降雨径流关系探讨（精选5篇）
降雨径流关系探讨 第1篇
关键词：河道改造,降雨径流关系探讨,一致性分析,定线检验
黄石市龙港水文站地处鄂东南山区, 幕阜山北麓的阳新县龙港镇龙港河, 流域面积574km2。龙港河是富水的主要支流, 流域多年平均降水量1477.9mm, 龙港河改河前历年最高水位30.83m, 相应洪峰流量1050m3/s, 1987年人工改河后历年最高水位28.85m, 相应洪峰流量797m3/s。在流域控制范围内, 有小型水库29座, 总库容1.4亿m3, 由于受下垫面改变等人类活动的影响, 根据历史资料形成的降雨径流关系已不能满足径流还原计算和水资源评价要求, 有必要进行分析探讨, 予以修正。
对于受水利工程等地表水开发利用活动影响, 实测径流按分项调查还原法进行还原计算, 使其基本上能反映天然情况。而下垫面变化对径流的影响是一个渐变过程, 影响因素非常复杂, 难以逐年作出定量的估算。人为拓展河道, 则使水位流量关系发生根本改变。
龙港水文站收集有40年以上的水文资料系列, 对1959~2000年该站天然年径流系列进行一致性分析, 其目的是处理下垫面条件变化对径流的影响, 检查还原计算成果的合理性, 以保证区域水资源评价成果的可靠性。
1 分析方法与步骤
(1) 在水文站径流还原计算的基础上, 点绘面平均年降水量与天然年径流深的相关图, 如果80~90年代的点据明显偏离于50~70年代的点据, 则说明下垫面条件变化对径流影响较大, 需要对年径流进行修正。如果在同量级降水条件下, 50~70年代大多数点据位于左边 (或右边) , 则表明年径流量呈衰减 (或增长) 趋势。
(2) 将1959~2000年42年资料系列划分为1959~1979年和1980~2000年两个年段, 分别通过点群中心绘制其年降水-径流关系曲线。两个年段降水-径流关系曲线之间的向变动 (径流深坐标) 距离即为年径流衰减 (或增长) 值。
(3) 选定一个年降水值, 分别在两个年段的降水-径流关系曲线上查出年径流深R1和R2, 用下列公式计算年径流衰减 (或增长) 率和修正系数:
式中:α为年径流衰减率;β为年径流修正系数;R1为代表50~70年代下垫面条件的产流深;R2为代表80~90年代下垫面条件的产流深。
(4) 根据查算的不同年降水量的α值和β值, 绘制P-β关系曲线, 作为修正1956~1979年天然年径流系列的依据。即根据需要修正年份的降水量, 从P-β关系曲线上查得修正系数, 乘以该年修正前的天然年径流量, 就可求得修正后的天然年径流量。
(5) 在年降水-径流关系图中, 如果80~90年代相关线位于50~70年代相关线右侧, 则表明年径流量呈增长态势, 在这种情况下, 仍可用前述公式计算α值和β值, 但α值为负值, β值大于1.0。则修正时将50~70年代的相关线统一修正与80~90年代一致, 以便于今后的单站还原计算。
2 龙港水文站修正前的历年降雨-径流关系情况
2.1 龙港站修正前1959~2000年的降雨-径流关系线 (如图1)
通过图1关系线左右两侧的点据分布可知, 龙港站80~90年代的点据大多分布在曲线的右侧。由此可以断定, 龙港站80~90年代的径流量相对50~70年代的径流量呈增长趋势, 也就是说50~70年代的径流量与80~90年代的径流量一致性较差, 这与近年来单站还原的结果相吻合, 近些年龙港站单站还原的精度总是不高, 与沿用80年代绘制的降雨-径流关系线有很大的关系。
2.2 龙港站1959~2000年的降雨-径流分段关系线 (如图2)
对一个水文站而言, 如果两个时间段的降雨径流关系线相交或间隔距离很小, 说明这个水文站资料的一致性比较好, 相反, 如果两个时间段的降雨径流关系线平行不相交, 则说明这个水文站的资料一致性出了问题, 必须进行修正, 才能满足单站还原的要求。从图2可以看出, 两线间的间隔距离比较大, 超出了允许误差范围, 因此需要进行修正。
3 龙港站降雨-径流关系线修正
(1) 从龙港站50~70和80~90两个年段的降水-径流关系线上摘取同量级降水情况下的R1和R2。
(2) 按照公式 (1) 和公式 (2) 分别计算α值和β值。 (如表1)
(3) 根据计算的β值点绘降水P-β关系曲线, 如图3。
4 龙港站修正后的降雨-径流关系线
利用P-β关系曲线, 依据龙港站逐年面平均降水量, 查算出50~70年代的逐年修正系数β, 再用50~70年代各年的径流量乘以修正系数, 即可求出修正后的50-70年代的径流量。这样50~70和80~90两个年段的径流就具有一致性。修正后的龙港站降水-径流关系线如图4。
5 对修正后龙港站降雨-径流关系线的检验
本次对1959~2000年长系列修正后降雨径流关系线进行了符号、偏离数值、t (学生氏) 三种检验。
5.1 符号检验
进行符号检验时, 分别统计测点偏离曲线的正、负号个数 (偏离值为零者, 作为正、负号测点各半分配) , 按公式 (3) 计算统计量u值并将其与用给定的显著性水平α查表1所得的u1-α/2值比较。当计算的u
式中:u———统计量;
n———测点总数;
k———正号或负号个数;
p、q———正、负号概率, 各为0.5;
*———连续改正数 (离散型转换为连续型) 。
5.2 偏离数值检验
进行偏离数值检验时按公式 (4) 、式 (5) 分别计算t值、s′值, 并将t值与用给定显著性水平α查表2的t1-α/2值比较, 当|t|
