（水文学及水资源专业论文）济南小清河流域产汇流计算方法研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 流域的产汇流计算是进行水文预报和洪水调度的重要依据。由于自然界产汇 流机制本身就十分复杂，人类活动的影响又增加了这种复杂性。所以，产汇流计 算的优劣取决于计算过程的难易程度及其计算结果的准确与否。 以济南市小清河为例系统研究了降雨径流相关法和改进的s c s 模型在产汇 流计算中的应用。在s c s 模型的基础上，对其参数进行重新率定。产流方面： 应用s c s 模型产流结构，通过对济南市小清河流域的1 9 9 7 - 2 0 0 4 年雨洪资料的 分析，对初损厶和次降雨前流域的可能滞留量s 的关系进行了自动选优；率定了 计算s 经验公式的参数。汇流方面：在s c s 模型汇流结构基础上，结合济南小 清河流域雨洪资料，选定了暴雨中心位于流域不同位置的典型雨洪过程，综合确 定汇流模型参数和s c s 汇流无因次单位线，进行汇流计算。以此探讨改进的s c s 模型在济南市小清河流域中的应用。 按照对s c s 模型产汇流参数重新率定的思路，以v i s u a lb a s i c 编程语言和 a c c e s s 数据开发工具为平台，并结合济南市小清河流域产汇流计算的实际情况， 编制了济南市小清河流域产汇流预报系统，以提高计算的准确性和效率。 由产汇流计算结果可知，将改进的s c s 模型应用于济南市小清河流域的产汇 流计算，效果较好，可以对济南市小清河流域的洪水调度和水资源利用提供参考。 此外应该注意的是s c s 模型产流计算结构没有考虑降雨强度的影响，汇流模型的 单位线实质是一个三角形单位线，峰后仅有一个坡度，没有考虑到不同径流成分 汇流速度快慢的影响，以后应该在这方面做一些研究，以完善其产汇流结构。 关键词：小清河流域；s c s 模型；参数率定；产汇流计算 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s i nr u n o f fi sa l li m p o r t a n tb a s i sc a l c u l a t e df o rf l o o df o r e c a s t i n ga n dh y d r o l o g y s c h e d u l i n g a sn a t u r a lr u n o f fm e c h a n i s mi t s e l fi sv e r yc o m p l i c a t e d ，t h ei m p a c to f h u m a na c t i v i t i e sh a sa l s oi n c r e a s e d t h ec o m p l e x i t y t h e r e f o r e ，t h ec a l c u l a t i o no f r u n o f fd e p e n d so nt h ep r o sa n dc o n so fc a l c u l a t i n gt h ed e g r e eo f d i f f i c u l t ya n dt h e a c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t e dr e s u l t s t h ex i a o q i n gr i v e rb a s i no fj i n a nc i t ya sa ne x a m p l eo ft h er a i n f a l l - r u n o f f - r e l a t e d l a w sa n di m p r o v e ds c s r u n o f fm o d e li nt h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t i n g i nt h es c s m o d e lo nt h eb a s i so ft h e i rr e - r a t ep a r a m e t e r s r u n o f f ：a p p l i c a t i o ns c sr u n o f fm o d e l s t r u c t u r e ，t h ej i n a nc i t yt h r o u g ht h ex i a o q i n gr i v e rb a s i nf r o m19 9 7t o2 0 0 4 r a i n w a t e rd a t aa n a l y s i s ，a n dt h ee a r l yl o s sb e f o r et h er a i nm a yb es t r a n d e di nt h e v a l l e yo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea u t o m a t i co p t i m i z a t i o n ；r