鲁西南平原区的径流退水过程模拟研究

翟思贝，孙凤荣

(菏泽市水文局，山东 菏泽 274000)

对径流退水过程的认知是研究流域水文响应和流域水量平衡的重要内容之一。径流退水过程是指在降水很少或无降水时期内连续的排水和消退过程，是随时间或空间变化的水文现象的重要组成部分。该实验场地占地880 m2，设有一条长35 m、宽2 m的河槽来模拟河道径流，有助于从实验场地的尺度去了解鲁西南平原区随时间或空间变化的水文现象的原理，通过实验得到的数据更有利于研究退水特点和影响因素。该研究的主要任务是通过模拟人工降水实验呈现鲁西南平原区径流退水过程，说明可能影响退水过程的因素，求出峰值流量发生后退水曲线的退水常数值，为模拟随时间或空间变化的水文现象提供参考数据。

表1 逐月降水、径流数据MK检验结果Tab.1 MK inspection results of rainfall and runoff data month by month

表2 年内各季节降水及径流MK检验结果Tab.2 MK inspection results of rainfall and runoff data of all seasons in the year

表3 年内各月尺度的降水及径流MK检验结果Tab.3 MK inspection results of rainfall and runoff in each month

1 鲁西南径流和基流变化趋势

从MK检测趋势可以看出，对比径流和基流过程发现，基流和径流出现高度统一，观察鲁西南地区的径流突变点和基流突变点时间也大致相同[1]。从这一观察中可以看出，基流和径流之间是存在一定关系的。在季节相对偏暖时，随着降水量的增加，活动层之间的水分加速融化，地面上的融水量不断增加，路面径流出现汇聚现象，导致源头处径流量上升。以上变化导致了源头处地下层水区、深层地下水区及活动层水区的库存量不断增加，使得基流存储量越来越多。鲁西南地区的径流和基流的产生方式不同，在相对温暖的气候下，雨水、活动层水区都可能成为基流的主要供给来源。径流的主要供给来源则是降雨量，在相同降水的影响下，同一个时期内由于基流和径流补给来源不同，使得基流和径流在气候温暖时差异比较明显。在寒冬季节，降水量较少且没有冰川融化，在这种条件下，径流补给的水量会大大减少，这时基流能够对径流保持一个相对稳定的供给，这个稳定供给的来源主要是深层地下水，在这种情况下，径流并不像夏季那样旺盛，基流此时的流量受径流的控制。如果从整年来观察，基流虽然流量比径流小，但是更趋于稳定，这使得鲁西南地区在较为寒冷的时期基流更加稳定[2]。

2 模拟人工降水实验

实验场地长44 m、宽20 m。实验场地的径流区中间设有长35 m、宽2 m的河槽来模拟自然条件下河道径流量的状况，用混凝土预应力板打到陆壳表层风化层下面的完整的新矿物岩石中作为实验径流区周围能够隔离水的墙。实验径流区的土壤分为上层再返还重填的土和下层保持天然含水量及天然结构的土，上层再返还重填的土约120 cm，下层保持天然含水量及天然结构的土约为230 cm，土壤总共深约350 cm。鲁西南平原区耕作土壤为再返还重填的土壤，由下到上依次为粉质黏土、壤土和砂壤土；植被类型是农民耕作后的杂草地，植被在地面的垂直投影面积占径流区总面积的50%～60%，自北向南设计比降是1/100。设置了两层土壤中流，出流的深度为土壤深度的40 cm、80 cm。实验径流区设了出流的凹槽用来接河道径流、地表径流和各层壤中流的出流，流水位通过三角堰与记录式的水位流量计，利用两者相互作用来监测，流量要在使用效率确定以后通过水位流量关系曲线计算。

径流区使用降水车来模拟人工降水实验，因为考虑实验小区面积稍大，总共设了6架降水车，每架降水车配有一个供水机来供水。径流区为了测量实际降水量，共用了10个雨水测量筒。为了测量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体积，在径流区内总共埋了20根测量土壤中水含量的仪器。

鲁西南平原区共有7个基本水文站，收集了这7个基本水文站13年间的水文监测和降水气象资料，最小的降水标准间隔为1 h，次降水的判断依据为次降水量大于10 mm，选出了符合以上条件的324次降水。降水类型依据一般判别法和K值聚类可以分为3种类型，其中有3次降水因为产生的概率很小，所以剔除了，总结了鲁西南平原区的特点为强大雨、时间短，强小雨、时间长两种降水类型。为了最真实地模拟出鲁西南平原区的降水特点，选出了10种时间短的强大雨和6种时间长的强小雨，模拟人工降水实验，对16种降水进行了研究[3]。

表4 不同降雨类型特征指标统计Tab.4 Statistics of characteristic indexes of different rainfall types

3 降雨对退水过程分析

图1 累计雨量(mm)的正态Q-Q图Fig.1 Normal Q-Q graph of accumulative rainfall(mm)

降水量的强度会对退水流量造成影响，影响程度较为明显，主要表现在河道径流上，观察发现，随着降水强度的增加，河道径流会加速退水量上升，上升数据呈现出幂指数的形式。造成这种现象的主要原因是在模拟过程中使用的河道径流场的长度和宽度是不变的，在强降雨过程中，短时间内河道径流场内的水量趋于稳定，随着下雨量的强度增大，其单位时间内流量最大值越来越大，因此，受下雨强度影响比较明显的是河道径流。与此同时，降水量则对各个土壤层中的退水总流量有一定的影响[4]。研究发现，随着降水量的不断增加，土壤层中的退水总流量以幂指数方式增加。降水量对于河道径流和地表径流的退水量没有明显的影响，影响河道径流的主要原因是降水强度，而会对地表径流造成影响的因素有很多，如在降水量和降水强度一致的情况下，由于不同土壤前期所含水量存在差异，会使得流经地表径流的最大值不同，导致退水量不同。在土壤前期含水量相同的情况下，降水量也相同时，不同之处则体现在降水方式上，如降水量强弱或降水持续时间，以上任意条件都会使退水量出现偏差。

4 结语

模拟了16种人工降雨，分析了鲁西南平原区各层土壤流入流出、地表径流、河道径流等退水特点。研究发现，降雨停止过后地表径流和河道径流消退速度较快，各层土壤水流往往较慢，退水时间大约在地表径流开始退水的后半程，相比之下，退水时间最长，流量最小。降水强度对河道径流的退水量影响比较明显，强降雨过程中，短时间内随着下雨量的强度增大，其单位时间内流量最大值越来越大，呈幂指数上升。以上各种分析过程是在模拟人工降雨的条件下进行的，试验场规模较小，希望能够为更大规模的流域或水文过程提供参考。实验过程中存在一些漏洞，如进行人工降雨时，类型不同的植被覆盖程度、下雨强度在单位时间内的变化、降雨中心区的移动及地表特征等参数都需要进一步的深入研究。