式中:t———统计量;
p′———平均相对偏离值;
s′———p′的标准差;
s———p的标准差;
n———测点总数;
pi———测点与关系曲线的相对偏离值。
5.3 t (学生氏) 检验
进行t (学生氏) 检验时, 应按公式 (6) 、式 (7) 分别计算t值、s值, 并应将t值与用给定的显著性水平α及计算的k值查表2的t1-α/2值比较, 当|t|
式中:t———统计量;
x1i———第一组测点对关系曲线的相对偏离值;
x2i———第二组测点对上述同一关系曲线的相对偏离值;
x1′、x2′———分别为第一组、第二组平均相对偏离值;
μ1、μ2———分别为第一组、第二组样本总体均值;
n1、n2———分别为第一组、第二组测点总数;
s———第一组、第二组测点综合标准差;
d———两组样本均值差的绝对值 (d=|x1′-x2′|) ;
μd———两组样本的总体均值差的绝对值 (μd=|μ1-μ2|) ;
sd———样本均值差的标准差。
5.4 检验参数
5.4.1 α的取值
显著性水平α值的选用与临界值的确定应符合下列规定:
(1) 符号检验, α值采用0.25, 临界值按表1确定。
(2) 偏离数值检验, α值采用0.10~0.20, 临界值按表2确定。
(3) t (学生氏) 检验, α值采用0.05, 临界值按表2确定。
5.4.2 临界值表 (见表1、2)
5.5 检验结果
根据前文的三种检验方法, 对修正后的龙港水文站关系曲线进行检验, 检验结果如表3~5。
通过上面三种检验方法的检验, 说明龙港水文站修正后的降雨-径流关系线定线是合理的。
因此, 修正后的龙港水文站降雨-径流关系线更能满足水资源单站还原资料精度要求。
注:表中k为自由度, 对于偏离数值检验, 取k=n-1 (n为测点总数) ;对于t (学生氏) 检验, 取k=n1+n2-2 (n1、n2分别为第一、第二组测点总数) 。
参考文献
[1]黄石市历年水资源公报 (黄石市水文局) .
[2]水文测验规范 (湖北省水文局) .
岗南水库以上流域降雨径流特性分析 第2篇
滹沱河为海河流域子牙河水系的主要支流,发源于山西省繁峙县五台山北麓,穿越太行山进人平山县境,东流至献县,全长587km.岗南水库位于滹沱河中上游干流上,坝址以上河长352km,控制流域面积15900km2,占滹沱河总流域面积的58%.岗南以上流域基本为山区,其中山西境内面积占岗南以上面积的70%,其余在河北省平山县境内.
作 者：冯秀英 赵平作者单位：冯秀英(河北省水文水资源勘测局)
赵平(河北省岗南水库管理局)
沙丘前沿区降雨径流关系特性分析 第3篇
我国北方地区土地沙漠化面积近35万km2, 自西向东, 横贯了荒漠、半荒漠和干草原3个自然带。沙丘前沿区是指沙地前缘受流动沙丘前移入侵影响的区域, 一般为半干旱地带的农牧交错地区, 如科尔沁沙地南部沙丘前沿区。沙丘前沿区一般地势平坦, 土质疏松, 沙层厚, 透水性强, 蒸发强烈, 地下水赋存条件运动规律独特, 造成降雨径流关系复杂。目前国内外对这类区域产流汇流机制研究不多, 本文选用科尔沁沙地南部前沿区一处相对独立的水文地质单元进行了研究, 对沙丘前沿区降雨径流关系特性进行分析。
1研究区概况
研究区为内蒙古通辽市大清沟水文站控制流域, 面积为94 km2, 其中沙丘及泡沼区面积82 km2, 占研究区总面积的87%。大清沟为辽河水系柳河支流, 属科尔沁沙地南部前沿区。主要地貌特征是风成沙丘、坨间洼地间隔分布, 地势平坦, 地下水埋深浅, 低洼处形成大小不一的泡沼。气候类型为温带半干旱大陆性季风气候, 多年平均降水量484 mm, 多年平均水面蒸发量1 746 mm。降水年内年际分布不均, 蒸发量大[1]。
2研究资料与方法
2.1研究资料
研究区内有大清沟、小清沟水文站以及大清沟、大清沟林场、苏家戈、八门套海4个雨量站, 积累了1979-2005年间的共计27年完整的水文资料。为了更深入了解区域水文特性, 2004年在研究区下游设水文试验站一处, 实测到2004年6月-2007年6月期间的降水、水位、流量和地下水资料。另外, 为进行比较, 收集了邻近同属辽河流域的绕阳河东白城子水文站对应时段的降雨径流资料。
2.2研究方法
整个研究分析过程大体上可分为以下4个步骤。
(1) 数据准备。
各类水文数据在整编和检验的基础上, 建立水文数据库, 形成降水数据表、水位数据表、流量数据和地下水数据表, 并在各表间建立索引关系。
(2) 数据挖掘。
将各数据表导入SAS数据库, 各数据表转换为SAS数据格式, 利用SAS的数据挖掘技术进行数据分析[2,3]。利用SAS数理统计模块 (SAS/STAT) 和数据挖掘模块 (SAS/EM) , 完成各水文要素相关图表并进行初步分析。
(3) 成因分析。
在数理统计分析基础上, 从成因分析的角度, 结合区域水文、地质条件, 分析数据挖掘结论的合理性, 初步得出沙丘前沿区产流汇流特性。
(4) 模型验证。
选择适合沙丘前沿区特点的水文模型进行降雨径流过程模拟, 并对前面得出的特性分析结论进行验证, 最后提出沙丘前沿区降雨径流关系特性分析的结论。
3研究结果与分析
3.1产流特性
