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径流试验场模拟降雨的地面径流计算方法探讨

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第28卷第6期 2008年12月 水文 JOURNAL OF CHINA HYDROLOGY V01.28 No.6 Dec一20o8 径流试验场模拟降雨的地面径流计算方法探讨 李金柱 (山西省水文水资源勘测局太谷均衡实验站,山西 太谷摘030800) 要:采用人工模拟降雨的方法,在山西太谷均衡实验站野外径流试验场上,对平原区地面产流机制进行了试验与研 究。本文就平原区地面径流的计算方法进行了探讨,利用径流系数法将人工模拟均匀降雨的试验结果应用于人工模拟 非均匀降雨和天然降雨的地面径流计算,取得了较好效果。 关键词:平原区;径流系数法;径流量 中图分类号:P332.1 文献标识码:A 文章编号:IO0—0852(2oo8106—0038—04 1 人工模拟均匀降雨径流系数的变化特征 降雨径流系数通常指特定流域特定时段的径流量与降雨量 的比值。一般有年、月、日径流系数,有地面水、地下水径流系数, 还有次雨径流系数等。一次降雨形成的地面径流过程可以通过 径流系数随时间的变化即时段径流系数来反映。就平原区均匀 降雨11]而言,通过在径流试验场人工模拟均匀降雨试验,在给定 降雨强度条件下,当降雨历时足够长时,降雨形成的地面径流过 程一般由涨水段、稳定段、退水段三部分组成,其时段径流系数 的变化特征由涨水段径流系数和稳定段径流系数决定。由于均 匀降雨,降雨强度不变,时段径流系数仅随下垫面含水条件[2-3] 的变化而变化,当下垫面一定厚度土层的含水量达到饱和时,时 呈线性关系 例 关系可表示为: (1) 式中:i为雨强(mm/min);A、B为与降雨前期下垫面条件以及降 雨历时有关的回归系数。 当下垫面条件发生变化时,系数A、 与降雨历t时有很好 的数学关系,见图2~图5,相应的回归方程见式(2)-式(5)。 可见,降雨是否产流,与下垫面条件、降雨强度、降雨历时 有关,系数A、曰的变化反映降雨径流是一个多因素影响的复 杂过程。在土壤剖面平均含水量较小即饱和度纰≤0.70时,径 流系数与时间的函数关系为高次多项式;在土壤剖面平均含 水量较大即饱和度OJo>O.70时,径流系数与时间的函数关系为 1.O 段径流 达到最大值,并保持相对稳定,时段径流系数达到稳 定径流系数即给定降雨强度的最大径流系数。因此,均匀降雨的 0.8 0.6 0.4 0.2 O.O 0.0 时段径流系数取决于雨强以及下垫面的含水条件。 1.1时段径流系数 时段径流系数是指在径流过程中,某一时段的径流量与这 个时段的降雨量的比值。通过对人工模拟均匀降雨试验结果统 计分析,时段径流系数的动态特征表现为:在相同下垫面条件 0.5 1.0 1.5 2.O 2.5 3.O 3.5 下,不同强度而相等历时降雨的时段径流系数与降雨强度基本 A 0.4 0.3 图1 相同下垫面条件下时段径流系数与降雨强度关系图 0.2 0.1 0 炳 ,, 0.2 0.1 — 0.1 L0.2 0.3 lo0 l 0 —√ 图2 0.44 ̄<too<0.60时A、 与降雨历时的关系 A=一1.7xlO一 +8.59x10一 ors_1.75 ̄10_7z +1.82 ̄104t3—0.00It2+0.0264t一0.0376 R2=0.9998 B=3.09xlO一 6_l_52x10 ̄t +2.99x10 ̄4_2.97x10 ̄。+O.o015n2-0.0305t R2:1 (2) 收稿日期:2007—11—26 作者简介:李金柱(1964一),男,山西太谷人,高级工程师,主要从事水均衡实验研究。 