（水文学及水资源专业论文）大清河流域产汇流特征变化趋势分析.pdf

摘要 近年来在人类活动和气候变化的共同影响下，大清河流域的产汇流特性发生 了显著变化，对径流及洪水成果产生明显影响，主要表现为：随着时间的推移， 同样的降雨条件下流域的径流量呈减小的趋势。本文选取大清河流域紫荆关、阜 平、龙门水库和漫水河四个典型测站作为研究区域，收集了1 9 5 6 2 0 0 5 年大清河 流域暴雨洪水水文时间序列资料，应用统计分析方法，对流域的产汇流特性变化 进行了研究。 通过统计分析洪峰流量、次洪量、径流系数、地表径流所占百分比、洪峰滞 时、单位线峰值、单位线峰现时间等产汇流特征值的变化规律，对大清河流域产 汇流特性变化进行了趋势分析。 分析结果表明，近几十年来大清河流域的降雨特性发生了变化，降雨量呈减 小的趋势，但减小趋势不明显。在天然条件下，降雨特性对流域的产汇流起决定 性作用。但是随着人类活动加剧，降雨特性对产汇流的影响逐渐减小。在人类活 动的影响下，相同的降雨量产生的流域次洪量以及洪峰流量大幅度减小；流域的 洪峰出现时间推迟，峰值减小，汇流时间增长。在自然条件下，降雨集中、强度 大、历时短、暴雨中心靠近流域出口，洪峰流量就会比较大，反之则小，但在人 类活动影响下则不一定产生这样的结果。这主要是因为人类活动使流域下垫面发 生了变化，对降雨特性变化的敏感性降低。 综上所述，本文认为大清河流域降水特性的变化和人类活动的加剧导致了流 域的径流量减小，而引起产汇流特性变化的主要原因是人类活动的影响。 关键词：暴雨洪水；水文时间序列；产汇流特性；趋势分析 a b s t r a c t s i n c et h ee f f e c to fc l i m a t ea n dh u m a na c t i v i t i e si nr e c e n ty e a r s ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fg e n e r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o ni nd a q i n gr i v e rb a s i nh a sc h a n g e d r e m a r k a b l y ，w h i c ha f f e c t e dr u n o f fa n df l o o da c c o r d i n g l y i ti ss h o w nt h a tt h er u n o f fi s d e c r e a s e du n d e rt h es a m er a i n f a l la m o u n t t h i sp a p e rt a k e sz i j i n g g u a n ，f u p i n g ， l o n g m e n ，m a n s h u i h eh y d r o l o g i c a ls t a t i o n si nd a q i n gr i v e rb a s i na ss t u d ya r e a , a n d c o l l e c t i o no fh y d r o l o g i c a ld a t ad u r i n g19 5 6 2 0 0 5w a sd o n ei nd a q i n gr i v e rb a s i n t h e nt h ew e n d so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fg e n e r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o nw e r es t u d i e d w i t hs t a t i s t i c a lm e t h o d t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a n g eo fp e a kf l o w ，f l o o dv o l u m e ，r u n o f fc o e f f i c i e n t ，t h e p e r c e n t a g eo fs u r f a c er u n o f f , l a gt i m eo ff l o o dp e a k , p e a ka n dt i m et op e a ko fu n i t h y d r o g r a p h ，t r e n da n a l y s i sw a sd o n ef o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr u n o f fg e n e r a t i o na n d c o n c e n t r a t i o ni nt h es e l e c t e ds u b - c a t c h m e n t s ， t h er e s u l t ss h o wt h a tr a i n f a l lc h a r a c t e r i