研究区产流特性可概括为:“局部地表产流、全面稳定地下径流的特殊的蓄满产流机制”。产流过程可以描述为:降雨后首先在河沟水面上全部产生径流;然后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;最后是沙丘坨甸区, 由于下渗能力强, 地下水较深, 一般不产生地面径流, 下渗水量大范围地补给地下水, 产生地下径流, 向河沟侧向流动[4]。图1为降雨径流相关图 (P+Pa～R相关图) , 对比两站曲线, 相关曲线上部均为直线, 但绕阳河东白城子水文站的直线段斜率大于45°线, 即P+Pa>130 mm时, 降雨并未全部产流, 符合超渗产流降水强度 (或历时) 起决定因素的特点[5];而大清沟水文站直线段与45°线平行, P+Pa>70 mm时, 降雨全部产流, 是典型的蓄满产流模式。由图2看出, 与降水比较, 大清沟站断面径流变化较平稳, 且地下水所占比重大。
3.2汇流特性
受产流特性影响, 研究区汇流也表现出不同于一般平原地区的特性。
特性一:地表汇流面积所占比例小, 且大小不确定。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104 mm外, 其他站雨量均不大, 使径流系数偏大, 其他年份径流系数均为0.013～0.019, 相当密集。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 (雨期蒸发和植物截留暂不考虑) , 这时, 径流系数就是产流面积权重。就是说, 表1中100 mm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, 其部位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。假设下垫面条件是不变的, 它随着降雨条件的不同而不同, 但不会达到整个流域。
特性二:洪水过程历时长, 洪峰流量小, 洪量稳定。地表径流是形成洪峰的主要因素, 地表径流由于主要发生在河沟水面及两旁的坡脚, 径流量小, 汇流时间短。由图3可以看出, 洪峰出现时间早, 主峰雨后2 h出现洪峰, 但洪峰流量不大;因地下径流量比重大、出流平稳, 因此洪水过程历时长, 且每次洪水过程洪量相差不大。
3.3次降雨径流过程模拟
根据前面产流汇流特性的初步分析, 这里选择新安江模型进行模拟。该模型为典型的蓄满产流模型, 在我国南方湿润地区洪水预报中得到广泛的应用, 在北方干旱或半干旱地区由于产流机制的选择上一般适用超渗产流模式, 应用还不多见[6,7,8]。本次研究考虑了区域特性, 先选取1982-1998年连续17年的流量资料、降雨资料、逐日蒸发资料对模型参数进行率定, 采用基因方法自动率定获取参数的最优值, 并结合研究区特点对率定结果进行复核, 模型参数确定后, 取15次径流过程进行模拟, 时段长为1 h。利用确定性系数即Nash与Sutcliffe在1970年提出的模型效率系数来评价模型模拟的精度, 它可以比较直观地体现实测与模拟流量的拟合程度的好坏[9,10]。其式为:
式中:DC为确定性系数;Qobs, i为实测流量过程;Qsim, i为模拟流量过程;
次径流模拟参数率定情况见表2;次径流特征值模拟情况见表3。
从以上新安江模拟后的特征值结果来看:在15次径流过程中, 对于洪量和洪峰, 总共有15场洪量合格, 合格率为100%, 有12场洪峰合格, 合格率为80%;对于确定性系数来说, 总共有11场大于0.7。但有几场峰现时差较大, 这主要是由资料内插雨量被均化所致。总体来说, 新安江模型在研究区次径流过程模拟中是适用的, 也说明沙丘区产汇流机制符合蓄满产流模式, 且对降雨径流关系特性的分析是合理的。
4结语
通过上述分析, 沙丘前沿区因其特定的下垫面, 降雨径流关系表现出一定的特殊性。干旱和半干旱地区产流机制一般属超渗产流, 但沙丘前沿区域产流机制却表现为蓄满产流。这种蓄满产流亦不同于南方湿润地区的蓄满产流, 它是一种局部地表产流、全面稳定地下径流的特殊的蓄满产流机制, 其地表产流面积比例小且不固定, 受此影响, 洪水过程形成峰值较小, 但峰现时间提前。地下水是其产流过程的主水源, 由于地下含水层的调节作用, 径流稳定, 洪水过程拖长。
由于地下水运动的复杂性, 目前对于地下水库的补给范围和对径流过程的调节作用, 还有待于进一步深入研究。
摘要：沙丘前沿区因其特定的下垫面和水文气象条件, 降雨径流关系表现出一定的特殊性。通过对历史水文资料和水文试验数据研究, 初步分析了沙丘前沿区产流汇流特性, 并利用新安江模型进行次降雨径流模拟, 验证了特性分析结论。沙丘前沿区在产流上表现为局部地表径流、全面稳定地下径流的特殊的蓄满产流形式;地下水是汇流过程的主水源, 地下含水层调节作用明显, 洪水过程拖长, 地表径流形成洪峰, 地表产流面积比重小且不固定, 汇流时间短, 峰现时间相对提前但峰值小。
关键词：沙丘前沿区,降雨径流,产流,汇流
参考文献
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[3]Nguyen H S, Skowron A.Quantization of real-valued attributes[C]∥Proc Second International Joint Conference on InformationSciences.Wrightsville Beach, NC, 1995:34-37.