第6期 李金柱:径流试验场模拟降雨的地面径流计算方法探讨 39 0.3 O.2 0.1 0 O 50 l OO 1 50 0 图3 0.60<tao ̄0.70时A、B与降雨历时的关系 A=6.66x10一 一2.94x10— ^4.76xlO 一0.0o033如2+0.0083t+0.1615 R2=o.9802 =--4.29xlO-lot +1.62x10-Tp一2.19xlO--St3+0.O01217—0.O165t R2=0.9752 (3) 0.8 O.3 O O O O 0 O O O.6 O.2 0.4 0.1 O.2 0 O 0 5O 1OO l 5O 0.2 l o// // , l t(rmn) 50 100 1 1 O 图4 0.70<a ̄<0.75时A、占与降雨历时的关系 A:一0.0583Ln(t)+0.3751 B=0.25160Ln(t)一0.5656 R_Z=0.984 乙0.9497 (4) O.3 O.5 0.4 0.2 0.3 O.1 0.2 0.1 O 0 50 0 1 00 15O 0 50 1 00 1 50 图5 n O.75时A、B与降雨历时的关系 A=-0.0492Ln(t)+0.4257 B=0.1864Ln(t)-O.4498 RZ_=0.9968 R2=O.981 (5) 自然对数。 1.2给定降雨强度的最大径流系数, 1 0.8 O.6 O.4 0.2 0 试验结果表明,在给定降雨强度条件下,当 — >O时,随着 持续不断的降雨,地表径流量一定会出现一个最大值,并基本 稳定于此值,此时的径流强度与降雨强度的比值最大,这个比 值称为给定降雨强度的最大径流系数。给定降雨强度的最大径 流系数是时段径流系数的特例,是下垫面计算土层土壤含水量 达到饱和时的时段径流系数。经分析,给定降雨强度的最大径 流系数与降雨强度具有很好的函数关系(见图6),回归方程及 系数见式(6)。 0 1 2 3 4 图6给定降雨强度的最大径流系数与降雨强度关系曲线 r==-0.041 l 6+O.4855i5—2.2753i4+5.3841i3—6.7853产+4.4141i一0.3938 R2:0.999 (6) 水文 第28卷 2径流系数法及其应用 径流系数法是在产流机理分析的基础上,根据前期下垫面 条件相同,降雨特性相同,径流结果相同的原理,将模拟均匀降 雨试验所得的时段径流系数和给定降雨强度的最大径流系数 的变化规律应用于非均匀降雨,进而计算非均匀降雨径流量的 方法。 径流系数法须首先将非均匀降雨过程概化为有限个均匀 降雨强度的时段降雨,充分利用降雨强度和下垫面条件一定 时,时段径流系数和给定降雨强度的最大径流系数是两个相对 不变数的特点,有机地将均匀降雨与非均匀降雨联系起来。然 后根据非均匀降雨的前期条件和概化雨强、概化历时,利用均 匀降雨的试验结果,逐时段计算概化雨强对应时段径流系数、 径流量。并以时段降雨前的土壤饱和度为控制条件,判断是否 发生稳定径流。如本时段末土壤达到饱和,按照降雨产流机理, 本时段后凡满足形成径流的时段降雨均形成稳定径流,此时, 径流量按给定降雨强度的最大径流系数计算。总径流量等于各 时段径流量之和。经概化的非均匀降雨时段雨强发生径流的条 件是:①时段雨强大于土壤饱和渗透率。即i/K:>1时,有可能形 成径流;i/K,<1时,一定无径流形成。②计算的时段径流系数大 于零时一定有径流形成。当B<0且 ≤ 时,该时段的降雨不 可能形成径流。③在已形成径流的前提下,土壤饱和度大于或 等于1是发生稳定径流的充要条件。 2.1 计算步骤 (1)概化降雨过程 由于天然降雨一般都是非均匀降雨,而径流系数法要求时 段内雨强均匀,因此,首先应对降雨进行均化处理,将降雨过程 概化为短历时、均雨强的时段降雨。概化方法: ④趋势直线概化法。在累积降雨量和降雨历时的直角坐标 系中,绘制累积降雨量过程线,当累积降雨量过程线为一直线 时,该降雨过程为稳定降雨过程,平均降雨强度为: 旦 (7)t ● 式中: 为时段雨强(mm/min);P为时段降雨(mm);t为时段长 (min)。 当累积降雨量过程线由多条趋势直线分段连接组成,则 分段计算各时段平均降雨强度: (|j}): ( :1,2 3…) (8) 式中: ( )为第k时段平均降雨强度(mm/min);P(k)为第k时 段降雨量(mm);£( )为第k时段降雨历时(min)。 ②定时段概化法。实际降雨过程一般为迹线式或定时数字 式自动半自动记录仪记录,可固定时段用式(8)分别计算各时 段平均降雨强度(选择迹线式记录仪的时间最小刻度为 10rain)。 (2)根据次雨前期土壤含水资料计算次雨前期土壤饱和 度  ̄ao=OdO, (9) 式中: 为次雨前期土壤饱和度;0o为次雨前期土壤平均含水量 (%); 为土壤饱和含水量(%)。 (3)计算时段径流量 当时段内 ( ),K<1,该时段内无径流,时段降雨将全部渗入 土壤。 当时段内 ( )/K,>I时,根据时段降雨前期土壤饱和度 .., 选择径流系数计算公式。