晋中市水文下垫面对产流的影响研究

高华峰

（山西省水文水资源勘测局晋中分局）

晋中市水文下垫面对产流的影响研究

高华峰

（山西省水文水资源勘测局晋中分局）

径流是由降水和水文下垫面共同作用所导致。以晋中市为例，在水文下垫面分类的基础上，采用双曲正切模型，分析计算出了单种地类的吸收率及导水率。利用此计算成果，可定量计算分析流域复合下垫面对产流造成的影响，研究成果对水土流失规律探索具有启迪与指导意义。

水文下垫面 产流计算 双曲正切模型 晋中市

1 研究区简况

径流是由降水和水文下垫面共同作用所导致，除了降雨量和雨强影响外，水文下垫面的异同将对产流产生重要影响，使得在同量级的降雨量和降雨强度下，产流机理也将有较大的不同。现以晋中市为例，分析水文下垫面对产流的影响。

晋中市位于山西省的中部，地理座标为东经111°25′-114°08′，北纬36°40′-38°05′，东依太行山与河北省相邻，西濒汾河与吕梁市相望，东北、西北分别与阳泉市、太原市相连，东南、西南分别与长治市、临汾市接壤。全市总土地面积16 347 km2，主要有平原、山区和丘陵三种地貌，其中：太原盆地平川区2 219 km2，占总面积13.57%；山区和丘陵区面积14 128 km2，占总面积86.43%。不同的地貌形成的水文下垫面不尽相同，对产流的影响也截然不同。

2 水文下垫面的分类

2.1 水文下垫面分类的意义

水文下垫面是径流、泥沙、洪水等水文现象及水文过程发生和演变的载体。在同样的降水条件下，包气带的吸水性能、导水性能、漏水性能及持水性能主导着对降水的再分配和径流形成全过程；地表的抗侵蚀能力强弱和洪流挟沙能力大小、河道的抗冲刷特性，决定着流域产沙量的多少；地貌与植被则制约着流域的汇流过程。一切水文要素，都是降水通过水文下垫面产生的终极结果。因此，科学地划分水文下垫面地类，是研究水文规律与解决生产实践问题的重要基础。

2.2 水文下垫面主导要素

水文下垫面要素，主要包括：地理位置、地貌特征（如山地、丘陵、盆地、平原、谷地等）、地形特征（如坡度、坡向等）、地质条件（如构造、岩性、水理性质等）、植被特征（如类型、分布等）、土壤性质等，其中地质、地貌和植被条件是制约水文现象区域分异规律的三大主导因素，也是划分水文下垫面地类区域界限的主要依据。

按地质岩性的水理性能，可将其分为变质岩类、灰岩类、砂页岩类、松散岩类。从地貌形态划分，大体可分为山地、平原和丘陵。植被对陆地生态系统水分循环有着重要的调节作用，植被的变化对水文过程的影响实际上是改变了水循环的各个环节，从而影响着降水的再分配。植被的类型及结构不同，叶面积指数、树冠结构等也相应不同，致使流域水文的蒸散发、截留量、入渗率等都会有很大的差异。晋中市是一个多山地区，从山麓到山顶，由于海拔高度、地形、气候、土壤母质的不同，不同部位的植被类型也不尽相同。根据对产流过程的影响程度，可将植被分为森林、灌丛、草坡和农作物四类。

2.3 晋中市水文下垫面划分成果

据多年水文测验经验可知，制约产流的主导因子是地质岩性的水理性能，其次为植被和地貌。灌丛与草坡对产流过程的影响非常相近，因此，在具体确定植被类型时把草坡并入灌丛。在划分晋中市产流地类时，按主次因子，由岩性—植被—地貌组合，可将其划分为12种（见表1）。

表1 晋中市产流地类划分成果表

3 水文下垫面对产流的影响

流域产流计算，包括设计洪水净雨深和净雨过程两部分。水文下垫面对产流机理的影响主要表现在设计洪水净雨深，不同的水文下垫面会有不同的吸收率和导水率。通过以下计算，可以了解水文下垫面对产流的影响机理。

在设计净雨深计算时，主要采用的是双曲正切模型：

式中：th为双曲正切运算符；x为供水度；tz为设计暴雨的主雨历时，h；HP,A（tz）为设计暴雨的主雨面雨量，mm；φ为洪水径流系数；Rp为设计洪水净雨深，mm；FA（tz）为主雨历时内的流域可能损失（角标A表示流域平均值，下同），mm。