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[5]辽宁省水文水资源勘测局.辽宁省西部地区实用洪水预报方案[Z].2005-12.
[6]包为民.水文预报[M].北京:中国水利水电出版社, 2006.
[7]廖松.工程水文学[M].北京:清华大学出版社, 1991.
[8]赵人俊.流域水文模拟[M].北京:水利电力出版社, 1984.
[9]陈守煜.中长期水文预报综合分析理论模式与方法[J].水利学报, 1997, (8) :19-21.
[10]李致家, 洪水预报误差置信限与误差评定方法研究[J].河海大学学报, 2005, (1) :32-36.
[11]金鑫, 杨国范, 古健, 等.新安江模型在浑河流域上的应用[J].节水灌溉, 2008, (11) :40-42.
降雨径流关系探讨 第4篇
关键词：梯田,小流域,降雨,径流
1 引言
流域是水土流失研究的基本单元, 揭示流域产流特征, 分析其影响因子, 是森林水文学研究的重要课题。流域是由坡面与河系构成[1], 其产流与产流过程, 因受多种因素影响, 远较坡面产流复杂[2]。不同的降雨, 不同的植被, 在不同时期, 不同的地区[3~6]对径流都会产生不同的影响。由于流域产流的复杂性, 短期的野外观测是不能够满足研究需要的。因此, 设置观测站, 长时间对小流域降雨径流过程进行定点观测成为了流域产流特征研究的经典实验方法。
元阳县位于云南省南部的低纬度高海拔地区, 地处哀牢山脉南段, 红河中游南岸。地理位置为东经102°27′~103°13′, 北纬22°49′~23°19′。元阳梯田分布在元阳县中部[7], 梯田核心区在元阳县境内面积约有1.32×104hm2, 这些梯田坐落在海拔700~1900m、坡度为15°~75°间[8]的山岭沟壑之间, 距今已有1300多年的历史, 是中国古代梯田的杰出代表, 是人类适应自然、改造自然的典范。2013年6月元阳哈尼梯田更被列入世界遗产名录, 元阳梯田之所以能够千百年来经久不衰, 至今可以良好运行是与其水源区独特的水文效应分不开的。本文以元阳县全福庄小流域为研究对象, 在天然降雨条件下, 研究其降雨和径流特征, 分析径流和降雨之间的关系, 为小流域水土保持建设、流域开发和治理提供理论指导。
2 研究区概况
研究区设置在元阳梯田水源区全福庄小流域, 距县城南沙42km, 距老县城新街12km, 地理位置为东经102°46′04″~102°46′39″, 北纬23°05′23″~23°06′09″, 小流域总面积76.87hm2。海拔高程1880~2130m, 相对高差250m, 属麻栗寨河二级支沟。
全福庄小流域属亚热带山地季风气候, 年平均日照时数1820.8h, 蒸发量1500.6mm, 年平均气温16.6℃, 最高气温31.5℃, 最低气温-2.5℃。多雾多雨, 年平均雾日181d, 雨日191d。多年平均降雨量1500~2000mm, 干湿季分明, 每年5~9月为雨季, 降雨量占全年总雨量的70%以上, 且暴雨多集中于雨季。小流域内土壤主要是黄棕壤和黄壤, 土层较厚, 约100cm, 土壤剖面完整。小流域内土地利用类型以林地为主, 森林覆盖率达80%以上, 植被类型为中亚热带常绿阔叶林, 主要乔木种有石砾 (LithocarpusmegalophyllusRehder et E.H.Wilson) 、元江栲 (CastanopsisorthacanthaFranch) 、旱冬瓜 (AlnusnepalensisD.Don) 、云南臀果木 (pygeumhenryi Dunn) 等。主要灌木树种有臭牡丹 (ClerodendrumbungeistendTsiang) 、野牡丹 (Melastomacandidum D.Don) 、广西香花藤 (AganosmaKwangsiensisTsiang) 、茶 (Camlliasinensis) 。主要草本种有蕨菜 (Pteridiumaquilinum var.Catiusculus (Desv.) Underw) 、芨草 (Achnatherumsplendens (Trin.) Nevski) 、喜花草 (EranthemumnervosumR.Br.ex.Roem.et.Schult) 、莎草 (Schizaeadigitata) 等。
3 研究方法
选取全福庄小流域2012~2013年的降雨、产流定位观测数据。
3.1 降水量