若C.Ok_。<1,计算土层还未饱和,根据 ̄Ok-- 的大小,从式(2)~式(6)中选择计算公式,计算系数A、B,并用式 (1)计算径流系数’,(.i});如果,,(Jj})>0则本时段径流量Q(k)-P (k)×’,(J});否则本时段内无径流。若 一。≥1,计算土层已经饱和, 属于稳定段径流,按式(6)计算径流系数r(k),本时段径流量 Q(k)=P(|I})×r( )。 (4)根据时段降雨径流情况计算第k时段末土壤饱和度 + (10) 式中: 为第k时段末的土壤饱和度;tok一。为第J}一l时段末的土 壤饱和度;P(Ji})为第k时段的降雨量(mm);Q( )为第k时段的 径流量(mm);Z为计算含水量的土层厚度(mm)。 (5)重复第(3)、(4)步,直至完成所有降雨时段的计算。 (6)总径流量 9: (P(k)xg+(k))+ (P(k)×r( )) (11) 2_2计算实例 (1)人工模拟非均匀降雨的径流计算 人工非均匀降雨试验,分为变强度连续降雨和间歇降雨两 种过程,采用径流系数法计算的径流量与实测径流量比较结果 见表1。 (2)天然降雨的径流计算 2000年6月19日15时5O分-17时20分的降雨,总降雨 量35.7mm,降雨总历时90min,平均雨强0.40mm/min。实测径流 量16.5mm。此次降雨属突发型降雨被概化为6个时段降雨,第 一时段降雨强度达1.91mm/min,历时10min,其他时段降雨强度 逐渐减小。降雨过程概化结果见图7。 由概化结果可知,该次降雨只有前3个时段满足形成径流 的第①条件,经计算三个时段也满足形成径流的第②条件,且第 2、3时段满足形成径流的第③条件。径流系数法计算径流结果见 表2。计算径流量14.7mm,与实测径流量16.5mm相比,误差 1.8mm,相对误差10.9%。 2001年7月26日19时57分-28日6时0o分的降雨,总 降雨量65.6ram,降雨总历时2043min,平均雨强0.03mm/min,实 测径流量3.2mm。此次降雨属峰值型降雨,出现了三个雨峰,被 概化为31个时段降雨,第一降雨峰出现在第9时段降雨强度 0.18mm/min,历时28min。第二降雨峰出现在第12时段降雨强度 0.26mm/min,历时10min。第三降雨峰出现在第15、16时段降雨 强度分别为0.20mm/min、0.19mm/min,历时均为20rain。降雨过 第6期 李金柱:径流试验场模拟降雨的地面径流计算方法探讨 41 衰1 模拟非均匀降雨计算径流量与实铡径流量比较襄 降雨过程 雨前平均 编号 土壤含水量(%) 2o【)4101214 291 .雨型 总历时 (rain) 75 ll0 降雨强度 (mm/mln) 1.5O 0.56 雨量 (mm) 60.O 33.6 计算径流深 (mm) 45.4 l8.4 实测径流深 (ram) 50-37 相对误差 (%) 9.9 降雨5min 间歇5airn 2OO4lOl3O8 291 .降雨lOmin 间歇lOmin 2O.4 98 .2OO4lOl408 28-3 降雨5rain 间歇5min 75 3-37 0.58、0I99、 1348 .lo9.7 122.2 10.2 20o4101808 26.1 30min等时连续 12O 1.58、1.O0 l24.5 9lI2 98.2 7.1 0.51、1.40、 20o4lo2O14 28.2 5rain等时连续 35 3.20、1.50、 2.43、3.04、 68.8 56.8 58.5 2.9 1.67 2OO4lO2209 平均 28.4 30rain等时连续 90 0.64、1.O1、 l-47 93.6 68.2 4.695 66.8 69.41 —2.1 6.4 表2 2000061915次降雨径漉计算衰 2.5 2.o 1.5 1.o 时 径 段 雨量 历时 雨强 i(k),KJ 径流系数 流 量 O.5 0.0 k P( ) t(k) 10 2 0 3 2 40 60 90 (mm) (rmn1 (nurgmin) i(k) 墨=0.106 rOo--O.45 ’, r 口 (咖) 4.5 图7 2000061915次降雨过程概化图 i(mm/min) o.30 O.25 o.20 l l9.1 10 1.9l >l >l 0.235 777 2 l0.1 10 1.O1 >l >l