a t ee m p i r i c a lf o r m u l a f o r t h ec a l c u l a t i o no fp a r a m e t e r s c o n v e r g e n c e ：t h es c so nt h eb a s i so ft h es n u c n l r e m o d e lc o n v e r g e n c e 、析t 1 1t h ex i a o q i n gr i v e rb a s i nr a i n w a t e rj i n a ni n f o r m a t i o nc e n t r e h a sb e e ns e l e c t e dr a i n s t o r md i f f e r e n tl o c a t i o n si nat y p i c a lw a t e r s h e dr a i n w a t e r p r o c e s s ，i n t e g r a t e dc o n v e r g e n c e m o d e l p a r a m e t e r s a n ds c s c o n v e r g e n c e d i m e n s i o n l e s su n i t ，c o n v e r g e n c ec a l c u l a t i o n s c st oe x p l o r ei m p r o v e dm o d e li n j i n a nc i t yi nt h ex i a o q i n gr i v e rb a s i n a p p l i c a t i o n s a c c o r d i n gt ot h es c s - r u n o f fm o d e lp a r a m e t e r so ft h er a t eo fr e - t h i n k i n gt ov i s u a l b a s i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dd e v e l o p m e n tt o o l sf o rt h ed a t aa c c e s sp l a t f o r m ， c o m b i n e d 、杭t l lj i n a nc i t yx i a o q i n gr i v e rb a s i nr u n o f fc a l c u l a t i o no ft h ea c t u a l s i t u a t i o ni nt h ep r e p a r a t i o no ft h ej i n a nc i t yx i a o q i n gr i v e rb a s i nr u n o f ff o r e c a s t i n g s y s t e mt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c yc a l c u l a t i o n c a l c u l a t e db yt h er u n o f fr e s u l t s ，w i l li m p r o v et h em o d e lu s e di nj i n a nc i t ys c s x i a o q i n gr i v e rb a s i nr u n o f fc a l c u l a t i o n ，t h er e s u l ti sb e t t e r , w ec a nj i n a nc i t y x i a o q i n gr i v e rb a s i nf l o o dc o n t r o la n du s eo fw a t e rr e s o u r c e sp r o v i d e d i na d d i t i o ni t s h o u l db en o t e dt h a ts c sr u n o f fm o d e lo ft h es t r u c t u r ed i dn o tc o n s i d e rt h ei m p a c to f r a i n f a l li n t e n s i t y , t h ec o n v e r g e n c em o d e lu n i ti sa c t u a l l ya t r i a n g l eu n i tp e a ka f t e ro n l y i i 山东大学硕士学位论文 o n es l o p e ，r u n o f fd i dn o tt a k ei n t oa c c o u n td i f f e r e n tc o m p o s i t i o nc o n v e r g e n c es p e e d t h ep a c eo ff u t u r ei nt h i sr e g a r ds