人類活動對洪水計(jì)算的影響分析

劉同僧

(河北省廊坊水文水資源勘測局，河北 廊坊065000)

受人類活動的影響，流域下墊面條件發(fā)生了較大變化，流域產(chǎn)匯流規(guī)律發(fā)生也一定程度的改變，要提高洪水預(yù)報精度，必須深入研究人類活動對本區(qū)域洪水產(chǎn)流、匯流的規(guī)律，提出符合本流域特性的計(jì)算模型。

1 人類活動對徑流的影響

1.1 水庫(含閘壩)攔蓄徑流的影響

水庫的攔蓄作用主要是改變水庫下游徑流的時空分布，對次洪水而言，還可能削減一次洪水的洪量。在中小洪水時，這種作用比較明顯;但當(dāng)發(fā)生大洪水時，水庫的攔蓄作用如何，還不十分清楚。至少有兩個問題不能確定:一是大、中型水庫，因其防洪標(biāo)準(zhǔn)較高，垮壩的可能性較小，在防洪標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)大洪水發(fā)生時，大、中型水庫仍可起攔、滯洪水的作用，總的趨勢是通過水庫調(diào)度，達(dá)到削減水庫下游洪峰的目的;但當(dāng)超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生時，水庫為了保壩安全，往往敞泄，其后果很可能是人造洪峰，使下游形成比天然情況更大的洪水;二是小型水庫與閘壩，其防洪標(biāo)準(zhǔn)較低或很低，除在一定量級洪水下能起削峰作用外，往往會為了水庫自身安全而敞泄，更有甚者，小型水庫與閘壩失事的可能性較大，常會加大下游洪水。因此，在大洪水時，水庫究竟是減少下游洪水，還是加大下游洪水，需要作具體分析才能作出判斷。

1.2 引水、用水對河川徑流的影響

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)用水、城市環(huán)境用水、生態(tài)用水、居民生活用水不斷增多，流域內(nèi)與跨流域引水以及各類用水量都帶有許多不確定性，它們隨時隨地改變著河道的徑流量。例如，近些年海河流域中、下游河道大部分常年河干，除降水量減少外，沿河引蓄水也是很重要的原因。如果沿河的引蓄水都有詳細(xì)的觀測記錄，資料還原還是可以辦到的，問題在于除了大型和重要的引用水口有觀測記錄外，許多小的引用水口則失之管理，到底引走多少水是很難查清楚的，這給河川徑流量的計(jì)算帶來極大的困難。

1.3 地下水超采引起地下水位下降對地面產(chǎn)流的影響

大量抽取地下水引起地下水位下降，有的地方形成大范圍的漏斗，使土壤非飽和帶大幅度地增加，土壤蓄水容量隨之大增。有資料顯示，過去50～60 mm降雨就產(chǎn)流的地區(qū)，如今100～200 mm降雨也不見有地面徑流。降雨徑流關(guān)系的重大改變，給產(chǎn)流計(jì)算帶來很大困難;問題的難點(diǎn)還不僅僅在于資料范圍內(nèi)如何確定降雨徑流關(guān)系，更在于大暴雨條件下降雨徑流關(guān)系的外延。因?yàn)?，?dāng)發(fā)生長歷時大暴雨時，一部分雨量滲入土壤，補(bǔ)充了土壤缺水量，使地下水位迅速回升，后續(xù)雨水將可能更多地變?yōu)榈孛鎻搅?。例如，海河流域?996年8月就出現(xiàn)了這種情況。徑流系數(shù)經(jīng)歷了由大變小，又由小變大的過程。這種變化與下墊面條件的變化有關(guān)，也同降雨的時空分布有關(guān)。海河流域20世紀(jì)50～60年代，還沒有大量抽取地下水，地下水位一般較高;而到80～90年代，因大規(guī)模開采地下水，才使地下水位大幅度下降，從而造成了流域產(chǎn)匯流規(guī)律發(fā)生較大變化。

1.4 城市化對流域下墊面的影響

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市土地利用方式發(fā)生了結(jié)構(gòu)性的改變，如清除樹木、平整土地、路面硬化、建造房屋、公路建設(shè)等，大大增加了不透水面積，減少了雨水下滲，增大了下游河道洪水強(qiáng)度。另外，城市排水也增加了下游河道的洪峰。

