黑河中游地區(qū)水資源分析

鄭利民,吳玉磊,劉燕鳳,徐 洋

(1.黃河水利科學(xué)研究院,鄭州 450003;2.河套灌區(qū)義長(zhǎng)灌域管理局,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015100)

黑河是中國(guó)西北地區(qū)較大的內(nèi)陸河，發(fā)源于青海省祁連山中段，流域總面積約為14.3萬(wàn)km2，流經(jīng)青海、甘肅、內(nèi)蒙古三省(區(qū))的14個(gè)縣(市、區(qū)、旗)及國(guó)防科研基地，戰(zhàn)略地位十分重要。中游的張掖市，農(nóng)牧業(yè)開(kāi)發(fā)歷史悠久，享有“金張掖”之美譽(yù)，居延三角洲地帶的額濟(jì)納綠洲既是阻擋風(fēng)沙侵襲、保護(hù)生態(tài)的天然屏障，也是當(dāng)?shù)厝嗣裆⒎毖?、?guó)防科研和邊防建設(shè)的重要依托。

1 黑河流域概況

黑河流域有35條小支流，隨著用水的不斷增加，部分支流逐漸與干流失去地表水力聯(lián)系，形成西、中、東3個(gè)獨(dú)立的子水系。其中東部子水系即黑河干流水系，包括黑河干流、梨園河及其它20多條沿山小支流，尾閭是東、西居延海，面積是11.6萬(wàn)km2。

黑河干流鶯落峽以上為上游，河道長(zhǎng)313 km，流域面積1萬(wàn)km2，年均降水量350 mm，為干流主要產(chǎn)流區(qū)，氣候陰濕寒冷，植被較好，河道為峽谷型河道，山高谷深、水流湍急，徑流量的大小受降水、融冰及森林植被覆蓋度等影響，徑流年內(nèi)分配不均勻，年際變化不大。鶯落峽至正義峽之間為中游，為徑流利用區(qū)，河道長(zhǎng)204 km，流域面積2.56萬(wàn)km2，該區(qū)光熱資源豐富，依靠黑河供水，人工綠洲發(fā)育，是甘肅省的重要農(nóng)業(yè)區(qū)。正義峽以下為下游，河道長(zhǎng)411 km，流域面積8.04萬(wàn)km2，為徑流消耗區(qū)，氣候干燥，植被稀疏，是戈壁沙漠圍繞天然綠洲的干旱地區(qū)。

黑河徑流由區(qū)降水和冰雪融化補(bǔ)給，干流鶯落峽站多年平均年徑流量15.8億m3，梨園河梨園堡站多年平均年徑流量2.37億m3，其他沿山支流多年平均年徑流量為6.58億m3，各出山口合計(jì)多年平均年徑流總量為24.75億m3。黑河流域地下水主要由河川徑流補(bǔ)給，地下水資源總量為21.76億m3。其中，山丘區(qū)水資源量為9.36億m3，平原區(qū)水資源量為20.32億m3，山丘區(qū)、平原區(qū)之間重復(fù)量約為7.92億m3。

梨園河上游有西岔河和擺浪河，全長(zhǎng)180 km，梨園堡以上長(zhǎng)130 km，流域面積2 240 km2，山區(qū)冰川面積16.18 km2，冰川儲(chǔ)量3.88億m3，年冰川融水量0.12億m3。

2 黑河鶯落峽、梨園堡斷面來(lái)水分析

(1) 鶯落峽斷面來(lái)水頻率分析

以P=10%、P=50%、P=90%三個(gè)頻率分別代表黑河干流鶯落峽斷面來(lái)水豐、平、枯的3種情形。選用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行頻率分析，采用目估適線法對(duì)鶯落峽斷面1945—2012年徑流系列進(jìn)行調(diào)參，根據(jù)點(diǎn)線配合情況確定最后采用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

經(jīng)分析，該徑流系列Cv=0.168，Cs=0.504，Cs/Cv=3.0，均值為16.10億m3

不同來(lái)水頻率下的徑流量成果見(jiàn)表1。

表1 鶯落峽斷面來(lái)水豐、平、枯的頻率分析成果表

(2) 鶯落峽斷面豐、平、枯來(lái)水過(guò)程分析

根據(jù)鶯落峽斷面豐、平、枯來(lái)水頻率分析成果，按照水量調(diào)度的特點(diǎn)，確定1958年、1980年、1979年為鶯落峽斷面豐、平、枯典型代表年。典型代表年流量月分配過(guò)程見(jiàn)表2。

表2 鶯落峽斷面豐、平、枯典型代表年流量月分配過(guò)程表 /億m3

(3) 梨園堡斷面來(lái)水頻率分析

以P=10%、P=50%、P=90%三個(gè)來(lái)水頻率分別代表梨園河梨園堡斷面來(lái)水豐、平、枯的3種情形。對(duì)梨園堡斷面1960—2012年徑流系列進(jìn)行P-Ⅲ型曲線頻率分析，目估適線。