h o u l dd os o m er e s e a r c ht op e r f e c ti t sr u n o f f s t r u c t u r e k e yw o r d s ：x i a o q i n gr i v e rb a s i n ；s c sm o d e l ；p a r a m e t e r sf i x e d - r a t e ；r u n o f f c a l c u l a t i o n i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：= 弘丘童日期：上脚幺夕刁 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：洳、互盏导师签名：豳狐乞日期：伽毋、f 站 山东大学硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 1 1 1 概述 第一章绪论 流域的产汇流计算是研制水文预报方法、解决许多水文水资源实际问题的重 要依据。所谓产流，是指流域中各种径流成分的生成过型1 1 。流域的产流计算主 要是根据产流理论通过不同的方法构建数学模型来计算流域的产流量，主要的计 算方法有降雨径流相关法，湿润地区的蓄满产流模型和干旱地区的超渗产流模 型。流域汇流是降落在流域上的雨水，从流域各处向流域出口断面汇集的过程， 它包括地表水、地下水的水流汇集。地下水的汇流问题主要应用渗流理论( 如 d a r c y 定律) ，或是其简化模型( 如水量平衡方程与线性蓄泄关系的地下水库) 来模 拟地下水的汇流【2 】【3 】。在研究流域地表水的汇流时，通常是从系统分析途径推求 汇流曲线。如瞬时单位线、地貌单位线等【2 j 。 1 1 2 研究的背景 小清河是济南市区唯一的行洪河流，历史上曾多次发生洪涝灾害，洪水带来 的经济和社会损失非常巨大。特别是随着济南市经济的发展，济南市区的城市气 候和下垫面条件较以往均发生了明显的变化。城市人口、建筑物、交通道路以及 工商企业的高度密集，使得市区产生了独特的气候特征。通常市区的降雨量比四 周的郊区农村大，汛期的雷暴雨量也增多。由于城市的发展，大面积的天然植被 和农业耕地被民用住宅、道路、公共设施、商业用地及工矿企业厂房等建筑物代 替，下垫面的滞水性、渗透性、降雨径流关系等较以往均发生明显的变化。市区 降雨后，截留填洼，下渗的损失量很小，加之城市道路、边沟以及下水道系统的 完善，使城市集水区天然调蓄能力减弱，汇流速度明显加快，径流系数也明显增 大，城市化所及地区的产汇流过程发生显著变化，结果导致雨洪径流及洪峰流量 增大，峰现时间提前，行洪历时缩短，洪水总量增加，洪水过程线比相似的农村 地区明显变得峰高坡陡，图l 为城市化前后洪水过程线比较示意图。现在汛期时 山东大学硕士学位论文 曼量量曼曼曼曼量曼皇曼曼曼曼曼曼舅皇皇曼曼皇量曼量曼皇曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼皇曼! 曼皇曼曼皇曼曼舅皇曼蔓曼皇曼曼h i 曼曼曼笪曼曼曼 一旦发生城区洪涝灾害，给人民群众带来的损失和危害不可估量的。如济南 “0 7 7 1 8 ”暴雨洪水造成了极大的损失。减少损失的办法就是开展济南小清河流域 洪水预报，而流域产汇流计算是洪水预报的前提条件，洪水预报效果的好坏与否 与该流域产汇流计算的结果密切相关。济南小清河流域的产汇流过程较以往发生 了许多变化，现在计算小清河济南段流域的产汇流时应充分考虑到近年的水文气 象资料。 q 1 1 3 研究的意义 图1 1 城市化前后洪水过程线比较示意图 ( 一) 理论意义 目前我国已经建立了适用于湿润地区的蓄满产流计算模型和适用于干旱地 区的超渗产流模型【4 】【5 1 。但是，从我国的气候水文特征看，许多流域位于半干旱 地区，研制适用于半干旱地区的产流计算模型非常有必要。济南小清河流域属于 半干旱、半湿润地区，而且属于城市和农村交叉流域，一般的产流计算模型不适 用于该流域，探索适用于该流域的产流计算模型具有重要意义。对于汇流计算而 言，同样要探索使用于该流域的汇流计算模型。 ( 二) 现实意义 济南市“十一五”规划要打造沿小清河两岸景观带，明确提出要对小清河进行 综合治理。根据本课题研究的计算结果，可以提高济南小清河流域水文预报精度， 2 山东大学硕士学位论文 并最终优化济南市小清河综合治理中的防洪工程建设。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外产汇流计算的研究现状分析 单位线法由谢尔曼于1 9 3 2 年提出，是指根据水文资料分析的地面径流单位 线，它简明易用，效果较好，在水文预报和水文计算中经常采用【6 】。1 9 4 5 年克拉 克提出瞬时单位线的概念，后来纳什进一步推到出它的数学方程式，从而发展了 谢尔曼单位线6 】【7 】。瞬时单位线就是净雨量历时趋于无穷小时所求的单位线。借 助有水文资料流域的单位线要素与其流域自然地理特征之间的相关关系，从无水 文资料流域的自然地理特征值间接推出流域单位线要素的方法，就是综合单位线 方法。 