在小流域内卡口站屋顶处安装JDZ05-1型自记雨量计常年连续观测降雨, 每5min记录一次降雨量数据。可以通过观测结果计算每场降雨的降雨量、降雨强度、降雨过程等数据。
3.2 径流量
在小流域出口引水沟道上方设立卡口站, 在卡口站安装WFH-2型水位计 (精度0.5mm) , 每5min测量一次沟道中设置的直角三角形薄壁堰的堰前水头H, 采用直角三角堰经验公式[9]计算小流域径流流量。再使用统计软件计算出逐日径流量。直角三角堰流量公式为:
式中Q为过堰流量 (m3/s) , H为堰前水头 (m) 。
4 结果与分析
4.1 全福庄小流域降雨特征
4.1.1 降雨量
经过统计分析可以发现, 研究区降雨量在年际之间差别还是比较大的。2012年全年降雨量1626mm, 比2013年降雨总量2038mm要低20.26%。2012年、2013年的月降雨量分布情况见图1。
根据降雨量监测数据, 2012年试验地共监测降雨139次, 年降雨总量为1626mm, 由图1可知, 降雨主要集中分布在5~9月, 这5个月的降雨量有1263mm, 占全年降雨总量的77.68%;7月为该年的最大降雨月, 降雨量达到344mm, 占全年降雨总量的21.16%。2012年6月19日为该年最大降雨日, 此次降雨历时3h35min, 降雨量为100mm, 降雨历时短, 降雨强度大。
2013年试验地共监测到157次降雨, 比2012年降雨次数明显增加。该年降雨总量2038mm, 在常年雨季5~9月降雨总量1451mm, 占全年降雨总量的71.2%之外, 4月、10月和12月降雨量也较往年偏多。7月为年的最大降雨月, 降雨量达到561mm, 比常年同期相比较大, 占全年降雨总量的27.53%。全年最大降雨日不在雨季之内, 为2013年12月15日, 降雨历时19h5min, 降雨量99mm, 降雨历时长, 雨强平稳均匀。
通过对2012年和2013年降雨总量和月降雨量分析可知:研究区降雨年内分配很不均匀, 起伏较大。各年月降雨量走势基本一致, 雨季主要集中在5~9月。由于该试验区研究开始时间较晚, 两年的降雨数据显示的特征还不太明显, 等研究期进一步延长, 多年的观测数据集合分析, 相信降雨量分布特征会更加明显。
4.1.2 降雨类型
根据24h降雨量对降雨类型进行分类[10]:0~9.99mm为小雨, 10~24.99mm为中雨, 25~49.99mm为大雨, >50mm为暴雨。将研究期内降雨量级统计如表1所示。
由表1统计数据可知, 全福庄小流域在2012、2013年监测期间共有降雨296场, 其中小雨、中雨、大雨、暴雨分别为175场、76场、37场和8场。在4种降雨类型中小雨的场次最多, 占总降雨场次的59.12%, 随雨量级的增大, 降水的场次依次减少, 尤其是大雨和暴雨的场次, 递减程度十分明显。而从降雨量来看中雨和大雨各占降雨总量的33.54%和32.34%, 小雨和暴雨的降雨量相差不多, 所以4种雨量等级的降雨量分布呈现两头少, 中间多的态势。
从表1还可以看出, 对小流域地表径流影响较大的大雨和暴雨在2013年的场次和降雨总量都比2012年显著增加, 且2013年的总雨量也比2012年增加25.34%。这说明研究区正逐渐脱离2009年开始的云南全省大旱的影响, 气候也在恢复湿润。
4.2 全福庄小流域径流特征
由全福庄小流域径流观测数据统计得出, 2012年研究区径流总量为110.04万m3, 年径流深为1431.55mm;2013年径流总量109.74万m3, 年径流深1427.61mm。研究区年际间变化不大。将2012年和2013年各月径流量绘制如图2。
从图2中可以看出, 小流域每月径流量变化不是很大, 2012年径流量最大月是在8月份, 为125125.5m3, 2013年径流量最大是在7月, 为133461.6m3, 分别占当年径流总量的11.37%和12.16%。2012年径流量最小月是2月的66280.65m3, 2013年径流量最小月则是在6月的69791.58m3, 分别占当年径流总量的6.02%和6.36%。两年的径流月分布情况还显示出, 旱季中后期的2~4月和雨季前期的5、6月这5个月的径流量变化极小, 月径流量均在7万m3左右。从7月开始, 月径流量开始明显增长, 雨季结束时开始回落, 一直到次年1月。
4.3 全福庄小流域降雨和径流之间的关系
降雨是径流的主要来源, 也是形成径流的首要环节。一般来说, 降雨量越大, 产生河川径流就越大;降雨强度越大, 短期内形成洪峰的可能性就越大。
