沙漠前沿出流河水利计算方法研究

王喜波，江行久

（1.辽宁省阜新县水资源管理办公室，辽宁阜新123100；2.辽宁省水文水资源勘测局阜新分局，辽宁阜新123000）

1 研究区域概况

科尔沁沙地西高东低,西部内蒙古奈曼旗附近高程达到400m左右，东部散都附近仅180m左右。自新生代以来,经历了一个漫长的堆积过程,普遍发育着堆积地型，区内遍布高低起伏的沙丘、沙垄地形。沙丘中风蚀坑和风蚀洼地发育甚多，低山丘顶一般5～15m，最高不超过20m，形成许多的封闭性的水文小循环体。沙丘植被一般以沙篙和牧草为主，占植被面积的70%～95%。沙丘多呈半固定状态，区域内树木较少，少部分由于植被发育而形成固定沙丘，大部分形成流动沙丘，其形态多为不规则的新月形。多个沙丘之间呈现为波状平原，平坦沙地风积砂的厚度一般小于2.0m，表部0.3～0.5m厚度内已壤成沙土，牧草和农作物生长茂盛。丘间洼地，泡沼水深在0.1～4.0m之间。

区域内第四纪极其发育，分布面积广，厚度大。由风积、湖沼堆积、冲积、冲湖积叠加而形成巨厚松散堆积层。第四纪早期至晚期连续沉积特点表现明显，据勘查[2]，厚度在50～100m以上，最大厚度达150m以上。第四纪沉积物岩性以砂类为主，其中大部分为细砂、中细砂、粉细砂，部分为细中砂、细粉砂和粉砂；亚砂土、亚粘土、粉土质、粉砂及淤泥质一般均在夹层出现。

沙丘区主要地貌特征是风成沙丘、坨间洼地间隔分布。既有封闭的坨甸，地势低洼平坦，潜水面很浅，低洼处形成大小不一的水泡；也有沟谷深切形成的沙漠开放地带，发育小型出流河。据不完全统计，仅彰北沙丘前沿地下水开放区，有大小出流河20多条，长年流水，流量可观。主要有柳河、养息牧河、秀水河3条河流，区域内，柳河面积为309.6km2、养息牧河面积为875.2km2、秀水河面积为222.2km2、大清沟河面积为 196km2。

考虑到人类活动影响、试验站建设等因素，本文选择大清沟小流域作为研究代表区域。研究区域内设有大清沟林场、苏家戈、八门套海、大清沟4个雨量站和小清沟、内蒙大清沟、辽宁大清沟3个水文站，下游有大清沟水库。

2 产流特点

研究区域内降雨后首先在河沟水面上全部产生径流；其次在与河沟紧连的坡脚、凹坡或洼潭产生径流，这些区域一般土层薄，地下水埋深浅，土壤湿度大，容易产生饱和坡面流，这个饱和坡面流的面积随着降雨量的增加不断向蓄水容量不大的地区延伸；再次就是沟槽内的超渗坡面流；其它流域面积由于沙丘下渗能力大，地下水较深，一般不产生地面径流，下渗水量大范围的补给地下水库，参与多年调节，本次降雨径流过程不能反映出来。因此，研究区的基本产流特性是部分面积产生地面径流的概念。

根据新安江模型的定义，次降雨产流面积的变化可以通过调整模型的参数来协调适应，因此次降雨径流的模拟得到了较好的应用。而地下水库的巨大调节作用，使日模型参数调整变得迟钝，反映出的结果就是日流量模型不能得到较好的模拟[1]。