2 0 世纪5 0 年代中期，随着计算机技术、通信技术和系统理论应用的迅速发 展，人们开始将水文循环的整体过程作为一个完整的系统来研究，并在5 0 年代 后期，提出了流域水文模型的概念，先后有流量综合与水库调节模型( s s 6 呶) 、 斯坦福模型( s w m ) 等概念性模型出现【8 】【9 1 。这些模型从定量上分析了流域出口 断面流量过程形成的全部过程。2 0 世纪后半叶世界各国相继研制出大量多参数、 复杂的概念性水文模型如萨克拉门托( s a c ) 模型、水箱( t a n k ) 模型等【5 】。 这些概念性水文模型在进行水文规律研究和解决生产实际问题中发挥了很重要 的作用，推动了水文模拟技术和水文学科的发展。 2 0 世纪7 0 年代以来，国外水文学家提出了众多的分布式流域水文模型，最 具有代表性的是1 9 8 0 年由英国、丹麦和法国水文学家共同研制的s h e 模型【5 】。 随着现代科学技术的飞速发展，以计算机和通信技术为核心的信息技术在水文学 科领域的应用，能够考虑流域空间变异性的分布是流域水文模型已成为具有良好 发展前景的新一代水文模型，受到国内外水文学家们的广泛关注。 1 2 2 国内产汇流计算的研究现状分析 目前，在我国的实际水文预报中，许多流域的产流计算主要是采用降雨径流 相关图法。降雨径流经验相关图是在成因分析与统计的基础上，用每次降雨的流 山东大学硕士学位论文 域平均雨量和相应产生的径流总量以及影响它们的主要因素所建立起来的一种 定量相关图。这种方法简单，又有一定的精度，所以实际工作中应用较为广泛。 流域的汇流计算主要采用单位线法、瞬时单位线法、地区综合瞬时单位线法等。 最近几年，我国的许多水文学者，都针对半干旱半湿润地区对一些传统产流 模型进行了改进。李致家等在新安江模型的结构中引入超渗产流模型【1 1 1 引，对新 安江模型进行改进，使得该模型的产流理论趋于完善，可以应用于湿润地区、半 干旱半湿润地区及干旱地区，但是参数较多，率定比较繁琐。包为民等针对一个 流域蓄满产流和超渗产流并存的情况，提出了垂向产流模型。垂向产流模型是一 个比较新的模型，对其参数区域规律、模型结构的合理性等方面还存在一定问题， 有待进一步研究。 1 3 本课题主要研究的内容 探讨济南小清河流域产汇流计算方法，首先应用现行传统计算方法进行计 算。拟采用s c s 产汇流模型结构，根据现有实n d , 清河黄台桥以上流域的水文 资料率定s c s 模型的产汇流参数，提出适合济南小清河流域的改进s c s 产汇流 模型。应用改进的s c s 产汇流模型对小清河孟家闸以上流域的产汇流进行计算。 1 4 本课题采用的技术路线 本课题的主要研究方法采用对比计算方法进行分析研究。拟从综述小清河现 行的产汇流计算方法入手，分析小清河现用的产汇流方法及其计算结果；根据现 有水文资料，结合济南小清河流域下垫面实际情况对传统计算方法进行改进，并 评价其计算结果；拟采用改进的s c s 产汇流模型对济南小清河流域的产汇流进 行计算；最后，对上述各种计算方法进行对比分析。 4 山东大学硕士学位论文 摹曼曼! 曼曼鼍皇曼曼曼曼詈鼍曼曼i i _ i _i ill i 。i 曼曼曼皇皇曼! 曼皇曼量曼曼曼曼舅皇量曼曼皇 2 1 自然地理概况 第二章济南小清河流域概况 小清河流域西起玉符河东堤睦里闸，流经济南、淄博、滨州、东营、潍坊 5 市，东至寿光市羊角沟入渤海的莱州湾，全长2 3 7 公里，比降约0 1 6 7 - - 0 0 5 5 , ， 流域面积1 0 3 3 6 平方公里，是一条具有防洪、排涝、灌溉、航运等多功能的河 、j 上 遁。 流域内地形复杂，属山区、丘陵、平原混合型。其中山丘区面积3 6 5 9 k m 2 ， 占总面积的3 5 4 ；平原、洼地、湖泊面积为6 6 7 7k m 2 ，占总面积的6 4 6 。小 清河干流以北流域面积很少，绝大多数在干流以南。干流以北多为黄河冲积平原； 干流以南，胶济铁路以北，地势平缓，主要是山麓平原；胶济铁路以南，坡度较 陡，大部分为山丘区。 本课题研究区域主要为孟家闸以上流域。地貌区划自南而北主要分为低山 丘陵构造剥蚀区和山前平原侵蚀堆积区。地貌区划显示了地貌类型的区域规律 性和地形条件的复杂性。纵观整个研究区，地势南高北低，平原向东北缓倾， 黄河自西南向东北穿越本区，沿黄两岸形成带状洼地。低山丘陵构造剥蚀区约占 研究区面积的8 0 ，南部与东南部的山区地势最高，形成小清河流域与汶河流 域的分水岭，低山区向北西方向逐渐过渡为丘陵地带。山前平原区是南部低山丘 陵与北部黄河平原的过渡带，但在西南部逐渐消失，面积约占研究区面积的 2 0 ，地面向北与西北方向缓倾，地面坡降1 5 0 0 左右。 2 2 暴雨洪水特性 2 2 1 区域暴雨特征 济南市区的洪水灾害皆因暴雨所致。形成济南市暴雨的天气系统主要有气 旋、台风、冷锋和切变线四种，每种天气系统均有产生暴雨和大暴雨的可能，如 有两种以上天气系统共同影响时则可能产生特大暴雨。 济南市暴雨的时空分布极不均匀，其时间分布特点是暴雨量大，强度高，局 5 山东大学硕士学位论文 部性明显，时程分布非常集中。