云州水庫(kù)上游流域徑流情況分析及對(duì)該區(qū)域農(nóng)業(yè)環(huán)境的影響

張 健

(河北省張家口水文勘測(cè)研究中心，河北 張家口 075000)

1 流域概況

云州水庫(kù)坐落在張家口赤城縣云州鄉(xiāng)舍身崖山峽處，地處E115°46′,N41°02′，是潮白河水系白河上游的一座大(II)型水庫(kù)。白河壩址以上分為東西2支，沽源縣九龍泉為東支發(fā)源地，東支河長(zhǎng)62km，縱坡約8‰；崇禮區(qū)威遠(yuǎn)門(mén)為西支發(fā)源地，西支河長(zhǎng)45km，縱坡約11‰。東支有支流清泉堡河匯入，河長(zhǎng)20km，控制流域面積236km2，匯合點(diǎn)在貓峪村西南500m處，距入庫(kù)口約3km；西支有支流二道川河匯入，河長(zhǎng)22km，控制流域面積207km2，匯合口在羊坊東北約500m處，距入庫(kù)口約4km。流域內(nèi)山巒起伏，山川面積比約4∶1，平均海拔高程1440m，東部最高峰冰山梁海拔2210m。山地多為石山，巖石裸露，植被稀疏，部分背山坡有小片原始林或人造林。山川過(guò)渡帶梯度較大，耕地較少且多為砂質(zhì)壤土，地力脊薄。

云州水庫(kù)上游流域地處內(nèi)蒙古高原南部邊緣地帶，屬于溫帶大陸性高原氣候，西北方向冷、暖鋒交匯形成的強(qiáng)對(duì)流天氣是影響該地區(qū)降雨過(guò)程的主要因素，所形成的降雨特征是短歷時(shí)、小范圍、高強(qiáng)度。該流域多年平均降水量為450mm，汛期降水量在全年降水量中所占比重達(dá)80%以上，在7月下旬—8月上旬的主汛期期間多發(fā)生較大降雨過(guò)程。多年平均徑流量為0.6315億m3。

2 降雨、徑流及關(guān)系分析

2.1 資料情況

通過(guò)對(duì)云州水庫(kù)上游流域40a間降雨洪水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共選取了其中48場(chǎng)次降雨徑流資料，進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算，以中、小水為主，所選資料實(shí)測(cè)徑流深大多不足4mm，<1mm的洪水僅選取了一場(chǎng)，場(chǎng)次平均降雨量大部分在20～60mm。

2.2 降雨徑流相關(guān)因素計(jì)算

2.2.1 流域平均降雨量P的計(jì)算

流域平均降雨量采用泰森多邊形法進(jìn)行計(jì)算，公式：

P=∑ωiPi

式中，Pi為第i站降雨量，mm；ωi為第i站權(quán)重；P為流域平均降雨量，mm。

根據(jù)雨量站在流域內(nèi)分布情況，以及考慮到資料連續(xù)性、完整性等情況，選用云州水庫(kù)以上流域內(nèi)的6個(gè)常年自記雨量站資料，分別為獨(dú)石口、貓峪、百草(虎龍溝)、馬營(yíng)、缸房窯、云州，各雨量站權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)以上流域雨量站權(quán)重表

2.2.2 流域平均前期影響雨量Pa的計(jì)算

Pat=K×(Pat-1+Pt-1)

控制Pa≤Im，該流域Im取值40mm。根據(jù)各站日降水量，K依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值0.85，Pa從前30d開(kāi)始計(jì)算，單站的前期影響雨量，即Pa，可通過(guò)各日的日降水量計(jì)算得出，各個(gè)站的前期影響雨量Pa乘以該站權(quán)重加和即可求得上游流域平均前期影響雨量。

2.2.3 暴雨中心位置的確定

云州水庫(kù)上游流域降雨情況，大多為局部降雨，分布不均，暴雨中心位置對(duì)流域出口斷面產(chǎn)生徑流影響較大，降雨徑流相關(guān)圖采用以暴雨中心位置為參數(shù)，各雨量站降雨量的多少以及較短時(shí)間內(nèi)降雨的強(qiáng)度作為判斷暴雨中心的重要指標(biāo)，如果全流域降雨比較均勻，則可按暴雨中心在中游考慮。

2.2.4 總徑流深的計(jì)算

根據(jù)云州水庫(kù)洪水水文要素反推的入庫(kù)洪水過(guò)程線，計(jì)算入庫(kù)洪水總量及總徑流深。云州水庫(kù)上游流域下墊面條件較差，該流域多為局部短歷時(shí)降雨，造成洪水過(guò)程陡漲陡落，壤中流很小，本次分析沒(méi)有將壤中流計(jì)算在內(nèi)，云州水庫(kù)以上流域的徑流深為總徑流深。

2.2.5 次洪水總量計(jì)算

根據(jù)計(jì)算的總徑流深和流域面積A，次洪水總量W計(jì)算公式：

W總=R總×A×0.1

式中，W總為次洪水總量，萬(wàn)m3；R總為總徑流深，mm；A為流域面積，km2。

2.3 降雨徑流相關(guān)圖的建立

根據(jù)以上計(jì)算的降雨徑流各相關(guān)因素，點(diǎn)繪以暴雨中心位置為參數(shù)的降雨徑流深點(diǎn)據(jù)，并按點(diǎn)據(jù)的分布趨勢(shì)，繪制出P+Pa～暴雨中心位置～R總相關(guān)圖，見(jiàn)圖1。依據(jù)暴雨中心位置分為上游、中游、下游3條趨勢(shì)線，且每條線均穿過(guò)其所代表趨勢(shì)點(diǎn)據(jù)的點(diǎn)群中心。

