云州水库上游流域径流情况分析及对该区域农业环境的影响

张 健

(河北省张家口水文勘测研究中心，河北 张家口 075000)

1 流域概况

云州水库坐落在张家口赤城县云州乡舍身崖山峡处，地处E115°46′,N41°02′，是潮白河水系白河上游的一座大(II)型水库。白河坝址以上分为东西2支，沽源县九龙泉为东支发源地，东支河长62km，纵坡约8‰；崇礼区威远门为西支发源地，西支河长45km，纵坡约11‰。东支有支流清泉堡河汇入，河长20km，控制流域面积236km2，汇合点在猫峪村西南500m处，距入库口约3km；西支有支流二道川河汇入，河长22km，控制流域面积207km2，汇合口在羊坊东北约500m处，距入库口约4km。流域内山峦起伏，山川面积比约4∶1，平均海拔高程1440m，东部最高峰冰山梁海拔2210m。山地多为石山，岩石裸露，植被稀疏，部分背山坡有小片原始林或人造林。山川过渡带梯度较大，耕地较少且多为砂质壤土，地力脊薄。

云州水库上游流域地处内蒙古高原南部边缘地带，属于温带大陆性高原气候，西北方向冷、暖锋交汇形成的强对流天气是影响该地区降雨过程的主要因素，所形成的降雨特征是短历时、小范围、高强度。该流域多年平均降水量为450mm，汛期降水量在全年降水量中所占比重达80%以上，在7月下旬—8月上旬的主汛期期间多发生较大降雨过程。多年平均径流量为0.6315亿m3。

2 降雨、径流及关系分析

2.1 资料情况

通过对云州水库上游流域40a间降雨洪水资料进行统计分析，共选取了其中48场次降雨径流资料，进行了详细的分析计算，以中、小水为主，所选资料实测径流深大多不足4mm，<1mm的洪水仅选取了一场，场次平均降雨量大部分在20～60mm。

2.2 降雨径流相关因素计算

2.2.1 流域平均降雨量P的计算

流域平均降雨量采用泰森多边形法进行计算，公式：

P=∑ωiPi

式中，Pi为第i站降雨量，mm；ωi为第i站权重；P为流域平均降雨量，mm。

根据雨量站在流域内分布情况，以及考虑到资料连续性、完整性等情况，选用云州水库以上流域内的6个常年自记雨量站资料，分别为独石口、猫峪、百草(虎龙沟)、马营、缸房窑、云州，各雨量站权重见表1。

表1 水库以上流域雨量站权重表

2.2.2 流域平均前期影响雨量Pa的计算

Pat=K×(Pat-1+Pt-1)

控制Pa≤Im，该流域Im取值40mm。根据各站日降水量，K依据经验取值0.85，Pa从前30d开始计算，单站的前期影响雨量，即Pa，可通过各日的日降水量计算得出，各个站的前期影响雨量Pa乘以该站权重加和即可求得上游流域平均前期影响雨量。

2.2.3 暴雨中心位置的确定

云州水库上游流域降雨情况，大多为局部降雨，分布不均，暴雨中心位置对流域出口断面产生径流影响较大，降雨径流相关图采用以暴雨中心位置为参数，各雨量站降雨量的多少以及较短时间内降雨的强度作为判断暴雨中心的重要指标，如果全流域降雨比较均匀，则可按暴雨中心在中游考虑。

2.2.4 总径流深的计算

根据云州水库洪水水文要素反推的入库洪水过程线，计算入库洪水总量及总径流深。云州水库上游流域下垫面条件较差，该流域多为局部短历时降雨，造成洪水过程陡涨陡落，壤中流很小，本次分析没有将壤中流计算在内，云州水库以上流域的径流深为总径流深。

2.2.5 次洪水总量计算

根据计算的总径流深和流域面积A，次洪水总量W计算公式：

W总=R总×A×0.1

式中，W总为次洪水总量，万m3；R总为总径流深，mm；A为流域面积，km2。

2.3 降雨径流相关图的建立

根据以上计算的降雨径流各相关因素，点绘以暴雨中心位置为参数的降雨径流深点据，并按点据的分布趋势，绘制出P+Pa～暴雨中心位置～R总相关图，见图1。依据暴雨中心位置分为上游、中游、下游3条趋势线，且每条线均穿过其所代表趋势点据的点群中心。