s t i c sh a v ec h a n g e di nr e c e n td e c a d e s a n d t h e r ei sad e c r e a s i n gt r e n d ，b u tt h ed e c r e a s ew a sn o to b v i o u s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f r a i n f a l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ng e n e r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o nu n d e rt h en a t u r a l e n v i r o n m e n t w i t ht h ei n c r e a s eo fh u m a na c t i v i t i e s ，t h er u n o f fy i e l da n dp e a k d i s c h a r g eu n d e rt h eh u m a na c t i v i t ya r el e s st h a nt h a tu n d e rt h en a t u r a le n v i r o n m e n t ； t h et i m et ot h ep e a kd e l a y s ，t h ep e a k d e c r e a s e s ，c o n v e r g e n c et i m ei n c r e a s e s c o m p a r e dt ot h en a t u r a lc o n d i t i o n ，w a t e r s h e ds h o w sm o r es e n s i t i v et h a nn a t u r a l e n v i r o n m e n tu n d e rt h es a m er a i n f a l li n t e n s i t y r u n o f f y i e l da n df l o o dp e a ka r el a r g e r w h e nt h er a i nc e n t e ri sn e a rt h eo u t l e to fw a t e r s h e du n d e rt h en a t u r a le n v i r o n m e n t ，b u t i ti sn o tn e c e s s a r i l yu n d e rt h eh u m a na c t i v i t i e se n v i r o n m e n t t h i si sm a i n l yb e c a u s eo f h u m a na c t i v i t i e ss ot h a tac h a n g ei nb a s i ns u r f a c e ，t h ec h a n g e si nr a i n f a l lr e d u c e d s u s c e p t i b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fg e n e r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o n 。 i ns u m m a r y ，t h ec h a n g eo fr a i n f a l la n dh u m a na c t i v i t i e sr e s u l t si nt h ed e c r e a s eo f r u n o f f , b u th u m a na c t i v i t yi st h em a i nf a c t o r k e yw o r d s ：r a i n s t o r mf l o o d ；h y d r o l o g i c a lt i m es e r i e s ；c h a r a c t e r i s t i c so f g e n e r a t i o na n dc o n c e n t r a t i o n ；f i e n da n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在水利部河北水利水电勘测设计研究院 工作期问研究开发的项目，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得丞洼大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。指导教师及我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学僦文储虢谳伊签字r 期叩年r 肋同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学术论文的规定。