3 产流面积的动态性

计算大、小清沟1980～2005年间的主要洪水的降雨径流系数，如表1所示。

表1 大小清沟降雨径流关系表

表1中除小清沟1981年6月8-9日雨量极不均匀，八门套海站104mm，其他站雨量均不大，使径流系数偏大，其他年份径流系数均在0.013～0.019之间，径流系数变化不大。如果地表径流基本发生在沟槽面积内，并且把数量很小的超渗坡面流概化到饱和坡面流中，则河沟水面和坡脚饱和坡面的降雨都会产生径流，这时，径流系数就是产流面积权重。就是说，表1中100mm以下的降雨量，其产流面积只不过是总流域面积的1%～2%而已，并且主要发生在河沟水面及两旁的坡脚，并随降雨量的增大向两旁延伸。这说明地表产流面积也是不固定的，它随着降雨条件的不同而不同，但不会达到整个流域。由于没有更大降雨径流资料，在设计暴雨情况下，可根据表中的径流系数（产流面积）适当外延。

4 汇流及洪水过程特点

降雨径流部分面积产流的特性，决定了部分面积汇流的特点。现选大清沟站降雨量最大的1984年8月10日的降雨径流资料分析其单位线。

从表 1可知：产流面积=94×0.0197=1.85km2。

1）产流面积上的径流深R=20.09万m3/1.85km2=108mm，即流域平均雨量108mm在产流面积1.85km2上全部产生了径流。原因是：河沟水面全部产生径流；紧靠河沟的坡脚地带，开始要有部分雨水抬高地下水位（坡脚包气带湿润，无需润湿包气带的雨水），然后产生饱和坡面流，雨停后退水阶段这部分抬高地下水位的雨水很快流出来参与退水过程。

2）大清沟的地面径流过程线和24h 10mm单位线如图 1，2所示。

图1 1984年8月大清沟站地面径流过程线

图2 大清沟1984年8月地面径流24h单位线

3）最后加上地下径流（基流）0.8m3/s。

在设计情况下，产流面积适当扩大，单位线纵坐标和底长也适当按比例扩大，使单位线包围的面积等于扩大的产流面积上10mm的总水量。如是2d和3d的雨量，按24h单位线错后时段叠加。

5 大清沟水库设计洪水计算

5.1 百年一遇设计洪水推求

1）求P=1%的设计暴雨量：

2）求产流面积：根据上述的产流面积分析，降雨量100mm左右径流系数（产流面积）为2%，192mm的降雨量其产流面积采用集水面积的4%，即F产=F×4%=222×4%=8.88km2。

3）计算单位线纵高扩大倍数：用大清沟站24h10mm单位线求大清沟水库单位线；水库单位线纵标与大清沟站单位线纵标和之比：

4）绘制洪水过程线：将大清沟站24h10mm（1.85km2）单位线各站点纵标扩大4.80倍，绘制出大清沟水库8.88km2单位线，按设计降雨192mm（即净雨）推求设计洪水过程（见图2），其峰值为 25.85m3/s，其中基流为 1.15m3/s。洪量 W=R×F+基流量=192×8.88+108×1.15=215.2万 m3。

图2 不同面积设计洪水过程

5.2 千年一遇设计洪水推求

2）F产=222×5%=11.1km2。

3）单位线纵坐标扩大倍数：

4）P=0.1%洪水过程线（见图 3）：其峰值为 45.1m3/s，其流量为 1.15m3/s。 洪量计算：W=273×11.1+108×1.15=347.7万 m3。

6 结 语

目前国内外还没有一个成型的结论和确定的模型来描述沙丘前沿区的降雨径流规律。这是由于沙丘前沿区产汇流机制的不确定性，水文地质结构和下垫面条件的复杂性决定的。

图3 不同面积24h单位线

本文对研究区域的产汇流机制进行了分析，着重分析了沙丘前沿区流域产汇流的特点，确定了地表产流面积随着降雨量不同而发生变化的规律，分析出了基于沙丘前沿区的洪水特点和设计洪水的计算方法。其成果对沙丘出流河的产流面积动态变化的特点及规律可以应用于相似流域，并在本区域的水文水利计算中了有较好的应用。

[1]张国辉，江行久.利用新安江模型模拟沙丘前沿区降雨径流规律[G].第五届中国水论坛，2008（1）：758～761.

[2]江行久.彰北沙丘前沿区水文水资源监测与研究[M].2007（6）.