2.4 产流预报方案精度评定

根据中华人民共和国行业标准《水文情报预报规范》SL 250-2000，允许误差采用实测值的±20%，上限为±20mm，下限为±3mm，云州水库上游流域产流预报方案精度为98%，属甲级预报方案，数据情况详见表2。

3 方案分析说明

场次流域平均降雨量P与流域平均前期影响雨量Pa可求得P+Pa，通过降雨量的大小及雨强可确定暴雨中心位置，在原有P+Pa～暴雨中心位置～R总相关图中描点并计算误差，分析计算均以中、小水为主，大洪水的计算分析有待资料完善，因近年来几乎未有较大径流的产生，仍需日后积累较新资料并进一步梳理历史洪水资料。因上游地区降雨历时短、强度大，洪水起涨速度较为迅速，所绘过程线均为陡涨陡落。经实地考察，云州水库上游流域下垫面近年来变化不大。

2011年7月24日洪水预报误差偏大，经分析主要原因是引起该场洪水的降雨历时长，总雨量大，预报值依据暴雨中心在下游的关系线查得，但实际情况中雨强很小，部分降雨下渗，未形成地表径流。

云州水库上游流域处半湿润半干旱地区，降雨情况多数为短历时强降雨，且洪水过程多为陡涨陡落，退水过程很快，此方案的建立所依据的资料也多为短历时强降雨产生的洪水过程，因此，若遇历时较长雨强较小的降雨过程，在预报时应酌情考虑这2方面的影响及预报精度，在实际作业预报中，还需结合场次降雨的暴雨中心、时空分布等各方面信息具体进行分析，并且需要对上游流域情况具有较为准确全面的了解，以求预报结果更切合实际。

4 农业影响分析

云州水库是一座集防洪、灌溉等多种功能为一体的综合性大型水库，多年年均pH值、矿化度、总硬度、总碱度等化验项目都符合相关标准，为重碳酸钙型水，水质适用于饮用和灌溉。自2004年以来，20余次为北京开闸输水，对农业灌溉及饮用水补给起到了重要作用。上游流域土地在2000年以后被全部利用，具有多种利用类型，以耕地、草地、林地为主，径流和产生与土地利用情况相互影响，在相同的降水条件下，植被覆盖较好的情况下，降雨量损失增加，产流量会有所减少，利用率较差的土壤条件下更容易形成洪水，制约农业生产的发展。同时，在降雨条件相同的情况下，裸露地比草地上的土壤侵蚀剧烈很多，土壤各类对土壤侵蚀以及地表径流产生的影响都很小，这意味着土壤利用率降低，会导致产流的输水率与含沙量增加，影响土壤及生态环境的修复。分析其上游流域降水、径流等方面的水文特性，可以为保持水土、合理开发利用水资源等提供水文基础数据。洪水预报在水库调度、防洪减灾方面发挥着重要作用，为防汛抗旱决策提供有力支撑，在农业生产方面也具有重要的参考意义，有助于促进农业安全生产，减少农业经济损失。

水利是农业的命脉，农业发展和粮食安全在国家发展战略中处于核心地位，而农业常常受到水旱灾害严重影响。近年来，在环境变化的影响下，大气和陆面水循环系统产生较大变化，极端降水出现的频率增加，粮食生产及农业安全生产受到水旱灾害的威胁，我国在农业防汛减灾方面还存在着一些问题，如灾害预警能力有待提高，防汛减灾基础设施有待完善，防灾减灾保障能力及意识有所欠缺等，因此，在农业安全生产的可持续性发展道路上仍需积极探索。可通过建立农业灌溉排放保障体系的方法，提高农业生产能力，保障粮食安全，增加农业产量、增加农民收入和促进经济发展。水文行业需在保证监测、情报能力的基础上提高水文预报水平，提高预报精度、延长预见期，同时开展干旱预测预警，为农业的防灾减灾提供更为科学合理的参考依据。

表2 云州水库降雨径流相关图精度评定表

续表2 云州水库降雨径流相关图精度评定表

图1 云州水库P+Pa～暴雨中心位置～R总相关图