經(jīng)分析，該徑流系列均值為2.463億m3。來(lái)水豐、平、枯情況下的徑流頻率分析成果見(jiàn)表3。

表3 梨園堡斷面來(lái)水豐、平、枯的頻率分析成果表

3 徑流以降水補(bǔ)給為主

上游祁連山區(qū)降水較多，又有冰川融水補(bǔ)給，下墊面為石質(zhì)山區(qū)且植被良好，是黑河徑流形成區(qū)。祁連山出山口以上徑流量占全河天然水量的88.0%。

流域多年平均降水量126億m3，其中77%消耗于蒸散發(fā)，大約有22.6%轉(zhuǎn)化為地下水和地表水資源。河源地區(qū)冰川覆蓋面積約110 km2，年補(bǔ)給河流的冰川融水量約1.0億m3，僅占河川徑流量的4.5%，其余95.5%的徑流量由降水補(bǔ)給。

4 徑流年際變化不大

由于河川徑流受冰川補(bǔ)給的影響，徑流年際變化相對(duì)較小，干流鶯落峽斷面多年平均年徑流量15.8億m3，最大年徑流量23.2億m3(1989年)，最小年徑流量11.2億m3(1973年)，年徑流的最大值與最小值之比為2.1，年徑流變差系數(shù)Cv值僅為0.2左右。

對(duì)鶯落峽斷面1945—2012年的徑流量序列進(jìn)行線性回歸分析，可知：鶯落峽斷面徑流量變化趨勢(shì)為增加趨勢(shì)，增率為0.44億m3/(10 a)，這種現(xiàn)象是由上游祁連山區(qū)夏季降水量增多和冬春季氣候變暖導(dǎo)致季節(jié)性冰雪融水增多所引起。正義峽斷面徑流量變化趨勢(shì)為減少趨勢(shì)，減率為0.30億m3/(10 a)。

從鶯落峽斷面1957—2012年徑流年際變化5 a滑動(dòng)趨勢(shì)線可知，鶯落峽斷面徑流豐水年和枯水年交替出現(xiàn)，豐枯轉(zhuǎn)化較為平衡。

鶯落峽斷面年徑流變化過(guò)程可分為5個(gè)階段:1957—1959年為豐水段，1960—1979年為枯水段，1980—1989年為豐水段，1990—2001年為平水段，2002—2012年為豐水段。黑河徑流具有連續(xù)枯水或連續(xù)豐水的特點(diǎn)，并且出現(xiàn)枯水段和豐水段的頻率基本一致。

根據(jù)以上對(duì)鶯落峽斷面年徑流量系列的分析，黑河年徑流整體上呈現(xiàn)為豐、枯交替的周期性變化，出現(xiàn)了多個(gè)豐水段和枯水段，豐水年和枯水年出現(xiàn)的頻率基本相當(dāng)。因此，黑河干流近年來(lái)出現(xiàn)的豐水段屬于正常的徑流連續(xù)偏豐現(xiàn)象，主要是由于同期降雨連續(xù)偏多所致，屬于正常的周期變化。未來(lái)徑流仍將呈現(xiàn)周期性豐、枯交替變化，多年平均徑流量不會(huì)出現(xiàn)顯著的趨勢(shì)性變化。

徑流量的多年變化，既有與降水相同的一面，又由于下墊面的作用而變化更大。徑流的周期變化與年降水的周期變化基本是相應(yīng)的，在置信水平為95%的情況下，沒(méi)有顯著周期存在。

黑河流域受冰川補(bǔ)給，故年徑流極值變化幅度較小而且較均勻，最大與最小比值一般在2.0左右。由實(shí)測(cè)徑流分析可知，各種不同年限滑動(dòng)均值與長(zhǎng)系列均值的離差系數(shù)，隨著時(shí)段的加長(zhǎng)，其誤差逐漸縮小。當(dāng)資料年限為10 a時(shí)，系列代表性誤差可以控制在10%以下，如鶯落峽和冰溝均在5%以下。采用的資料系列能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)系列的25%時(shí)，就可以將與標(biāo)準(zhǔn)值的離差系數(shù)控制在10%以內(nèi)。總的來(lái)看，黑河地區(qū)由于冰雪徑流的調(diào)節(jié)作用，使徑流的年際變化明顯減小，與當(dāng)?shù)氐慕邓啾龋鄳?yīng)短時(shí)段的代表性明顯提高。

5 徑流年內(nèi)分配不均

受降水條件、河流補(bǔ)給類型、流域自然地理特征和人類活動(dòng)的影響，黑河流域徑流年內(nèi)分配極不均勻。

采用1945年7月—2012年12月共68 a實(shí)測(cè)徑流系列，統(tǒng)計(jì)鶯落峽斷面不同時(shí)期的逐月徑流量，可以看出，鶯落峽斷面多年平均(1945年7月—2012年12月)實(shí)測(cè)徑流量為16.10億m3，徑流主要集中在年內(nèi)的6—9月份，鶯落峽斷面不同時(shí)期徑流量的月分配情況見(jiàn)圖1。