D.788 95l 8.O 3 4.2 4 o_7 5 0.4 63 156 29O 423 519 603 873 l018 1315 1693 2043 12 8 20 30 O-35 0.o9 o.02 D_4 0>l >1 0.519 Il 2.2 O.15 0.1o o.o5 o.oo 6 1.2 图8 2001072619次降雨过程概化图 三 35.7 90 14.7 裹3 2001 07261 9次降雨过程概化表 时段 雨量(ram) l O-3 2 0.4 3 0 4 0.2 5 0.8 6 4 7 3.3 8 5 9 4.9 10 4-4 l1 2.9 历时(rain) 雨强(ram/rain) 时段 63 O l2 50 0.Ol 13 28 0 14 15 o.0l l5 2 o.03 l6 44 0.09 l7 63 O.o5 l8 43 O.12 19 28 0.18 2O 62 0.07 2l 20 o.14 22 雨量(mm) 历时(rain) 2.6 l0 9.9 66 5.8 44 4.1 20 3.8 20 2.1 40 2.6 l70 0.6 6o 0.9 27 2.2 63 1.5 55 雨强(mm/min) 时段 雨量(IT-II1) 历时(rain) 雨强(mndmin) O.26 23 O 230 0 0.15 24 O-2 l5 O.Ol 0.13 25 0 52 O O.2 26 O.9 42 O.o2 0.19 27 1.1 46 0.o2 O.05 28 O 290 O O.o2 29 OI2 l85 0 O.0l 30 O.8 45 0.o2 0.03 3l O.1 12O 0 O.o3 0.03 (下转第32页) 32 水文 研究【J】.水利学报,2005,36(1 1):1335-1340. 第28卷 次年的泉流量也有影响。同时,通过逐步回归的方法对泉流量进 行模拟得出,考虑降水入渗补给滞时的模型不管是在泉流量与 其影响因子之间的相关程度方面,还是在模型模拟精度方面都 【4】李砚阁,杨昌兵,耿雷华,等.北方岩溶大泉流量动态模拟及其管理叨. 水科学进展,1998,9(3):275—281. 要优于不考虑降水入渗补给滞时的模型。分别运用考虑和不考 虑降水入渗补给滞时的模型进行泉流量预测,其结果表明考虑 【5]邓安利.辛安泉流量衰减成因分析及泉流量预测阴.水资源保护, 2007,23(3):48-51. [6】曹建生,刘昌明,张万军.“岩土二元结构”小流域降雨入渗补给地下 降水入渗补给滞时的模型精度较高,与实际符合较好。此外,通 过逐步回归的方法还能够分清不同阶段模拟对象与影响因子之 水裂隙潜流过程初步研究[J】.自然科学进展,2005,15(6):759—763. 间的主次关系。 【7]王艳秋,孙继彬.用时间序列逐步回归分析预报枯水期地下水位埋深 参考文献: 【J].东北水利水电,2005,22(25o):24—29. 【1】范钟秀.中长期水文预报【M】.南京:河海大学出版社,1999,58—69. 【8】赵长森,沈冰,董宝恩,等.和田子项目区地下水水化学分析及利用对 【2】汤成友,郭丽娟,王瑞_水文时间序列逐步回归随机组合预测模型及 策IJ】.水资源与水工程学报,2004,15(3):28-31. 其应用【JJ.水利水电技术,2007,38(6):1-4. 【9】葛朝霞,顾月红,曹丽青,等.海温和气象因子对洪家渡水电站月径流 【3】曹建生,刘昌明,张万军,等.典型小流域裂隙岩体渗流补给特征试验 量的影响【J].河海大学学报(自然科学版),2006,34(6):6o6—609・ Determination of Precipitation Recharge Lag Time: Application in Spring Flow Simulation and Prediction JI Ye—fei,ZOU Jing,GU Jin,ZHANG Wei (College ofHydrology and WaterResources,Hohai University,Nanjing 210098,China) Abstract:Due to the regulation and storage of karstic aquifer system,precipitation infiltration recharge for spring