季节性冻土上层与下层同时解冻，但上层解冻速度较快，7月份，少部分地区上层冻土解冻完毕，在一些山地阴坡和塔头桦林地带，则始终存在大面积小兴安岭岛状多年冻土，冻土最大深度约2.5 m，冻土总体分布特点是自上游至下游面积和深度逐渐减小。

2.3 冻土对流域产汇流特征的影响

流域内岛状冻土的存在改变了包气带厚度和土壤水分动态规律，导致降雨径流规律异常。由于冻土的透水作用较差、使降水入渗、土壤蒸发和土壤含水率的垂直分布等均不同于无冻土地区。冻结期，降水转为积雪，入渗终止，潜水和深层土壤水分蒸发沿冻结锋面凝结。因土壤冻层温度低于冰点，融冻时需吸收大量热量，蒸发受到抑制，使实际蒸发远小于流域正常蒸发能力，土壤含水率大于无冻土区。由于冻土透水性差，融雪和降水入渗在冻层形成冻层上水，土壤含水率增加，易于饱和，此时遇强降雨极易产生突发洪水。流域冻土的不透水层分布并不是十分广泛且连续，在局部流域，由于分散的岛状冻土冻结面间存在上下含水层贯通地带，这部分冻土颗粒间存在较大的孔隙，在降雨强度较小时，导致降雨入渗增大，流域产流量则偏小。因此处于冻土区的流域下垫面产流特性不仅与冻土分布特点有关而且还与降雨强度关系密切。在流域下游地区，由于冻土分布面积和深度都相对较小，对流域降水入渗的影响也较轻微，流域的产流规律则基本恢复正常。

3 预报方法介绍

由于流域下垫面受冻土因素影响，其产汇流规律较正常土壤环境下的流域产汇流规律复杂多变，传统的降雨径流相关图和流域汇流单位线及蓄满产流模型等预报方法应用效果都较差。本文根据流域实际特性，提出了采用降雨和洪峰流量相关图并结合预报方程模型法来预报受冻土影响流域的洪峰流量。

3.1 经验相关图绘制

经验相关图的线型已间接反应了各类因素对流域洪水的影响情况，在参与预报的要素因子较少且在理论上对洪水影响因素掌握不够深入的情况下，该方法是一种较实用的预报方法之一。经分析流域时段降雨量和反映流域前期土壤含水指标情况的Pa值即( p + Pa) 来与相应洪峰流量建立相关图( 图3) ，图中采用相关点据共48个，洪水年份自1963—2003年。见图3，点据大概可分成4个带状部分，分别定出4 条相关线，经分析: 图中各点据有以下几个特点:

1)1 号线和2 号线之间的点据降雨强度普遍偏小，均＜0.5 mm/h，降雨中心多数在流域上游冻土分布较广区域，因此洪峰流量偏小。

2)2 号线和3 号线之间的点据降雨强度适中，一般在0.5 ～1.0 mm/h，降雨中心多数在流域中游和下游，这些点据可以认为是受冻土影响轻微的正常点据。

3)3 号线和4 号线之间的点据降雨强度较大，一般在1.0 ～8.0 mm/h，降雨中心多数在流域中游和上游，这些均属受冻土影响而偏大点据。

图3 永翠河带岭站时段降雨量( P +Pa)与洪峰流量相关图

3.2 回归方程模型法预报

选择上述相关点据，以降雨强度( pi) 、流域不同河段冻土深度( hi) 、流域平均雨量和流域前期土壤含水率( Pa) 等因素与相应洪峰流量( qm) 来建立相关方程。利用上面相关图分析结果以降雨强度和暴雨中心位置来对预报值进行经验改正。预报方程初始结构为:

式中:X 为方程系数;C 为常数项。

方程应用于历史洪水拟合过程见表1，拟合结果合格率为63%，符合丙级预报方案标准。

4 结 语

1) 受冻土影响流域的下垫面环境复杂多变，在降雨蓄渗、产流方面直接影响着流域洪水规律特征。由于冻土分布面积和埋深的不确定性，使得传统单一理论的洪水预报方法难以在该流域得以应用，因此，必须考虑采用多种方法结合使用来进行冻土影响流域的洪水预报。

2) 本文所述洪水预报方法在实际工作中得到较好的应用效果。实际使用时首先根据流域的(+Pa) 值、降雨强度和降雨中心位置等参数，在相关图上选择适宜的线型初步确定预报洪峰流量，然后再选择预报方程法进行洪峰流量预报计算。方程计算值与查图值若接近( 差值小于查图值的20%) 则取二者的均值作为正式预报结果，否则应进一步综合分析修正预报结果。

3) 本文采用相关图法和预报模型法分别从经验相关和数理统计2个方面对示例流域的洪水预报方法进行了分析。由于有效预报因子较少，加之对流域冻土特性规律掌握不够全面等原因，预报方程历史拟合精度较低，今后还有待对冻土影响流域的洪水预报方法进行深入研究。

表1 永翠河带岭站预报方程模型法历史洪水拟合计算及检验成果表

［1］邓先俊. 陆地水文学［M］. 北京:水利电力出版社，1984:61 －114.

［2］李慧珑. 水文预报［M］. 北京:水利电力出版社，1979:60－122.

［3］谢平，胡彩霞，谭莹莹，等. 西江归槽洪水研究［J］. 黑龙江大学工程学报，2010，01(01) :29 －33.

［4］伊春市统计局. 伊春市统计年鉴［M］. 伊春:伊春市统计局，2011.