2 人類活動對雨洪規(guī)律的影響

2.1 地面最大初滲發(fā)生變化

由于下墊面條件的變化，土壤吸水能力普遍增加，最大初滲值相應(yīng)增大，山區(qū)下墊面變化稍弱些，最大初滲雖有所增大，但變化的幅度不是很大。

經(jīng)分析研究，海河流域平原區(qū)下墊面變化較大，最大初滲由85 mm左右增至130 mm左右。例如大清河北支的大石河60年代的最大初滲在80 mm左右，1998年7月15日降雨量達(dá)110 mm，前期影響雨量相當(dāng)于20 mm，大石河漫水河站沒有洪水發(fā)生，最大初滲在130 mm左右，增加了近40～50 mm。又如永定河官廳山峽50年代最大初滲在90 mm左右，1998年7月5日清水河青白口站降雨量108 mm，前期影響雨量25 mm，清水河白品站只有3m3/s的洪峰出現(xiàn)，7月5日降雨幾乎全部下滲，最大初滲為130 mm，增加近40 mm多。潮白河上游地區(qū)最大初滲也由原來的45 mm增加至80 mm左右。

平原低洼地區(qū)主要受地下水埋深的影響，地下水埋深越大，最大初滲也就越大。最大初滲有年內(nèi)的變化。一般地下水埋深3～4m，最大初滲120 mm左右。2000年汛期8月9日大城降雨量110 mm，無地面積水，最大初滲120 mm左右。但降雨增加地下水埋深回升，最大初滲則變小。1977年文安洼的八里莊和高屯，地下水埋深由2.6m減小到0.75m，最大初滲值由110 mm減少到90 mm。

2.2 穩(wěn)定入滲參數(shù)發(fā)生變化

穩(wěn)定入滲率一般是穩(wěn)定不變的，根據(jù)大量的資料分析，受人類活動影響，穩(wěn)定入滲率也是變化的，一些地區(qū)有逐年增大的趨勢，特別是燕山南麓從60年代到90年代，普遍增大了1～2 mm/h。如永定河官廳山峽50年代穩(wěn)定入滲率2～3 mm/h，到90年代穩(wěn)定入滲率增加到4～5 mm/h。大清河南支50年代穩(wěn)定入滲率3～4 mm/h，到90年代穩(wěn)定入滲率增加到4～6 mm/h。

2.3 洪水傳播規(guī)律發(fā)生變化

海河流域平原河道常年干涸，由于長期過量開采地下水，使河道兩岸地下水位大幅下降，形成巨大的地下蓄水庫容。另外，由于灘地修建了大量的阻水建筑物與種植的高桿作物也嚴(yán)重阻礙灘地行洪。由此造成河道一旦行洪，洪水傳播時間加長，河槽滲漏損失率加大。例如:1996年8月大清河?xùn)|淀泄洪，行洪時間由過去的36個小時增長為120 h。

3 現(xiàn)狀條件下暴雨洪水的分析計(jì)算

3.1 流域洪水計(jì)算

海河流域的暴雨地面分布有很強(qiáng)的不均勻性，地面產(chǎn)流也有較大差異，反映在洪水過程線上也有差異。洪水過程計(jì)算要針對暴雨不均勻性和產(chǎn)流地面差異提出合適的模式，計(jì)算成果才能可靠。

產(chǎn)流(凈雨)歷時不同，單位線不同。以永定河官廳山峽為例，2 h單位線峰型瘦，縱高大，一般為250m3/s，3 h單位線峰型稍胖，最大縱高較大，一般為220m3/s，6 h單位線峰型胖縱高低，一般為200m3/s。因此，要編制不同凈雨歷時的單位線多條，實(shí)際暴雨發(fā)生時，應(yīng)選用產(chǎn)流歷時相似的線型進(jìn)行計(jì)算，效果會更好。

暴雨中心不同，單位線型也不同。同樣的地理?xiàng)l件，暴雨中心在下游峰值大，而在上游則峰值小。有時由于地理?xiàng)l件不同，受其影響峰型也不同，山區(qū)坡度大，匯流快，峰尖瘦，平原地區(qū)坡度緩匯流慢，峰型胖。受以上兩種因素同時影響，則不同暴雨中心峰型不一樣，因此，要編制多種暴雨中心的單位線備用。