特授 权天津大学可以将学术论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅或借阅。同意学校向围 家有关部门或机构送交论文的复印件或磁盘。 ( 保密的学术论文在解密后使用本授权说明) 学术论文作者签名：撕 签字嗍秒“月阳 导师签名：场耷 签字同期：力司年s 月f 口同 第一章绪论 1 1 研究背景及选题意义 第一章绪论弟一旱珀比 水文成果是开展流域综合规划修编的基本依据之一。受到水资源开发及人类 活动的综合影响，近年来海河流域下垫面条件发生了显著变化，对径流及洪水成 果产生明显影响。在海河流域水资源综合规划中已完成了下垫面变化对径流 的影响分析，相关成果已经在水资源综合规划中得到了应用。但是，水文下垫面 变化对洪水的影响目前尚未开展系统研究工作，为此，在海河流域综合规划修编 中确定以大清河流域为研究对象，开展“海河流域下垫面变化对径流及洪水影响” 专项研究工作，为流域的防洪规划和管理提供技术支持。 但是在对洪水趋势和暴雨进行序列研究的过程中，不难发现的是：由于水文 现象受气候、流域自然地理状况及人类活动综合影响，其变化特性和规律错综复 杂，表现出多时间尺度性、随机性、突变性和非线性等多种不确定性，目前还很 难用物理方法对水文现象进行全面的描述，人们主要借助数理统计方法以及其它 一些不确定性的方法来描述水文现象，并取得了可喜的成绩。 研究大清河流域产汇流特性的变化规律，对于海河流域典型产流区的暴雨洪 水预报、区域或流域水循环机理以及海河流域水资源规划、水资源统一管理调度 等方面有着重要的理论指导意义和推广应用价值。 1 2 国内外发展研究现状 1 2 1 产汇流理论发展现状 水文学的发展经历了由萌芽到成熟、由定性到定量、由经验到理论的发展过 程。而产汇流理论是水文学的重要分支，其旨在探讨不同气候和下垫面条件下降 雨径流形成的物理机制、不同介质中水流汇集的基本规律以及产汇流分析计算方 法的基本原理，是研制确定性水文模型和短期水文预报方法、解决许多水文水资 源实际问题的重要理论依据。它的研究对象是流域水文循环和水一土一植系统的 水文循环，其理论支柱是土壤水动力学、热力学、明渠水力学、渗流力学和实验 水文学等【l 】。 ( 1 ) 产流方面：15 8 6 年，d a r c y 提出的渗流力学的基本定律d a r c y 定律， 第一章绪论 为产汇流理论奠定了理论基础。2 0 世纪3 0 至6 0 年代，产流理论取得了重大突破1 2 j 。 1 9 3 3 年霍顿( r e h o r t o n ) 提出超渗坡面流的概念，b p h o a o n 下渗公式( e a g l e s o n 于1 9 7 0 年运用分离变量法，从土壤水分运动微分方程中解得；张文华于1 9 8 9 年在 假定渗透系数k 和扩散系数d 均为常数的情况下采用分离变量法也导出了此程， 将h o r t o n 经验公式作了理论解释，使之成为理论公式) 。在2 0 世纪5 0 年代以前， 产流计算主要靠建立各种降雨径流相关图，我国也编制了很多类似的简化相关 图。这类经验相关图的物理概念不够清晰，只能在已有资料范围内应用，不能外 延，不能移用于无资料地区，且在时段产流计算方面很不严格【3 】。2 0 世纪6 0 年代， 赵人俊等水文学家通过大量的实验和研究，得出了湿润地区以蓄满产流为主和干 旱地区以超渗产流为主的重要论点，从而使霍顿产流理论得到了较为广泛的实际 应用【4 1 。柯克比( k i r k b y ，1 9 7 2 ) 等合著了山坡水文学一书，则进一步推动了 产流机制的深入研究。它提出了壤中流和饱和坡面流的形成机制，而壤中流和饱 和坡面流的概念是h o n o n 产流概念中没有的。另外我国水文学家1 9 8 5 年提出的界 面产流规律【5 】对产流发展有积极的作用。 ( 2 ) 汇流方面：1 8 1 7 年s t v e n a n t 得到的明渠缓变不恒定流的基本微分方 程组s t v e n a n t 方程组，为研究产汇流理论中的地面水流、河道水流和土壤 水流的运动规律奠定了理论基础。1 9 3 2 年谢尔曼( l k s h e r m a n ) 提出了单位线 法解决流域汇流问题。19 3 8 年麦卡锡( g t m a c a r t h y ) 提出用于河道流量演进计 算的“马斯京根法”( 1 9 6 9 年c u n g e 对“马斯京根法”进行改进提出了 m u s k i n g u m c u n g e 河道演算法) 。3 0 年代末施奈德( w m s n y d e r ) 提出综合单 位线的方法，推求单位线与流域地理特征间的关系。1 9 4 1 年m e y e r 提出滞后演 算法( 1 9 5 8 年n a s h 进一步提出流域汇流可以用n 个相同的线性串联水库来模拟， 即n a s h 流域汇流系统模型。同年加里宁和米留柯夫提出用串联的一系列特征河 段模拟河道( 流域) 的汇流) 。1 9 4 5 年克拉克( c o c l a r k ) 提出的克拉克法将 等流时线推流的结果作一次线性水库的调蓄。1 9 5 7 年加利宁一米留柯夫提出了 特征河长概念及公式，特征河长概念把水力学表达成为水文易用的形式，使河道 汇流具有明确的物理概念。