根据图3和图4的研究区数据显示, 研究期间的各月降雨量变化比较大, 而各月径流量变化幅度不如降雨量变化大。因为降雨和径流之间的密切关系, 径流量大小多随降雨量变化而变化, 但并不是一一对应的。例如2012年的3~5月、7~8月和2013年的4~5月、9~10月, 这些时段的降雨量是在增加但径流量反而在减少。2013年降雨总量比2012年多出25.34%, 但径流总量反而比2012年少。这些数据可以说明研究区小流域对径流有着良好的调节作用, 径流量的大小不是仅受降雨量的影响, 还有其他的影响因素。
5 结论与讨论
(1) 研究区降雨量年际变化较大, 2013年的降雨量也比2012年增加25.34%。降雨年内分布不均, 雨季 (5~9月) 降雨量占全年的70%以上, 且大雨和暴雨多分布于雨季。从降雨强度来看, 小雨发生的频次最高, 而中雨和大雨的降雨量最多。
(2) 全福庄小流域在研究期间平均年径流深1429.58mm, 每月径流量变化不大, 不论雨季还是旱季常年有径流产生。降雨量变化和径流量变化并非一一对应, 2013年降雨量比2012年明显增加, 而径流量反而比2012年少, 也就说明研究区径流量和降雨量的相关性不明显。
由以上结论可知, 研究区的径流量大小不是只受降雨量单一因素影响, 还与土地利用类型、植被、土壤等有很大关系。全福庄小流域近年开展退耕还林还草工作以后, 天然林恢复很快, 研究区内大片的水源涵养林对降雨有拦蓄作用, 对径流有吸收作用, 其作为“天然水库”对小流域径流有较好的调节作用。今后还可通过对研究区不同植被、土壤的研究, 更加全面的分析小流域降雨径流特征。
参考文献
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降雨径流关系探讨 第5篇
关键词：屋面径流,径流过程,污染,环境质量
1 引言
目前,国内城市普遍面临内涝威胁。在暴雨来临时,屋面与路面等不透水面上的径流不能就地入渗,而是迅速形成洪峰,当洪峰超过城市排水系统的排水能力后,内涝就发生了[1]。城市频繁的内涝对城市居民造成了严重的生命财产损失。
普通的城市洪水管理措施有扩建排水设施、修建储水池(罐)并收集或截留雨水径流和将不透水路面改造成透水路面等。将屋面径流收集储存或用于园林绿化灌溉,或者在小区草地就近入渗补充地下水,对减轻城市内涝灾害,改善城市水环境有重要作用[2]。
不管收集利用屋面径流,还是让屋面径流排放到天然河湖中去,屋面径流的环境质量都应该给予足够关注。一些学者发现屋面径流中有重金属污染物[3]、PAHs污染物[4]、农药[5]和除草剂[6],表明屋面利用屋面径流前需要查清屋面径流的污染情况。
屋面类型和屋面材料的不同,不但影响屋面径流的径流过程,也影响屋面径流水质。相对于无植被的普通屋面,绿化屋面通过种植基材对雨水的截留和吸收,延迟屋面径流的产生,削平径流洪峰和延长了径流时长,减少径流总量[7,8,9,10]。Nicholson et al.(2009)[11]比较了6种屋面收集的径流雨水,发现涂料处理的木屋面径流含铜最高,镀锌彩钢屋面径流含锌最高;王书敏等(2012)[12]发现暴雨时绿化屋面的屋面径流中Tot-P、Tot-N、NO3-N含量均比雨水高;Tot-N、NH4-N和Tot-P含量比普通屋面低,NO3-N、PO4-P比普通屋面高。Hathaway et al.(2008)[13]研究发现,绿化屋面的屋面径流中的Tot-N和Tot-P含量比普通屋面和雨水含量高。然而,Khler et al.(2002)[14]报道,在屋面绿化以后的3年中,绿化屋面屋面径流比普通屋面分别减少95%、88%、80%和67%的Pb、Cd、NO3-和PO43-的排放。
已有的研究多是国外开展的,取得的规律不一定适用于国内。绝大多数研究单独研究径流水质或水量;且对径流取样时,一次降雨只取一个样。这种水质和水量分开研究、忽略径流的水质随径流过程的变化的研究思路,得到的规律不完整,不利于科学指导屋面径流的收集、处理和回用。
为解决以上问题,本研究使用木箱模拟构建3种不同类型的屋面,采用人工降雨试验手段,相隔12月2次测量3种屋面的径流过程和径流污染物含量,以探明径流水质随径流过程变化规律和受污染程度。
2 材料与方法
2.1 种植箱模拟三种屋面