流域降雨可能损失用下式计算：

式中：Sr,A为流域包气带充分风干时的吸收率（反映流域的综合吸水能力），mm/h1/2；Ks,A为流域包气带饱和时的导水率，mm/h；B0,P为设计频率的流域前期土湿标志（流域持水度）。

多种产流地类组成的复合地类流域，吸收率和导水率分别根据各种地类的面积权重按式下式加权计算：

式中：Sr,i为单地类包气带充分风干时的吸收率，mm/h1/2；Ks,i为单地类包气带饱和时的导水率，mm/h；ci为某种地类面积占流域面积的权重。

流域下垫面不同，吸收率Sr,i与导水率Ks,i也将不同。根据上述原理，计算的晋中市12种产流地类所对应的吸收率Sr和导水率Ks详见表2。

表2 晋中市单地类风干流域吸收率Sr及饱和流域导水率KS计算成果表

从表2中合理选用相应的单地类吸收率Sr与导水率Ks，然后分别用式（4）和式（5）计算流域的吸收率Sr,A和导水率Ks,A。

将Sr,A、Ks,A和tz连同流域域持水度B0,P，代入式（3），可计算出流域可能的降水损失FA（tz）。根据设计主雨面雨量HP,A（tz）及流域可能的降水损失FA（tz），用式（1）或式（2）即可计算出设计洪水净雨深Rp。

从公式（3）中可以知道，在持水度和主雨历时相同的情况下，吸收率与导水率的不同将导致流域可能的降水损失不同。将流域可能的降水损失代入公式（1）或（2）中可知，在主雨量相同的情况下，流域可能的降水损失不同，净雨深则也不同，最终改变其产流机理。

4 结论与建议

（1）事实上，下垫面的空间变异并不像下垫面分区图所标示的那样界限分明，分区内的下垫面属性也不一定绝对单一，成图时进行的合并与综合，掩盖了小流域内部下垫面的分异特征。所以，下垫面分区图的实用性会随着流域面积的减小而弱化，但野外工作不可或缺。

（2）在盆地，地下水位埋深对吸收率影响较大，一旦缺乏这方面的观测资料，无法做系统分析，表2列值仅适用于地下水位埋深比较大的区域。地下水位埋深较小时，应适当减小吸收率的取值。

（3）对于广阔低缓山坡，且覆盖有薄层黄土或黄土斑状分布、基岩零散出露的土石山区，应设法确定（包括估计）出黄土、基岩露头各自占流域面积的权重，将其分解为单地类，然后比照复合地类处理，以避免机械采用80%作为划分石质山地与土石山区指标产生的参数值突变现象。

（4）对于12种地类未能涵盖的下垫面类型，例如，采矿区和城市区，由于现实水文站网中没有这些地区的观测资料，不能具体分析它们的吸收率和导水率，只能以12种地类中的某种地类参数为参考，综合考虑这些区域的产流特性，确定吸收率和导水率。煤矿开采区主要分布在砂页岩灌丛山地，采矿放顶增加了包气带的导水性，所以，建议在表2列砂页岩灌丛山地参数的基础上，按采矿面积大小、巷道深浅，适当加大导水率。城市化地区由于不透水面积加大，吸水率和导水率都会降低，建议降低使用表2列变质岩灌丛山地参数值。

（5）灰岩地类，根据流域漏水情况合理选用参数，强漏水区选用参数上限或中上值，中等漏水区选用一般值，弱漏水区选用下限或中下值。

（6）设计频率的流域前期土湿标志的变化，对设计净雨深会产生一定影响，表2列值未考虑土湿沿纬度及高程的变异，实际应用时可以在不超过表2列值±5%的范围内调整，高中山地和半湿润地区可适当提高，半干旱地区可适当降低。

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[2]董国强，杨志勇，于赢东.下垫面变化对流域产汇流影响研究进展[J].南水北调与水利科技，2013（3）：111-117.

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[4]吴林娜.山西水文下垫面分类探讨[J].华北地质矿产杂志，1996（2）：260-262.

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1008-0120（2017）01-0018-03

2016-09-30

高华峰（1977-）：男，工程师；通讯地址：山西省晋中榆次区东关街65号，030600