產(chǎn)流方式不同，單位線型也不同。蓄滿產(chǎn)流的線型胖，而超滲產(chǎn)流的線型尖瘦。對于超滲產(chǎn)流的線型，穩(wěn)定入滲率大的線型尖瘦而穩(wěn)定入滲率小的線型漸胖。

流域出口洪水過程的線型有時受人為因素的影響。突然提開閘門會增大峰值。如北運(yùn)河1994年7月13日發(fā)生洪水，土門樓水文站出現(xiàn)洪峰流量1 054m3/s，此峰是上游攔河閘閉閘蓄水，洪水快到閘門頂突然提閘加大了洪峰的形成。根據(jù)北關(guān)閘放水資料分析，突提閘門加大了洪峰流量250m3/s。因此，如發(fā)生突提閘門情況要進(jìn)行修正計(jì)算，將計(jì)算成果加上突提閘門增大的流量過程疊加為合理的計(jì)算成果。

3.2 河道洪水計(jì)算

海河流域中部地區(qū)河道匯流計(jì)算以往多用馬司京干法和分段連續(xù)流量演算法。30年的變化，使河道匯流計(jì)算出現(xiàn)了問題，計(jì)算成果誤差越來越大。主要問題有三個方面:一是河道輸水損失問題越來越大。如大清河南支的沙河，1988年的一次大洪水，新樂和橫山嶺到潴龍河北郭村下泄洪水9.56億m3，北郭村相應(yīng)洪水4.48億m3，洪水的輸水損失在53%左右。1996年8月，上游新樂和橫山嶺下泄洪水4.54億m3，北郭村只有1.73億m3，損失量2.81億m3，洪水的輸水損失在61%;二是水利開發(fā)程度高的地區(qū)，河道蓄水建筑物很多，蓄水與洪水一起下泄，洪水總量增加20～50%，且破壞了原洪水的峰型;三是人為影響因素越來越多，1998年永定河山峽降雨量超過200 mm，產(chǎn)生洪水1000萬m3，最大洪峰流量160m3/s。由于北京市盧溝橋攔河閘蓄水和沿河引水，洪水沒有進(jìn)入河北地界就消失了。

以上三種情況改變了以水量平衡為理論基礎(chǔ)的流量演算的基本條件，因而原來的預(yù)報方法已經(jīng)不能較好的反映洪水的實(shí)際演變規(guī)律。因此，必須作修正計(jì)算。例如，永定河泛區(qū)在考慮河道損失的基礎(chǔ)上，利用利用分段連續(xù)流量演算的方法，通過對 1956、1958、1963、1979年洪水演算，泛區(qū)出口流量過程與實(shí)測比較精度較高;北運(yùn)河上游，建有葦溝等三個翻板閘，日常為自動使用，具有一定的水頭，自動翻板泄流。小水時不翻板，起到蓄水作用，水泄不下去，只有具備翻板條件時才翻板。翻板造峰和提閘造峰一樣，形成與原洪水峰不同的變形峰。有時早期蓄水還影響洪量。用一般的河道流量演算方法反映不出翻板造峰的規(guī)律。解決此類問題，一般將閘上河道作為蓄水區(qū)考慮，進(jìn)行調(diào)節(jié)演算計(jì)算到水位超過翻板水頭時判斷為翻板，不到翻板水頭則不翻板，下游無水;北運(yùn)河北關(guān)閘至土門樓閘區(qū)間閘壩林立，經(jīng)常蓄水2000～3000萬m3，遭遇暴雨突提閘門加大洪峰流量，遇到此情況，將分析計(jì)算的突提閘門過程線與河道匯流計(jì)算過程相疊加為修正計(jì)算過程，多年來，計(jì)算成果較好。

實(shí)踐證明，暴雨徑流參數(shù)為變數(shù)，產(chǎn)流方式超滲和蓄滿在一定條件下相互轉(zhuǎn)換，單位線型復(fù)雜多變等問題，是客觀存在的特性。因此，研究具有本流域特點(diǎn)的洪水規(guī)律，是提高洪水預(yù)報水平的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

受人類活動的影響，流域下墊面條件發(fā)生了較大變化，流域產(chǎn)匯流規(guī)律也發(fā)生一定程度的改變，要提高洪水預(yù)報水平，必須深入研究人類活動對本區(qū)域洪水產(chǎn)流、匯流的規(guī)律的影響，校正本流域產(chǎn)匯流參數(shù)，提出符合本流域特性的計(jì)算方法。

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