3种屋面使用3个尺寸一致的无盖木箱模拟。木箱净尺寸为长×宽×高=1.0m×0.5m×0.35m,底板靠近挡板处的中间部位有20mm的排水孔。考虑到绝大多数普通屋面(含使用了防水卷材屋面)的面层是砂浆或细石混凝土,模拟普通屋面的木箱(编号1#)底板表面铺设一层厚度10mm细沙水泥砂浆,灰砂比为1∶2.0,水泥标号32.5。模拟彩钢屋面的木箱(编号2#)中放置一块面积为1.0×0.5 m2型号为YX25-205-820压型板(湖北恒信铭扬置业集团有限公司生产)。模拟绿化屋面的木箱(编号3#)内自下而上依次铺设一层0.08mm厚聚乙烯薄膜,型号为26蓄排水板(上海绿旺塑料制品有限公司);100g/m2无纺布;4cm厚种植基材。种植基材配方(体积比):碎砖45%,碎混凝土7%,河砂30%,泥炭土8%,表土10%。每升基材添加奥绿R长效控释肥7g。经检测,种植基材中粗颗粒的粒径范围为1~10mm,干密度1.28g/cm3,饱和含水量29%,孔隙率48%。种植基材氮磷、主要重金属含量见表1。
mg/kg
上述木箱在2015年3月11日制作并以2%的坡度放置。同时在3#木箱中均匀栽种60株佛甲草。种植箱如图1所示。
2.2 人工降雨径流观测
分别于2015年3月11日、2016年3月16日对3个木箱进行2次人工降雨试验。人工降雨试验装置如图2所示。为了使两次试验的结果具有可比性,试验用哇哈哈纯净水,采用形同的降雨强度,即每次喷水8L,喷水时长6.2min。
记录喷头喷水开始、结束时间;木箱径流产生、结束时间。通过控制水龙头开关,每隔5min移走有水的取样塑料瓶测量水量。由于1#、2#和3#木箱径流延时相差很大,对每一个木箱径流过程取三个水样测试水质,即前2个5min水样和10min后所有径流合并后取一个水样测试水质。试验开始时,取样测试自来水水质。
2.3 基材及水样分析
水样中的重金属元素Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni用原子吸收法测定。水样总氮含量采用过硫酸钾紫外分光光度法测定,总磷含量采用过硫酸钾-钼锑抗分光光度法测定。用BPH-220型pH值测试仪测量pH值。用CODMn法(以O2计)测试雨水和径流水样的COD,用培养法测试BOD5;用Apollo 9000燃烧分析仪分析DOC含量;总氮(TN)含量采用过硫酸钾紫外分光光度法测定,总磷(TP)含量采用过硫酸钾-钼锑抗分光光度法测定。
3 结果与分析
3.1 试验期间降雨情况
从2015年3月1日至2016年3月31日共有157d降雨,期间降雨总量为1424.4mm,最大降雨量为78.1mm日(6月7日);6月降雨量最大,为306.5mm;12月降雨量最小,为21mm(数据来自距离试验场地1km的湖北农科院小型气象站)。
3.2 径流过程
由于两次试验中,每木箱径流过程相差很小,对两次试验中同时段的径流量取平均值,得到3个木箱径流过程如表2所示。可以看出,1#箱和2#箱的径流过程相差很小,2#号的径流过程开始时径流量更大一些,径流结束时间更早。1#和2#箱的径流过程显著不同于3#箱,表现在径流开始时间早,最大5min径流量和前30分径流量和总净流量都远大于3#箱,而径流总延时却远小于3#箱。3#箱平均截留雨水超过3000g,而1#和2#箱,只截留200g左右雨水。
3.3 径流pH及氮、磷、BOD5、COD和DOC含量
三木箱在两次人工降雨试验时径流过程的pH值、DOC、COD、BOD5、TN、TP含量见图3。1#、2#箱径流pH值在第一次人工降雨试验时开始2个5min取样低于降雨pH值,且pH值有随径流过程增加的趋势。可能是由于屋面积尘含有酸性物质,在径流开始时积尘含量高,随着灰尘被逐渐冲洗,pH值有所回升;1#箱模拟的是普通屋面,有水泥砂浆面层,会向径流释放碱性物质(如Ca(OH)2),所以pH值偏高。3#箱第一试验时径流初期pH值含量超过降雨pH值,但第二试验时径流pH值却比降雨低。出现这个现象的可能解释是基材初期呈弱碱性;而经过一年后,基材在酸雨和植物和微生物作用下,碱度下降。
注:图中,图标“1次1样”、“1次2样”分别表示第1次试验时第1、2个5min径流取样,“1次3样”表示第2次试验时第2个5min以后的所有径流量的取样(图4同)。图中虚线为试验用人工降雨纯净水含量,点划线为GB3838-2002规定Ⅳ类水域含量指标(图4同)
两次试验中,3#箱径流DOC含量远高于1#、2#箱,显示绿化屋面系统向径流中释放的可溶性碳含量高于普通屋面和彩钢屋面。3#箱在第一试验时径流DOC含量高于第二次试验时径流含量,径流DOC含量随径流过程变化规律不明显。1#、2#箱径流DOC含量高于降雨含量且含量随径流过程有下降趋势,表明普通屋面和彩钢屋面也向径流中释放了DOC。