从济南市解放后发生的两次特大暴雨( 1 9 6 2 年7 月1 3 日和1 9 8 7 年8 月2 6 日) 的暴雨等值线图可以看出，均有东西长、南北窄 的特点。济南市暴雨形式除以上特征外，还有以下特点： ( 1 ) 流域面积大，形状狭长，暴雨中心时发生在上游、中游和下游，局部 短历时暴雨经常发生。 ( 2 ) 济南市区暴雨频次为小清河流域之冠。发生暴雨( 5 0 一- , l o o m m ) 占8 2 ， 大暴雨( 1 0 0 - - 2 0 0 m m ) 占1 6 ，特大暴雨( 2 0 0 r a m ) 占2 ，特大暴雨为2 6 年 一遇。 ( 3 ) 暴雨及特大暴雨分布规律是南部山区多于北部平原，与常年降雨的分 布势相吻合。济南市区附近遭受短历时、高强度特大暴雨的机会较多。根据资料 记载，1 9 5 9 - - 1 9 8 7 年统计市区暴雨高值中心有两处，次数为4 5 次，大暴雨高值 区有三处，年累计1 0 次，大于2 0 0 r a m 的特大暴雨，小清河流域出现过3 次，济 南市区就占了2 次。 ( 4 ) 局部性暴雨较多，不论是丰水年还是干早年，均可产生小范围大暴雨， 其成因主要是气旋和低槽冷锋造成，大于2 0 0 m m 以上的特大暴雨笼罩面积，大 多在5 0 0 k m 2 以下。8 7 年8 月和6 2 年7 月济南市特大暴雨，暴雨中心降雨量分 别为3 4 0 m m 和3 2 1 m m ，黄台桥实测点雨量8 7 年8 月为3 1 9 m m 。平均雨量2 3 0 m m ， 均为1 5 0 年一遇暴雨，6 2 年7 月黄台桥以上面雨量为2 1 0 m m ，为7 0 年一遇。但 两次降雨大于3 0 0 m m 的笼罩范围仅为1 4 0k m 2 和4 6k m 2 ，并且在小清河流域内 暴雨梯度变化很大。 ( 5 ) 暴雨走向雨区移动规律和全省基本相同，多系自西向东，其次是自西 南向东北，其它走向很少，这对小清河和济南地区防洪不利。 ( 6 ) 根据近3 0 年资料统计和实地调查，小清河流域济南干流段，5 0 l o o m m 暴雨一般只对未治理的南部山区有影响；1 0 0 - 2 0 0 m m 的大暴雨，如果是大范围 或连续性出现，对小清河流域有影响；大于2 0 0 m m 的特大暴雨，不论是局部或 大范围出现，都将对小清河全流域或某干流段构成严重威胁。 ( 7 ) 暴雨时程分布非常集中，暴雨在7 - 8 月份发生频率较高，降雨量主要 集中在1 2 小时内，一般占暴雨量的8 0 以上。 6 山东大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼詈曼曼皇曼詈曼皇曼皇鼍曼曼蔓鼍皇i i 一| ! 曼皇皇鼍鼍曼皇曼量曼曼曼! 曼曼曼曼曼量曼蔓曼皇曼曼曼曼曼曼曼 2 2 2 流域洪水特征 ( 1 ) 洪水过程干流涨猛落缓，支流涨落迅速，干、支流易造成项托。 ( 2 ) 支流多发源于泰沂山北麓，上游为山区，山高坡陡，河道比降大，洪 峰陡涨猛落。 ( 3 ) 支流下游河道比降小，洪峰涨落变缓。 ( 4 ) 支流多在干流右侧，洪水从上游到下游间隔汇入，支流洪水汇入干流， 错峰机会较多，干流洪水组合时，洪峰能相对消减。 2 3 水文资料情况 小清河济南段流域内共有1 2 处有山东省水文水资源勘测局设立的国家基 本雨量站，分别是刘家庄、吴家铺、邵而、东红庙、兴隆、燕子山、黄台桥、 东梧、韩仓、王家庄、群井、大陈家庄站。各站自设站以来均有系统完整的降 雨量资料，所有资料均严格按照国家降雨量观测规范和水文资料整编规 范的要求进行观测和整编，并年年通过市、省两级水文部门的严格审查验收。 2 4 典型洪水 小清河流域降雨总的趋势为流域内干、支流的上、中游区域暴雨次数多，降 水量大，下游地区降暴雨次数较少。由于流域面积大， 形状狭长，全流域普 降暴雨的次数较少。从2 0 0 2 - 2 0 0 6 年的降雨资料可以看出，全流域普降大雨5 次， 普降大到暴雨7 次。小清河流域普降大雨或大到暴雨时，历时较长，降雨过程 连续。局部降暴雨时，历时较短，降雨强度较大，大部分降雨量集中在1 2 h 之 内，河道易出现洪峰。小清河流域节制闸之一的金牛闸3 次超过警戒水位，其中 有2 次是由于局部暴雨引起的 2 0 0 3 年7 月5 日，小清河上游降大雨，济南分中心雨量站雨量5 9 5 m m ，7 月7 日，小清河流域普降大雨到暴雨，上游各雨量站显示日降雨量均超过5 0 m m ，济 南分中心雨量站降雨11 8 r n m 。金牛闸雨量站降雨5 7 5 m m 。金牛闸在2 0 0 3 年7 月8 日7 时水位达到2 3 1 l m 。 2 0 0 4 年7 月1 5 1 7 日，小清河上游连续降雨，2 0 0 4 年7 月1 7 日降暴雨，降雨时 7 山东大学硕士学位论文 间集中在7 时至2 0 时，济南分中心日雨量站降雨量6 5 5 m m ，金牛闸雨量站日降雨 量6 1 5 m m 。2 0 0 4 年7 月1 7 日1 8 时水位达到2 3 3 2 m ；7 月1 8 日2 时，洪峰到达柴庄闸， 闸上水位1 7 4 4 m 。 2 0 0 4 年8 月9 日，小清河自1 4 时开始降雨至l o 日1 4 时结束，济南分中心雨量站 降雨量l1 6 5 m m ，金牛闸雨量站降雨量2 8 5 m m 。