1 9 5 9 年纳须( j e n a s h ) 推导了瞬时单位线公式并提 出了用矩法求参数的方法，使经验单位线有了一个函数的表达形式。这些方法对 以后水文学的发展有很大的影响，大大推动了汇流理论的研究。1 9 7 3 年杜格 ( d o o g e ) 提出了水文系统的线性理论。纳特( n a t e l e ) 、托迪尼( t o d i n i ) 于 1 9 7 4 年提出约束线性系统( c l s ) 。纳须等人在1 9 8 3 年和1 9 8 8 年分别提出线性 扰动模型( l p m ) 和总径流响应模型( t r l ) 。以上的汇流方法目前都还在广泛 应用。近年来分布式模拟中多采用的方法是区分坡面汇流和河道汇流，坡面汇流 采用线性水库与等流时线结合的方法，河道汇流部分采用马斯京根法。 2 第一章绪论 1 2 2 水文序列发展研究现状 所谓时间序列，又称动态数据，指的是一组按时间顺序排列的数字序列，它 是一个离散的随机过程。在现实生活中，时间序列的例子大量存在，如年降雨量 的变化，太阳黑子数目的变化，股票价格，年产量或月销售量，机械振动的离散 信号等。由于各自的物理背景不同，它们包含的信息和呈现的规律是千变万化且 错综复杂的。时间序列分析就是对诸如上述现象的动态变化规律进行研究，进而 更好地推断事物未来的发展变化情况。时间序列分析提供了一套具有科学依据的 动态数据处理方法，即对各种类型的数据，采用相应的数学模型去拟合。通过对 模型的分析研究，可更本质地了解数据的内在结构和复杂特性，从而达到预测其 发展趋势并进行必要的控制的目的i 6 i 。 时间序列分析是数理统计中的一个重要分支，己被广泛应用到经济领域，并 扩展到社会、气象、水利、交通、信息、农业和工业等领域中。时间序列分析方 法起源于1 9 2 7 年，数学家耶尔( y u l e ) 提出建立自回归( a r ) 模型来预测市场 变化规律。1 9 3 1 年，数学家瓦尔格( w a l k e r ) 在a r 模型的启发下，建立了滑动 平均( m a ) 模型和自回归、滑动平均( a r m a ) 混合模型，初步奠定了时间序 列分析方法的基础。二十世纪六十年代，伯格( b u r g ) 在分析地震信号时最早提 出最大熵谱( m e s ) 估计理论，后来有人证明a r 模型的功率谱估计与最大熵谱 估计是等效的，并称之为现代谱估计。它克服了用传统的傅立叶功率谱分析( 又 称经典谱分析) 所带来的分辨率不高和频率泄露严重等固有的缺点，从而使时间 序列分析不仅在时域内得到应用，而且扩展到频域内。二十世纪七十年代以后， 随着信号处理技术的发展，时间序列分析方法不仅在理论上更趋完善，尤其是在 参数估计算法、定阶方法及建模过程等方面都得到了许多改进，逐渐成为分析随 机数据序列不可缺少的有效工具之一1 7 j 。 水文现象是随时间而变化的自然现象，因受天文、气象及人类活动等因素的 影响，其变化是极其复杂的。一般而言，水文过程是受确定因素与随机因素共同 作用的结果。确定成分主要表现为水文现象的趋势变化和周期变化等，随机成分 则表现为水文现象的相依性和纯随机变化。上述包含有随机性成分和确定性成分 的水文过程，即为随机水文过程。丁晶、邓育仁比较系统地综合了随机水文学领 域的基本理论、方法及研究成果【8 】，随机分析的方法被广泛用于水文预报、水文 计算、水文频率计算、水文风险分析及各种水文随机模型之中。 由于随机性、模糊性、灰色性这三种不确定性因素往往共存于水文现象中， 为了综合分析不确定性，提高计算、预测和决策的可靠性，一般采用各种分析方 法结合的耦合途径。h a l d a n 等人利用嫡的原理以模糊描述的不确定性转换成等价 第一章绪论 的以随机描述的不确定性，将模糊和随机分析结合起来。陈守煜等将模糊集理论 引入随机模型，提出模糊典型解集模型。冯宛平等将灰色分析引入统计回归，提 出灰色回归分析。杨叔子等将灰色模型和随机模型有机地结合起来用于预测。袁 嘉祖考虑状态具有灰色性，提出灰色马尔柯夫预测模型。夏军将隶属度函数看作 是灰色的，将灰色集理论和模糊集理论结合起来分析。刘光吉等利用模糊数学和 灰色系统理论对不严格具有无后效性的马尔柯夫过程进行描述，提出了模糊灰色 马氏过程的新模式。陈守煜将水文成因分析、统计分析、模糊集分析有机的结合 起来，提出了中长期水文预报的综合分析理论模式与方法，为提高中长期水文预 报的精度提供了新思路。 近2 0 多年来，熵( e n t r o p ) 成为研究水文水资源科学领域中不确定性的有效 工具之一。黄忠恕利用m e s a 分析了长江上游洪水的周期性问题，并比较了调和 分析、功率谱分析及m e s a 三种方法，最后认为m e s a 在分辨率、谱偏移和对短 序列的适应性等方面为最优。r a o 等人在将几种谱分析方法与m e s a 比较后，也 得出了同样的结论。k r s t a n o v i c 与s i n g h 将m e s a 用于流量长期预测，他们建立的 模型可用于三种类型的预测：前向、后向及插补。而且这种模型可精确地预报周 期及未来流量的发展趋势。k r s t a n o v i c 与s i n g h 将m e s a 拓展到实时洪水预报之中， 其模型可用于任何一对相关的水文过程，比如径流与雨量。