2.4 產(chǎn)流預(yù)報(bào)方案精度評(píng)定

根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》SL 250-2000，允許誤差采用實(shí)測(cè)值的±20%，上限為±20mm，下限為±3mm，云州水庫(kù)上游流域產(chǎn)流預(yù)報(bào)方案精度為98%，屬甲級(jí)預(yù)報(bào)方案，數(shù)據(jù)情況詳見(jiàn)表2。

3 方案分析說(shuō)明

場(chǎng)次流域平均降雨量P與流域平均前期影響雨量Pa可求得P+Pa，通過(guò)降雨量的大小及雨強(qiáng)可確定暴雨中心位置，在原有P+Pa～暴雨中心位置～R總相關(guān)圖中描點(diǎn)并計(jì)算誤差，分析計(jì)算均以中、小水為主，大洪水的計(jì)算分析有待資料完善，因近年來(lái)幾乎未有較大徑流的產(chǎn)生，仍需日后積累較新資料并進(jìn)一步梳理歷史洪水資料。因上游地區(qū)降雨歷時(shí)短、強(qiáng)度大，洪水起漲速度較為迅速，所繪過(guò)程線均為陡漲陡落。經(jīng)實(shí)地考察，云州水庫(kù)上游流域下墊面近年來(lái)變化不大。

2011年7月24日洪水預(yù)報(bào)誤差偏大，經(jīng)分析主要原因是引起該場(chǎng)洪水的降雨歷時(shí)長(zhǎng)，總雨量大，預(yù)報(bào)值依據(jù)暴雨中心在下游的關(guān)系線查得，但實(shí)際情況中雨強(qiáng)很小，部分降雨下滲，未形成地表徑流。

云州水庫(kù)上游流域處半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)，降雨情況多數(shù)為短歷時(shí)強(qiáng)降雨，且洪水過(guò)程多為陡漲陡落，退水過(guò)程很快，此方案的建立所依據(jù)的資料也多為短歷時(shí)強(qiáng)降雨產(chǎn)生的洪水過(guò)程，因此，若遇歷時(shí)較長(zhǎng)雨強(qiáng)較小的降雨過(guò)程，在預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)酌情考慮這2方面的影響及預(yù)報(bào)精度，在實(shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)中，還需結(jié)合場(chǎng)次降雨的暴雨中心、時(shí)空分布等各方面信息具體進(jìn)行分析，并且需要對(duì)上游流域情況具有較為準(zhǔn)確全面的了解，以求預(yù)報(bào)結(jié)果更切合實(shí)際。

4 農(nóng)業(yè)影響分析

云州水庫(kù)是一座集防洪、灌溉等多種功能為一體的綜合性大型水庫(kù)，多年年均pH值、礦化度、總硬度、總堿度等化驗(yàn)項(xiàng)目都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為重碳酸鈣型水，水質(zhì)適用于飲用和灌溉。自2004年以來(lái)，20余次為北京開(kāi)閘輸水，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉及飲用水補(bǔ)給起到了重要作用。上游流域土地在2000年以后被全部利用，具有多種利用類(lèi)型，以耕地、草地、林地為主，徑流和產(chǎn)生與土地利用情況相互影響，在相同的降水條件下，植被覆蓋較好的情況下，降雨量損失增加，產(chǎn)流量會(huì)有所減少，利用率較差的土壤條件下更容易形成洪水，制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。同時(shí)，在降雨條件相同的情況下，裸露地比草地上的土壤侵蝕劇烈很多，土壤各類(lèi)對(duì)土壤侵蝕以及地表徑流產(chǎn)生的影響都很小，這意味著土壤利用率降低，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)流的輸水率與含沙量增加，影響土壤及生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。分析其上游流域降水、徑流等方面的水文特性，可以為保持水土、合理開(kāi)發(fā)利用水資源等提供水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。洪水預(yù)報(bào)在水庫(kù)調(diào)度、防洪減災(zāi)方面發(fā)揮著重要作用，為防汛抗旱決策提供有力支撐，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面也具有重要的參考意義，有助于促進(jìn)農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)，減少農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。

水利是農(nóng)業(yè)的命脈，農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全在國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略中處于核心地位，而農(nóng)業(yè)常常受到水旱災(zāi)害嚴(yán)重影響。近年來(lái)，在環(huán)境變化的影響下，大氣和陸面水循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生較大變化，極端降水出現(xiàn)的頻率增加，糧食生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)受到水旱災(zāi)害的威脅，我國(guó)在農(nóng)業(yè)防汛減災(zāi)方面還存在著一些問(wèn)題，如災(zāi)害預(yù)警能力有待提高，防汛減災(zāi)基礎(chǔ)設(shè)施有待完善，防災(zāi)減災(zāi)保障能力及意識(shí)有所欠缺等，因此，在農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展道路上仍需積極探索?？赏ㄟ^(guò)建立農(nóng)業(yè)灌溉排放保障體系的方法，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，保障糧食安全，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、增加農(nóng)民收入和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。水文行業(yè)需在保證監(jiān)測(cè)、情報(bào)能力的基礎(chǔ)上提高水文預(yù)報(bào)水平，提高預(yù)報(bào)精度、延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期，同時(shí)開(kāi)展干旱預(yù)測(cè)預(yù)警，為農(nóng)業(yè)的防災(zāi)減災(zāi)提供更為科學(xué)合理的參考依據(jù)。

表2 云州水庫(kù)降雨徑流相關(guān)圖精度評(píng)定表

續(xù)表2 云州水庫(kù)降雨徑流相關(guān)圖精度評(píng)定表

圖1 云州水庫(kù)P+Pa～暴雨中心位置～R總相關(guān)圖