2 0 0 4 年8 月1 0 日1 3 时水位达到 2 3 7 8 m 。 2 0 0 7 年7 月1 8 日，小清河流域暴雨从1 8 日1 4 时起至1 9 日0 时结束， 实际降雨历时1 0 小时，市区暴雨主雨段从7 月1 8 日1 7 时至2 1 时，实际降雨 历时3 个多小时，济南市区平均降雨量1 4 6 m m 。最大点降雨量在市区北部黄台 桥水文站1 7 3 m m ，其中黄台站最大1 小时降雨量1 0 6 m m ，占次暴雨量的6 1 ， 最大2 小时降雨量1 4 9 5 m m ，占次暴雨量的6 4 。市区解放桥站最大1 小时降雨 量1 1 8 m m ，占次暴雨量的8 1 。小清河黄台桥水文站水位自1 8 日1 7 时2 4 分 ( 即与降雨基本同步) 开始起涨，起涨水位1 9 6 0 m ( 黄海基面，下同) ，相应 流量1 0 5 m 3 s ；起涨3 小时后( 2 0 时2 4 分) 即出现洪峰流量2 0 2m 3 s ，相应水 位2 3 2 7 m ；4 小时后( 2 2 时0 6 分) 即出现洪峰水位2 3 5 8 m ，相应流量1 7 7m 3 s 。 1 8 日2 0 时2 4 分，黄台桥水文站出现洪峰水位2 3 5 8 m ，为历史最高水位，超警 戒水位1 0 4 m ( 原历史最高水位为1 9 8 7 年8 月2 7 日1 3 时黄台桥洪峰水位 2 3 4 6 m ) 。 山东大学硕士学位论文 第三章水文图集经验法计算产汇流 3 1 产汇流地区组成 本次产汇流计算为小清河济南段孟家闸以上流域，流域内支流众多，河道 左岸自上游而下有南太平河、虹吸干河、北太平河共三条支流；河道右岸自上 游而下有腊山河、兴济河、东工商河、西工商河、东洛河、西洛河、柳行河、 全福河、大辛河和水坡河等十条河流。支流河系的主要数据如表3 1 所示。 表3 1 清河济南段主要河系几何参数表 河流长度( k m ) 流域面积( k m 2 ) 备注 兴济河 2 2 0 0 8 7 1 源于兴隆山、大峪山山谷，在天桥 区黄岗村西入小清河 工商河河系全长6 3 7 1 1 9 东洛河 河系全长8 5 04 1 3南起旅游路，北至小清河 柳行河 2 9 04 2 1 南起城区东圩子壕北端，至黄台桥 入小清河 全福河 1 1 o o3 1 8源于姚家镇龙洞庄西狸猫，至 济南卷烟厂西入小清河 大辛河 2 2 0 05 7 2 5 源于龙洞庄以南诸山谷，至大辛庄 西向北入小清河 南太平河 9 9 45 5 7 源于郊区吴家堡北店子，至南吴家 堡村南入小清河 北太平河 1 1 5 04 1 8 源于吴家堡镇周官屯村北，至南吴 家堡村南入小清河 由济南市小清河干流综合治理工程可行性研究报告中的计算断面面积 情况，如表3 2 所示，可知孟家闸以上小清河流域总面积为3 7 8 o n 2 。该流域内 有山东省水文水资源勘测局设立的国家雨量站7 处，分别是刘家庄、吴家堡、 东红庙、邵而、兴隆、燕子山和黄台桥；孟家闸以上流域外还有5 处国家雨量 9 山东大学硕士学位论文 站分别是东梧、韩仓、孙村、王家庄和大陈家庄。计算流域及其雨量站分布示 意图如图3 1 所示。 表3 - 2 孟家闸以上流域各计算断面情况表 序号计算流域名称 流域面积( 砌2 ) 平原占比例( ) 1 腊山河以上4 1 51 0 0 2 兴济河以上 8 9 96 5 3 全福河以上 2 1 2 64 9 4 大辛河以上 2 8 25 0 5 孟家闸以上3 7 85 2 图3 1 小清河流域济南段雨量站分布示意图 3 2 降雨径流相关法计算产流量 3 2 1 降雨径流相关法 降雨径流经验相关图是在成因分析与统计的基础上，用每次降雨的流域平 均雨量和相应产生的径流总量以及影响它们的主要因素所建立起来的一种定量 相关图【2 1 。它符合入渗规律。这种方法简单，又有一定的精度，所以实际工作 1 0 山东大学硕士学位论文 中应用较为广泛。影响降雨径流关系的主要因素有：前期影响雨量只或流域起 始蓄水量、降雨历时r 、降雨强度、暴雨中心位置等。可以根据流域的具体 情况选用。最常用的是以只为参数的三变数相关图，该图以次降雨量尸为纵坐 标，相应的次洪径流深尺为横坐标，降雨开始时的只为参数建立起来的降雨径 流相关图。如图3 2 所示。 p 3 2 2 面雨量分析计算 图3 - 2 降雨径流相关图 计算中采用孟家闸以上流域各雨量站的实测降雨资料，由于孟家闸以上流域 雨量站分布不均匀，且为山丘与平原混合区，流域平均降雨量计算采用泰森多边 形法。流域平均降雨量计算示意图如图3 3 所示。 山东大学硕士学位论文 图3 - 3 流域平均降雨量计算( 泰森多边形) 示意图 经计算知各个雨量站的面积权重及所控制面积如表3 3 所示。 表3 - 3 量站的面积权重表 雨量站 面积权重 控制面积( k r n 2 ) 刘家庄 0 1 0 6 14 0 1 吴家铺 0 1 3 8 15 2 2 邵而 0 0 8 4 83 2 1 东红庙 0 1 4 1 55 3 5 兴隆 0 1 5 8 05 9 7 燕子山 o 1 8 1 26 8 5 黄台桥 0 1 3 2 2 5 0 0 韩仓0 0 3 4 91 3 2 东梧 0 0 2 3 28 8 3 2 3 净雨计算 本次计算中降雨径流关系线分为山丘区和平原区两种情况，山丘区采用山 东省水利设计院1 9 7 5 年分析的小清河流域山丘区降雨径流关系线；平原区采用 山东省水文图集中泰沂山以北地区的平原区降雨径流关系第1 4 号线。