p a d m a n b h a m 与r a o 也将m e s a 用于分析降雨与流量时间序列。e i l b e r t t 9 】与c h r i s t e n d e n 分析流域单年水 文预测的问题。d a l e z i o s 与t y r a s k i s 也利用m e s a 分析了多元降水时间序列。熵的 方法是以整体的观念去度量水文变量的不确定性，而不局限于每个孤立的点，对 不确定性是一种更高层次的刻划。熵分析方法在水文资料短缺不全或质量不高的 情况下有其显著的优点。 应用混沌理论，能打破以往传统水文分析中单一的确定性分析或随机性分 析，建立两者相统一的混沌分析法，使水文研究有所突破。1 9 9 1 年b r e a d f o r d 对融 雪径流中的混沌性进行了讨论，认为嵌入空间求取关联饱和维数的方法能鉴别低 维混沌系统。1 9 9 6 年t a i y e 使用自相关函数、互信息法确定了美国大盐湖水量系 统中滞时，并计算了关联维数、邻近点维数、伪邻点维数，得出以四维相空间来 描述该动力系统。2 0 0 2 年王德智等运用混沌分析的重构相空间技术，探讨了月降 水量的可预报性问题，研究表明降水系统中存在着混沌的特征。 小波分析方法引入了多尺度分析的思想，从多方面揭示水科学的内在规律， 可为水资源合理开发利用和有效配置提供更多的依据。1 9 9 3 年，p k u m a r 和 f o u f o u l a r g e g i o u s 运用正交小波变换研究了空间降水的尺度和振荡特征。1 9 9 6 年， v v e n c k p 和f o u f o u l a r g e g i o u s 用小波包理论对降水序列进行小波分解，识别其时 间一频率尺度，进而进行能量分解，为研究降水形成机制开辟了新途径。1 9 9 7 年， 4 第一章绪论 赵永龙等构造了混沌小波网络模型，对金沙江屏山站汛期日流量序列和长江宜昌 站汛期日流量序列进行了长期预测研究。小波分析理论和方法处于发展阶段，在 水文水资源中的应用才仅仅是开端，具有很大的应用潜力。 近年来，人工神经网络技术被广泛应用于水文水资源领域，主要用于降水预 报、径流预报、洪水预报、水质预测、水量预测、电力负荷需求预测等。李荣等 将神经网络理论用于河道水情预报的研究，建立了洪水预报非线性动力学模型， 能够识别水流运动变化过程与其影响因子之间的复杂非线性关系，为河道水情预 报提供了一条新的途径。马炼等以降雨量作为基本影响因子，建立了流域年径流 量的神经网络预报模型，模型具有较好的适应性和预报精度。胡江林等使用人工 神经网络建立的湖北省汛期总降水量的短期气候预测模式，为汛期降水的短期气 候预测提供了一种具有明显统计预报正技巧的预报方法。n k a r u a n i t h i 等基于上 下游测站的实测资料，对河道进行日流量预测，具有较好的效果。a b o n a f e 等也 以神经网络为工具进行了日均流量的预测。吴超羽等对年日均及洪水季节逐时流 量序列应用b p 网络进行预报，并与a r 等线性模型作了比较，认为预报长度增 加、精度提高。钟登华等建立了单输出和多输出的水文预报时间序列b p 模型， 对时段径流量和洪水出流量进行了较好预估。h r a m a n 以人工神经网络对印度某 库月人流过程作多因子模拟，与统计模型对比表明，神经网络模型优于识别出的 a r ( 2 ) 值。s p z h a n g 对b p 网络的输入量进行了离散化，研究了需水量预测。 k y l e e 对于水能规划、电力系统规划中的电力负荷需求预测问题，采用不同结 构的b p 网络进行了研究。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 主要研究内容 本论文以大清河流域为研究对象进行解剖，通过对流域内实测暴雨洪水资料 统计计算，分析流域产汇流特征变化趋势，具体研究内容分解如下： ( 1 ) 暴雨洪水的变化趋势分析 分别采用线性滑动平均和m a n n k e n d a l l 秩次相关检验等统计分析方法，对 不同典型区及控制站暴雨量和洪水总量以及洪峰流量等时间序列的变化特征，如 趋势、突变等进行分析。 ( 2 ) 代表区域流域产汇流特征分析 采用不同时期实测暴雨洪水资料、统计暴雨洪水关系变化特征，通过典型区 域降雨和洪水过程线分析径流组成、径流系数和地表径流所占比例的变化情况， 5 第一章绪论 统计分析汇流时间和洪峰滞时等反映流域汇流特性的参数，从而提出大清河流域 的产汇流特性变化规律。 1 3 2 技术路线 大清河流域面积4 3 0 6 0 k m 2 ，根据项目的研究内容，对流域4 个水文站的暴 雨洪水资料进行收集统计及对比分析，具体实施技术路线： ( 1 ) 收集1 9 5 6 - 2 0 0 5 年大清河水系研究区域内的所有雨量站和主要控制站 历年汛期实测暴雨资料和洪水资料； ( 2 ) 统计分析典型区不同时期、不同场次暴雨洪水，分割径流组成，计算 产汇流特征值； ( 3 ) 分别采用统计分析、线性滑动平均和m a n n k e n d a l l 秩次相关检验等方 法，分区域分析暴雨和洪峰流量、次洪量、径流系数、地表径流所占百分比等时 间序列的时间变化特征，从而提出大清河流域的产流特性变化规律； ( 4 ) 分别采用统计分析、线性滑动平均和m a n n k e n d a l l 秩次相关检验等方 法，分区域分析单位线峰值、单位线峰现时间及洪峰滞时等反映流域汇流特性参 数的变化情况，从而提出大清河流域的汇流特性变化规律。 