has obvious lag time, which depends on the specific hydrogeological condition.Jinan spring area was taken as an example that the lag time was determined as one year with stepwise regression method.That is to say,not only current year precipitation contributes to the spring flow,but also the previous one.The corresponding model of spring flow simulation and prediction was developed,in which a good precision WaS obmined. hTe result shows that the precision of spring simulation and prediction model,which takes precipitation infiltration recharge lag time into account,is better than the one leaving precipitation recharge lag time out of account. Key words:stepwise regression;precipitation infiltration recharge lag time;simulation and prediction of spring flow;Jinan spring area (上接第41页) 表4 2001072619次降雨径流计算表 程概化结果见表3、图8。 时 径 经计算分析,该次降雨只有8个时段满足形成径流的第① 段 雨量 历时 雨强 ( ), 径流系数 流 量 条件,分别为第8、9、1l、12、13、l4、l5、l6时段;其中只有4个时 k P( ) t(k) ( ) =Q 段满足形成径流的第②条件,分别为第13、l4、15、l6时段;第 (Im) (min) (mm/min) O.106 Wo=0.55 (mm) 14、15、16时段同时满足了形成径流的第③条件。径流系数法计 8 5.0 43 O.12 >1 <O 9 4.9 28 O.18 >1 <O 算径流结果见表4。计算径流量为3.4mm,与实测径流量3.2mm l0 4.4 62 0.07 <l 相比,误差0.2mm。相对误差一6.3%。 l1 2.9 2O 0.14 >1 <O l2 2.6 1O 0.26 >l >l <O 3结论 l3 9.9 66 O.15 >l >l O.o91 894 O.9 14 5.8 44 O.13 >l >l 0.081 82 O.5 l5 4.1 20 0.2 >1 >1 0.268 47 1.1 均匀降雨径流特征明显,其径流系数的变化规律充分揭示 16 3.8 20 0.19 >l >l O.234 01 O.9 了降雨前期条件、降雨特性对径流的影响。利用前期条件相同、 3.4 降雨特性相同,径流结果相同这一产流机理,有机的将均匀降雨 1999,10(3):311-318. 与非均匀降雨联系起来,采用径流系数法对有实测资料的非均 【3】杨文智,邵明安.黄土高原土壤水分研究【M】.北京:科学出版社,2000. 匀降雨模拟径流计算,取得了较好效果。径流系数法似可应用于 【4】汪慧帧,李.北京城区雨水径流及控制啊.城市环境与城市生态, 平原区天然降雨地面径流的计算与分析。 2002,15(2):16一l8. 参考文献: 【5】郭廷辅,段巧辅.径流理论是水土保持的精髓[EB/OL].2004- 【1]章文波,付金生.不同类型雨量资料估算降雨侵蚀力【J】.资源科学, 04-23. 2003,25(1):35—41. 【6】李栋梁,张佳丽,金建瑞,等.黄河上游径流量演变特征及成因研究 【2]雷志栋,胡和平,杨诗秀.土壤水研究进展与评述[J】.水科学进展, 【J】.水科学进展,1998,9(1):22-28. 

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