当计 算断面以上平原占全面积大于2 0 时，则分别采用上述山丘区和平原区降雨径 1 2 山东大学硕士学位论文 流关系线，求得净雨风和碑再用表3 - 4 中的系数足，按下式求出。 如= 一k ( 一碑) ( 3 - 1 ) 式中 一山丘平原混合区的净雨深( n 姐) ； 凡一由山丘区降雨径流关系查得的净雨深( 1 1 1 1 1 1 ) ； 一 心一由平原区降雨径流关系查得的净雨深( m m ) ； k 一净雨深计算修正系数，根据计算流域平原面积占全部面积比例 由表3 4 查算。 表3 4 净雨深计算修正系数查算表 平原占全部面积 2 03 04 05 06 07 08 09 0l o o ( ) 系数k 0 0 6o 1 2 0 2 0o 3 0o 4 1 o 5 30 6 8 o 8 3 1 0 0 3 3 综合瞬时单位线计算汇流过程 采用山东省水文图集中综合的瞬时单位线法推求洪峰流量。 一般山丘地区、山丘平原混合区瞬时单位线参数m 、鸠计算公式为： t ：a f 0 3 3 j 0 2 7 r - 0 2 0 7 0 0 1 7 鸩= o 3 4 m m l 2 平原地区瞬时单位线参数m 、鸩计算公式为： m = 1 3 4 f o 4 6 3 鸠= o 5 9 m 。1 1 4 式中 m 、鸩一瞬时单位线参数： f 一流域面积( 砌2 ) ； ，一河道干流平均坡度( 朋m ) ； 尺挣雨深( 肌肌) ； 死狰雨历时( 乃) ； 彳一综合系数。 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 1 3 山东大学硕士学位论文 根据求得的m 、鸠值查山东省水文图集中的单位线附表，求出对应的 单位线，再根据各断面以上流域不同时段净雨深可求得相应的洪水流量过程，加 基流后即为各断面以上流域洪水过程，基流的大小按流域面积每l o o m 2 ，基流为 1m 3 s 的比例计算。 1 4 山东大学硕士学位论文 第四章s c s 模型在小清河济南段流域的应用研究 s c s 模型是美国农业部水土保持局( s o i lc o n s e r v a t i o ns e r v i c e ，简称s c s ) 于 1 9 5 4 年开发研制的流域水文模型，在美国及其他一些国家得到较广泛的应用 3 7 - 4 4 。我国在二十世纪八十年代就有了介绍s c s 模型的文献。袁作新教授在流 域水文模型( 1 9 9 0 ) 一书中详细论述了s c s 模型的基本原理和应用实例。s c s 模型已在流域工程规划、水土保持及防洪、城市水文及无资料流域的多种水文问 题等方面得到应用。 4 1 s c s 模型的基本原理 s c s 模型有如下几方面的特点【1 9 2 3 】： ( 1 ) 在降雨径流关系上，s c s 模型考虑了流域下垫面的特点，如土壤、坡 度、植被、土地利用方式等。水文工作者都认为下垫面条件是影响降雨径流关 系的重要因素，但很少有人把它如此显著而有效地列入水文模型的定量计算中。 ( 2 ) 它可以应用于无资料流域。 ( 3 ) 它能考虑人类活动对径流的影响，也就是说它能针对未来土地利用情 况的变化，预估降雨径流关系的可能变化。 ( 4 ) 模型结构简单，使用方便。例如产流方面就是有一个参数。 因此，s c s 模型比较适用于中小流域以及城市水文学计算和城市防洪规划设计。 4 1 1s c s 模型的产流结构 s c s 模型综合考虑了流域降雨、土壤类型、土地利用方式及管理水平、前期 土壤湿润状况与径流间的关系。它基于集水区的实际入渗量( ，) 与实际径流量( r ) 之比等于集水区该场降雨前的潜在入渗量( s ) 与潜在径流量( 如) 之比的假定基础 上建立的，即： 冬：昙 ( 4 1 ) 一= 一 t 一_ j r 如 式中：假定潜在径流量( 如) 为降雨量( p ) 与由径流产生前植物截流、初渗和填洼 1 5 山东大学硕士学位论文 蓄水构成集水区初损量( l ) 的差值，即： 如= e - l ( 4 - 2 ) 实际入渗量为降雨量减去初损和径流量，即： f = e - l r ( 4 3 ) 由( 4 1 ) ，( 4 - 2 ) ，( 4 - 3 ) 式可得出： 犬= 糍p + s ，m 件4 ， 一厶 。 ( 4 4 ) r = 0 ， 尸 x o j 为简化计算，假定集水区该场降雨的初损为该场降雨前潜在入渗量的2 1 0 ，即： l = o 2 s ( 4 - 5 ) 则式( 4 4 ) 可写为： 肛型，脸0 2 s 08 s ( 4 - 6 一) p + 。 ( 4 一) r=0，p02s j 由此可以看出：集水区的径流量取决于降雨量与该场降雨前集水区的潜在入 渗量，而潜在入渗量又与集水区的土壤质地、土地利用方式和降雨前的土壤湿度 状况有关，s c s 模型通过一个经验性的综合反映上述因素的参数c n 来推求s 值 的。 