第二章大清河流域典型区水文要素计算 第二章大清河流域典型区水文要素计算 2 1 大清河流域概况 2 2 1 地理特征 大清河系地处海河流域的中部，位于东经1 1 3 。3 9 1 1 7 。3 47 ，北纬3 8 0 l o 7 4 0 1 0 27 之间，西起太行山区，东至渤海湾，北界永定河，南临子牙河，长l o k m 以上的山区河道有9 条，呈扇形分布。流域面积4 3 0 6 0k m 2 ( 其中山区面积 1 8 6 5 9 k m 2 ，占4 3 3 ，平原面积2 4 4 0 1 k m 2 ，占5 6 7 ) ，流经山西、河北、北京 和天津四省( 市) 。大清河水系，主要水库有横山岭、口头、王快、西大洋、龙 门、安各庄等。上游分为南、北两支。 北支为白沟河水系，主要支流有南、北拒马河、小清河、琉璃河、中易水、 北易水等，其中拒马河最大，拒马河在张坊以下又分流为南、北拒马河，小清河、 北拒马河在东茨村流后称白沟河，南拒马河在北河店纳中易水后，在白沟镇与白 沟河汇流。白沟河与南拒马河在白沟镇汇合后，始称大清河。在此以下大部分洪 水由新盖房分洪道入东淀，少量经白沟引河入白洋淀。 南支为赵王河水系，主要支流有瀑河、漕河、府河、唐河、潴龙河等，其中 唐河及沙河较大，各河均汇入白洋淀。南支洪水经白洋淀调蓄后，由赵王新渠入 东淀。东淀以下分别经独流减河和海河干流入海。东淀、文安洼、贾口洼为大清 河中游洼淀，汛期用于缓洪蓄洪，减轻下游洪水威胁。 独流减河位于天津市区南侧，河道从第六埠开始经天津市西青、静海、大港 等三个区县至海口防潮闸，全长6 7 k m 。其左堤是保卫天津市防洪安全的南部防 线。东淀出口海河干流和独流减河为大清河入海尾闾，如图2 1 所示。 拒马河：源出涞源县西部、凤凰山东南麓，海拔2 0 8 6 m 。东流折向南流，流 域地势西北高，东南低，河道曲折，河槽宽浅。中、上游山地丘陵区支流发育。 唐河：源出山西省浑源县南部，泽青岭东麓。东流折向南流，经山西省灵丘 县红石汇入河北省境内，在河北省安新县注入白洋淀。多年平均流量为2 3 8 m 3 s 。 19 7 2 年在干流河道上建成西大洋水库，总库容量l0 8 亿m 3 ，灌溉面积6 4 6 6 7 k m 2 。 中、上游流经丘陵山区，支流发育。 沙河：又名大沙河，在河北省境内南流阜平、曲阳等县，至安平与安国两县 之间汇入磁河，在安新县入白洋淀。多年平均流量3 0 7 5m 3 s 。1 9 7 2 年在干流河 第二章太清河流域典型区水文要紊计算 道上建成王快水利枢纽，水库总库容量1 38 9 亿m 3 ，灌溉面积6 0 0k m 2 22 地质地貌 图2 - i 大清河流域简图 大清河流域地势由西北向东南倾斜地貌分山区和平原两大类；山区按高程 及地貌又分为中山区、低山区及丘陵三类。西部为中山区，海拔高程一般在i o o m 以上，北起沫水县来各庄、易县紫荆关、沫源县走马释，南到阜平县岔河以西。 包括涞源县全部，沫水、易县、满城顺平、唐县、阜平的西部深山区，总面积 6 7 9 0 5 k m 。该区最高山峰为阜平县歪头山海拔2 2 8 6 m 。中山区山体切割强烈， 山势高崆，河谷源切，支脉投育，并嵌有小型盆地和断裂谷地。涞澡盆地、卑平 盆地、东团堡盆地，走马盆地均位于谚区、中山区东南部是低山区和丘陵区呈 条带形。北起沫水，南至阜平，包括沫水、易县、徐水、满城、顺平、唐县、曲 阳、阜平的一部或大部地区，总面积4 1 9 76 k m 2 ，低山区坡缓谷宽，陆地发育， 有黄土覆盖。海拔高程除狼牙山为1 1 0 5 m 外一般在5 0 至1 0 0 m 之间。丘陵区 海拔般在5 0 至1 0 0 mz 间地形低缓起伏+ 向东南渐坡展为平原，井有孤山 圆丘突出地面。平原区系由大小不等的冲积扇构成其地形宛如蝶状，自北、西、 南三个方向，向东部白洋淀倾斜接其成因分山前洪积平原、冲积平原及洼淀区 三部分。京广铁路两侧盘山前洪积平原，约占总面积的2 6 。主要由拒马河、易 水、漕河、龙泉河、唐河、消河出山口后洪积物堆积而成水力切割，冲沟发育。 一般在海拔3 0 至i o o m 之间地面坡降为i 至4 0 。冲积平原系河流冲积扇前 部相连接而成，河流交叉处多分布有大小不等的洼地。上部主要是近代河流冲积 第二章大清河流域典型区水文要素计算 层，下部为倾状冲积层。地势平坦，海拔在1 0 至3 0 m 之间，地面坡降小于1 9 6 0 。 该区含市区全部，雄县、高阳、博野、蠡县的一部分，约占全市总面积的2 1 。 洼淀区位于平原东部，为白洋淀和周边低洼易涝区，海拔7 至l o m 。含安新全部， 高阳、清苑部分地区，约为总面积的3 3 。 本流域地下水为片麻岩的裂隙水，吴王口、炭灰铺两个构造盆地，含水层为 寒武系、奥陶系灰岩，其次为侏罗系火山岩，盆地内泉水较丰富，中部灵山盆地， 以岩溶水为主，其次是第四纪空隙水，中寒武系的厚层鲕状灰岩，是一良好含水 层，东部满城至易县为低山丘陵裂隙岩溶水，震旦系分布最广，是良好的含水层。 