两次试验中,3#箱径流TN、TP含量远高于1#、2#箱,显示绿化屋面系统向径流中释放的氮、磷含量高于普通屋面和彩钢屋面。3#箱在第一试验时径流TN、TP含量高于第二次试验时径流含量,径流TN、TP含量随径流过程变化规律不明显。1#、2#箱径流TN、TP含量高于降雨含量且含量随径流过程有下降趋势,表明普通屋面和彩钢屋面也向径流中释放了氮磷。三种屋面两次试验时多数径流TP含量超过了GB3838-2002规定Ⅳ类水域含量指标含量(0.3mg/L)。
两次试验时,3#箱径流COD、BOD5含量高于1#、2#箱,显示绿化屋面系统向径流中释放的有机物浓度高于普通屋面和彩钢屋面。3#箱在第一试验时径流COD、BOD5浓度高于第二次试验时径流浓度,径流COD含量随径流过程有增大趋势,但BOD5含量随径流过程变化规律不明显。1#、2#箱径流COD、BOD5含量高于降雨含量且含量随径流过程有下降趋势,表明普通屋面和彩钢屋面也向径流中释放了有机物。绿化屋面径流第一次试验时所有取样BOD5含量和第二次试验时径流第一个5 min取样COD含量超过了GB3838-2002规定Ⅳ类水域含量指标含量。
1#、2#箱径流COD、BOD5、DOC、TN、TP含量随径流过程有下降趋势,出现这一现象的解释是1#、2#箱(屋面)积尘在降雨时被冲洗并向径流释放有机物,在径流开始时灰尘含量高因而径流污染物含量高,随着灰尘被逐渐冲洗,径流中灰尘含量降低,污染物含量也随之下降。
3.4 径流重金属含量
三木箱在两次人工降雨试验时径流过程的6种重金属含量见图4。两次试验中,1#箱径流6种重金属含量和2#箱径流除Cu、Zn外4种重金属含量随径流过程均有减少趋势。出现这个现象可能的解释是普通屋面积尘在降雨时被冲洗并向径流释放重金属,在径流开始时灰尘含量高因而径流重金属含量高,随着灰尘被逐渐冲洗,径流中灰尘含量降低,重金属含量也随之下降。3#箱径流6种重金属含量含量随径流过程变化规律不明显。
注:人工降雨使用的纯净水未检出重金属含量,GB3838-2002规定Ⅳ类水域含量指标(Zn:2.0mg/L;Cu:1.0mg/L,超出坐标范围,图上无法标注;Cr、Ni没有规定)
2#箱第一次试验时径流Cu和Zn含量随径流变化规律与其他重金属不一致,表现在径流后期的含量反而升高。出现这个现象的可能解释是彩钢屋面材料(涂料)中含有Cu和Zn,在降雨时向径流中释放了Cu和Zn。
两次试验中,2#箱径流除了Cd与1#含量相近外,其他5种重金属含量都比1#含量高。表明彩钢屋面径流受重金属污染更严重。3#箱径流Cd含量远高于1#和2#箱,Zn含量远高于1#箱。除了Zn和Cr,3#箱两次试验中第2、3试样重金属含量比1#和2#箱含量高。
3.5 径流污染物总量
三木箱在两次试验时径流污染物总量见表3。由表3可见,两次试验时2#箱径流每种污染物的总量都高于1#箱;3#箱径流的Pb、Cr、Cu和Ni总量低于1#箱,其他污染物总量高于1#;3#箱径流的Pb、Cr、Cu、Zn和Ni总量低于2#箱,其他污染物总量高于2#。
mg
3#箱第一次试验径流Cr、Cu、DOC、TN和TP总量都高于第二次试验,其他重金属总量低于第二次试验;2#箱第一次试验径流Cr、Cu、Zn、Ni和DOC总量都高于第二次试验,其他污染物总量低于第二次试验;1#箱第一次试验径流Cr、Cu、Ni、DOC和TP总量都高于第二次试验,其他污染物总量低于第二次试验。
4 结论
通过用木箱模拟构筑普通屋面、彩钢屋面和绿化屋面,在相隔12个月两次人工降雨试验下,测试径流过程5min流量和径流过程水质(包括Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni、TP、TN、COD、pH、DOC、BOD5),得到如下结论。
(1)绿化屋面径流过程与普通屋面和彩钢屋面相差很大,彩钢屋面和普通屋面径流过程形似。与普通屋面和彩钢屋面相比,绿化屋面的径流开始时间更晚,径流延时更长,径流总量更小,径流洪峰更低。
(2)绿化屋面径流有机污染物的含量高于彩钢屋面和普通屋面径流;有机污染物含量和Cd总量也高于彩钢屋面和普通屋面径流;彩钢屋面径流除了Cd与普通屋面径流含量相近外,其他5种重金属含量都比普通屋面含量高。
(3)彩钢屋面和普通屋面径流多数污染物含量随着径流过程有减少趋势,绿化屋面径流污染物含量随径流过程变化规律不明显。绿化屋面第一次试验时径流有机污染物含量和总量比第二次试验时高,表明径流有机污染物含量随着屋顶绿化龄期有减少趋势。