s ：2 5 4 0 0 2 5 4( 4 7 )= 一t 。， 由式( 4 6 ) 、 ( 4 7 ) 可以看出，欲求径流量，只需知道参数c n 。在实际条件下， c n 值在3 0 - 1 0 0 之间变化。 c n 是反映降雨前流域特征的一个综合参数，它与流域前期的土壤湿润程度 a m c 、坡度、植被、土壤类型和土壤利用状况有关。s c s 模型把前期土壤湿润 程度依此次降雨前5 天雨量为依据分为3 级，见表4 1 【2 1 。并按不同的a m c 等级给 出c n 值查算表，见附表给出的a m ci i 条件下的c n 值【2 1 。当流域湿润情况不是 a m ci i 时可先从附表求得c n 值，然后按表4 2 换算为a m ci 或a m ci i i 条件下 的c n 值。 1 6 山东大学硕士学位论文 表4 1 前期土壤湿润程度划分 前期土壤湿润程度等级前5 天总雨量 ( a 朋c 等级)休眠季节 生长季节 彳朋ci 5 3 3 4 表4 2 不同彳朋c 等级的c 值换算表 彳朋r ci i 时 相应的相应的 么朋r c 时相应的相应的 的c 值 丘m ci 时么朋c 时 的c 值 彳朋ci 时彳朋c 时 的c 值的c 值的c 值的c 值 1 0 01 0 01 0 04 5 2 76 5 9 58 79 94 02 36 0 9 07 89 83 51 95 5 8 57 09 73 01 55 0 8 06 39 4 2 51 24 5 7 55 79 l2 093 9 7 05 l8 71 573 3 6 54 58 31 0 4 2 6 6 04 07 9521 7 5 53 5 7 5oo0 5 0 3 l 7 0 根据土壤特性，将土壤划分为彳，召，c ，d 四种类型，表4 3 中的土壤分 类彳，曰，c ，d ，是在美国调查t 4 0 0 0 多处土壤后得出的总结。它与一般土壤 学上的分类不同，习惯上称为s c s 土壤分类。此外，还可以按土壤的最小下渗率 1 7 山东大学硕士学位论文 来作s c s 土壤分类，如表4 4 所示。 表4 3s c s 土壤分类 4厚层沙，厚层黄土，团粒化粉沙 b薄层黄土，沙壤土 c 粘壤土，薄层沙壤土，有机质含量低的土壤，粘质含量高的土壤 d 吸水后显著膨胀的土壤，塑性大的粘土，模型盐渍土 表4 4 按最小下渗率作s c s 土壤分类 土壤类别 最小下渗率( m m h ) 彳7 2 6 1 1 4 3 b3 8 l 7 2 6 c1 2 7 3 8 1 do 1 2 7 4 1 2s c s 模型的汇流结构 在汇流计算中，模型制作者采用一条统一的无因次单位线来计算径流输出 过程。见图4 1 。s c s 模型单位线的净雨时段是变化的，故不能给出各时段的无 因次单位线纵坐标值，因此，在转绘此无因次单位线是必须十分准确5 1 。通过 对该无因次单位线的分析，可以得n - 单位线的底宽为峰现时间的5 倍，3 8 的总径流量在洪峰前产生，退水反曲点的出现时间约为峰现时间的1 7 倍。如 果把此无因次单位线概化为三角形，则三角形的底长为峰现时间的8 3 倍，其 他特征不变。 模型用下述经验公式求单位线洪峰流量： g 。：0 2 0 8 f r t 一, 4 8 ) 郎2 _ 。萏， p 式中q p 挣雨为2 5 4 m m 的单位线洪峰流量，m 3 s ； 1 8 山东大学硕士学位论文 5 编 图4 - 1s c s 模型的无因次单位线 图1 中q p 为单位线峰值( m 3 s ) ；0 为峰现时间( h ) ；厶为三角形单位线底长 ( h ) ；t r 为三角形单位线退水段长度( h ) ；三为洪峰滞时( h ) ；乙为地表径流 汇流时间( h ) ；d 为单位线时段长( h ) ；q 为f 时刻的单位线纵标( m 3 s ) ； q 为一个单位净雨量，即2 5 4m m ，相当于1 英寸深净雨。 模型把，。与汇流时间乞建立如下关系： 2 亏f c ( 4 - 9 ) 而t 通过洪峰滞时三的关系求出，三的计算公式为： = 盟7 掣0 6 9 y ( 4 - 1 0 )厶= z k 斗- l u u 1 ) 乙= z l ( 4 1 1 ) 式( 4 1 0 ) 、( 4 “) 中 ，一流域自分水岭沿主河槽的水流长度，m y 一流域平均坡度，； s 一流域当时的最大可能滞留量，m q 。 由无因次单位线转化为时段单位线时，净雨时段d 的大小用下式计算： d = 0 1 3 3 乞 ( 4 1 2 ) 根据流域条件，由上述各公式可求得、0 和d ，用和0 可将无因次单 1 9 珏 o 9 8 7 6 5 4 3 2 比 l仉仉仉仉仉仉仉仉仉 山东大学硕士学位论文 位线转化为有因次单位线。在利用产流公式可求出每一时段d 内的径流量r ， 与单位线相乘，按叠加原理可求得出流过程。 对于较大流域，应用s c s 模型时，可将流域分块，分别求出各子流域的汇流 过程，演算至流域出口断面，即可得到全流域出口的汇流过程 如果将该模型应用于无资料流域，可根据位于同一水文分区的有资料流域的 分析成果，再按实际流域的具体情况，计算产汇流。 4