寒武系、奥陶系主要是白云质灰岩，均为良好的含水层，前者埋深2 0 - 、一5 0 m ，后 者埋深4 1 4 m ，第四纪松散地层内含有丰富的空隙潜水，埋深5 l o m 。 2 2 3 水文气象 大清河属于中温带半湿润气候亚区，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季气 候凉爽，冬季寒冷少雪，四季分明。气温自西北向东南递增，年均气温差距较大， 平原为1 2 7 ，山区为7 4 。1 月平均气温，平原为5 ，山区为1 2 。7 月 平均气温，平原为2 7 ，山区为2 2 。极端最低气温2 6 8 ，最高气温4 3 3 。 年日照时数较多，为2 6 0 0 - - 2 9 0 0 h 。 大清河流域多年平均年降水量为7 2 7 m m ，由西向东递增，在6 7 8 - - 7 5 9 m m 之间，最大年降水量为11 5 0 m m 。降水量年内分配不均，全年降水量大部分集中 在7 、8 月份，占全年的5 4 ，春季降水量较小，4 、5 月份占全年的1 2 。暴雨 主要由西方或西北方的冷空气和东南方太平洋的暖湿气流交替作用产生，其主要 类型有：气旋雨，出现次数较多，几乎每年出现，特点是降雨历时短、雨强大； 台风雨，出现的次数比气旋雨少，特点是雨强大；锋面雨，出现次数多，但降雨 强度小，一般为中到大雨，个别出现暴雨。 2 2 研究范围、分区及代表站 研究范围为第六堡以上大清河流域。根据流域特点和水文站点的控制情况和 雨量站点的分布情况，拟选择研究典型范围为大清河流域山丘区代表站。并根据 流域特点和水文站点的特性，而且由于资料有限，本文主要选用紫荆关、阜平、 龙门、漫水河四个水文控制站作为主要研究对象。 ( 1 ) 紫荆关位于大清河流域北支拒马河上游，该河发源于河北省涞源县境 内。上游石门以上为涞源盆地，石门至紫荆关之间为开阔谷地。流域内植被情况 较差，仅局部地区有小块成林，石门以上属黄土高原边缘的土石山区，因此河道 9 第二章大清河流域典型区水文要素计算 侵蚀严重，石门以下属石山区，表层岩石风化严重，水土流失现象较多。流域多 年平均降水量约6 5 0 m m 。流域内设有1 2 处雨量站，本次分析采用了斜山、艾河、 涞源、石门、东团堡、插箭岭、王安镇、紫荆关8 个雨量资料系列长、在流域上 分布较均匀的站。紫荆关水文站始建于1 9 4 9 年9 月，紫荆关以上流域面积 1 7 6 0 k m 2 ，主河道长8 1 5 k m ，河道纵坡5 5 。，流域平均宽度2 5 4 公里。洪水产 自汛期暴雨，洪水暴涨暴落，断面冲淤变化大，水位流量关系较不稳定。实测最 高水位5 2 3 2 0 m ，最大洪峰流量为4 4 9 0 m 3 s ( 1 9 6 3 年) ；最大年雨量1 4 6 3 6 m m ( 1 9 5 6 年) ，多年平均雨量约6 5 0 m m 。如图2 2 所示。 ( 2 ) 阜平位于大清河南支沙河支流上，沙河发源于山西省灵邱县孤山。阜 平以上一般为深山区，河道纵坡平均为5 3 9 6 0 ，两岸皆为岩石，几乎无台地，植 被情况较差局部有小块成林。阜平以上流域控制面积2 2 1 0 k m 2 ，其中山西省面积 1 2 2 7 k m 2 ，处于背风坡，降水量偏少，河北省面积1 0 8 3 k m 2 ，为迎风坡和暴雨中 心多发地区，降水量偏大，流域多年平均降雨量约6 0 0 m m 。阜平水文站设立于 1 9 5 8 年6 月，实测最高水位2 5 4 1 0 m ，最大洪峰流量3 3 8 0 m 3 s ( 1 9 6 3 年) ；庄旺、 下庄、冉庄、不老台、沙窝、龙泉关、桥南沟、阜平8 个雨量资料系列长、在流 域上分布较均匀的站。如图2 3 所示。 ( 3 ) 龙门位于大清河水系漕河中游，控制面积4 7 0k m 2 ，占漕河总面积的 5 9 。漕河发源于涞源县境内五回岭( 北支) 及青石岭( 南支) 。流域属太行山 北段东麓低山丘陵区，上游在西角及旺家台以上为花岗岩，以下为石灰岩，风化 较轻，植被较差。龙门水库于1 9 5 9 年6 月设站，流域以上共设有雨量站5 处， 为七峪、坡仓、毛尔岩、裴庄、龙f - j t j 弋库。流域多年平均降水量为6 0 0 m m ，水 库反推最大入库流量为1 9 6 3 年8 月8 日3 7 9 0 m 3 s 。如图2 4 所示。 ( 4 ) 漫水河地处大别山腹地深山区，属亚热带气候，境内山峦重叠，河流 纵横，地形地貌复杂。漫水河水文站位于北京市房山区河北镇磁家务村，是海河 流域大清河水系大石河上唯一的水文站，所有雨量站全部处于深山区。大石河发 源于房山区霞云岭乡堂上村，境内干流长1 0 8 公里。大石河境内流域面积1 2 4 3 4 k m 2 ，其中漫水河以上山区流域面积6 6 0k m 2 。流域内多年平均年降雨量7 0 0 m m 左右，多年平均天然年径流量9 5 7 0 万m 3 ，枯水年天然年径流量4 7 8 5 万m 3 。如 图2 5 所示。 1 0 第二章大清河流域典型区水文要素计算 图2 - 2 紫荆关以上流域图图2 3 阜平以上流域图 图2 - 4 龙门以上流域图 2 3 径流成分划分 图2 5 漫水河以上流域图 通过对流量过程线的分割可以割去非本次降雨形成的径流，求出一次洪水的 径流总量。另外，由于补给河川径流的各种水源流速不同，导致汇流历时不同， 其中坡面流及大部分壤中流雨后很快汇至出口断面，形成次洪径流过程q t 的主 体部分。地下径流则汇流时间较长，并常常延续至后继洪水的径流过程，可见， 划分q t 过程主要是延伸至地下径流的退水段。同时，由于流速不同，汇流计算 中的需要划分水源，通常把汇流速度相近的地面径流和壤中流划分在一起，称为 直接径流。因此，在进行流量过程线的分割，求得次洪径流总量之后，把流量过 程分为直接径流仍和地下径流q 两个部分。 目前，分割径流的方法多种多样，归纳起来，主要有三种：直线切割法( 也 叫斜线分割法) 、目估作图法和退水曲线法【lo 】。直线切割法主要是由流量过程线 上起涨点作水平线与退水曲线上目估出来的转折点的连线，连线以下为地下径 流；目估作图法，考虑洪水期地下水与河水间的水力联系，根据经验资料确定过 程线上洪峰后n 天的位置，作该点与起涨点的连线；退水曲线法由流量过程线 第二章大清河流域典型区水文要素计算 两端延展退水曲线，并认定地下径流极大值出现时刻与河流洪峰流量的时刻相 近。本文采用斜线分割、法【1 l 】。 2 3 1 划分方法 流量过程线的分割及不同水源的划分常采用退水曲线。退水曲线可采用如下 的指数消退方程来描述： - - t q ( t ) = q ( 0 ) 木e ( 2 一1 ) 式中：q ( ) 和q ( 0 ) 为退水曲线上相隔t 时间始、末的流量。x 。为蓄泄系数。 蓄泄系数k 。的值大表示地下水退水慢，反之则快。k 。可以利用退水曲线来确定， 取退水曲线的下切线，该切线就反映了流域的地下水退水规律。由式( 2 1 ) 有： k 。：竺一 ( 2 2 ) 3 i n q ( t ) 一i n q ( t + a t ) 确定了k 。后，具体水源划分过程如图2 2 所示。口，c 两点均处于地下水退水 阶段，则可以分别以这两点的流量作为地下水退水曲线，按照标准地下水退水曲 线作为各自的地下水退水曲线，这样图中阴影部分的面积即为次降雨所产生总径 流量r ，其计算公式如下： 尺= 等( 之q 出般。( q q ) ) ( 2 3 ) f 、j 5 7 把次洪径流总量分割为直接径流幺和地下径流绞两个部分，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 次洪总径流分割过程 1 2 瑚 鲫 姗 枷 | 善 抛 啪 。 第二章大清河流域典型区水文要素计算 _ - _ - - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ i 。_ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - - i _ 。_ _ _ - _ _ i _ _ _ _ - - _ - _ - i _ _ l l - 。_ _ - _ _ _ _ 一 2 3 2 划分结果 从紫荆关、阜平、龙门、漫水河四个水文控制站1 9 5 3 - - - 2 0 0 5 年暴雨洪水资 料中，选取若干年的降雨径流资料，对其径流过程进行分割，分割结果如表2 - 1 所示。 表2 1 大清河流域径流划分统计表 紫荆关阜平龙门 漫水河 荔(蓑ram嘉)茎垂零藿嘉茎至琴差薰(袭ram磊)rain 1 2 ：1 j d ( r a m ) 琴差m m 蠢薹至琴 () 斗( m m ) 。( 姗)w 。( ) ( 姗) w 。 1 9 5 3 1 9 5 4 - 1 9 5 5 1 9 5 69 1 4 34 2 1 26 8 1 9 5 7 9 0 21 6 5 43 5 一一一一3 4 2 l5 8 2 4 3 7 1 9 5 89 0 32 9 1 17 61 1 8 19 2 85 6 1 9 5 93 6 8 56 6 1 4 3 67 1 5 08 1 4 44 7 1 9 6 02 8 02 8 05 01 2 58 4 91 3 2 6 9 24 7 7 33 6 5 1 4 77 8 3 44 0 一1 7 5 11 7 0 95 l 一2 0 28 7 21 9 一 1 3 0 81 2 4 25 1 0 7 4 2 1 72 5 1 9 6 l7 3 2 2 7 47 31 8 51 1 2 01 4l o 2 97 5 9 5 8 1 9 6 29 5 9 9 4 85 0o 3 73 0 2111 6 0 411 2 75 91 4 9 1 6 3 47 0 1 9 6 31 5 1 57 7 0 9 6 64 9 1 91 3 3 22 75 4 4 91 8 3 87 55 3 8 77 3 2 4 4 2 1 9 6 44 4 9 61 5 5 1 7 44 7 3 25 5 7 14 68 9 0 92 6 3 17 73 0 8 05 7 3 3 3 5 1 9 6 51 2 8 75 2 4 7 1 o 4 2 o 3 45 5i 2 30 4 27 51 0 31 0 25 0 1 9 6 65 7 61 3 48 14 9 01 5 5 0 2 41 5 5 21