從圖1中可以看出，鶯落峽斷面各個(gè)時(shí)期徑流量的月分配變化不大?？傮w上，鶯落峽斷面各個(gè)年代徑流年內(nèi)分配均呈明顯的“單峰型”分布，其徑流量在1—2月處于低值，3月開(kāi)始上升，7月達(dá)到極大值，8月有所減少，直至12月再次到達(dá)低值。其徑流量主要集中在汛期(5—10月)，該時(shí)段徑流量占到全年徑流量的80%以上(變化范圍為81.7%～92.0%)，超過(guò)非汛期徑流量的4倍。徑流量連續(xù)最大2個(gè)月(7—8月)徑流量是連續(xù)最小2個(gè)月(1—2月)的4倍左右，連續(xù)最大4個(gè)月降水量占年降水量73.3%以上，連續(xù)最枯5個(gè)月降水量占年降水量的10%以下。

圖1 鶯落峽斷面徑流量月分配過(guò)程圖

6 中游年內(nèi)各時(shí)段耗用水量變化

在走廊灌區(qū)下游，受灌溉回歸、河道下滲等影響，冬春季12月—次年3月正義峽斷面水量較大，占年量40%以上，4—6月正義峽斷面徑流量反而最小。

鶯落峽斷面在不同年代的徑流量年內(nèi)分配情況基本上比較穩(wěn)定，沒(méi)有大的變化，但是正義峽斷面的徑流年內(nèi)分配情況卻有明顯的不同，分析原因主要由于黑河干流缺乏骨干調(diào)節(jié)工程，中游地區(qū)實(shí)際引水過(guò)程主要受出山口徑流過(guò)程及灌溉需水過(guò)程的影響。而正義峽斷面的徑流量在不同年代產(chǎn)生如此大的差異，主要是受中游灌溉的影響。

每年的6—9月是農(nóng)業(yè)灌溉的高峰期，每年的10、11月及次年4、5月正義峽斷面的徑流量和鶯落峽斷面的來(lái)水變化情況基本保持一直，說(shuō)明該時(shí)段中游的耗用水量較小，但是從每年的11月到次年的4月，正義峽斷面的徑流量卻明顯高于鶯落峽，主要原因是黑河流域中游地區(qū)地表水和地下水具有多次重復(fù)利用特點(diǎn)，并且形成了有規(guī)律的、大數(shù)量的、反復(fù)轉(zhuǎn)化和重復(fù)利用的特點(diǎn)。黑河徑流出山后，流入中游平原區(qū)，在中游地區(qū)被引入灌溉供水系統(tǒng)，除了消耗于各種用水，其余的沿河床下泄并沿途入滲，補(bǔ)給地下水。被引灌的河水，除了被作物吸收蒸騰、渠系和田間蒸發(fā)外，相當(dāng)一部分下滲補(bǔ)給地下水，并排入黑河或者被再次引灌。

7 近年來(lái)徑流變化特點(diǎn)分析

黑河干流鶯落峽斷面至正義峽斷面之間為中游地區(qū)，除梨園河外基本無(wú)區(qū)間地表徑流加入。梨園河為梨園河灌區(qū)、沙河灌區(qū)供水，部分水量加入黑河干流。因此，鶯落峽、梨園堡、正義峽3個(gè)水文斷面的徑流量變化基本反映研究區(qū)內(nèi)的地表水資源量變化。

(1) 徑流年際變化分析

根據(jù)對(duì)鶯落峽站2001—2012年徑流系列統(tǒng)計(jì)，該時(shí)段多年平均徑流量為17.91億m3，比1945—2000年徑流系列均值16.08億m3偏大1.83億m3。該系列中有10 a徑流量大于16.08億m3，其中2005—2012年連續(xù)8 a偏豐，8 a平均徑流量為18.96億m3，比1945—2000年徑流系列均值16.08億m3偏大17.91%。以上說(shuō)明2001年以來(lái)黑河徑流變化總體上表現(xiàn)為偏豐，2005年以來(lái)表現(xiàn)為連續(xù)偏豐。

通過(guò)對(duì)鶯落峽斷面2001—2012年徑流系列統(tǒng)計(jì)，該時(shí)段鶯落峽斷面平均年徑流量為17.91億m3，較多年均值(15.80億m3)和1991—2000年系列均值(15.73億m3)偏大13.35%和13.85%。其中，2012年徑流量較多年均值和1991—2000年系列均值分別偏大22.47%和22.54%。

正義峽斷面2012年徑流量比2001年增加4.65億m3，該時(shí)段正義峽斷面平均年徑流量為10.46億m3，較多年均值(10.10億m3)偏大3.56%、較1991—2000年系列均值(7.55億m3)偏大38.54%。

梨園堡斷面2010年徑流量比2000年增加0.29億m3，該時(shí)段梨園堡斷面平均年徑流量為2.54億m3，較多年均值偏大7%。其中，2010年徑流量較多年均值偏大13%，2000年徑流量較多年均值偏大0.4%。綜上可知，從上游山區(qū)流入黑河中游的河川徑流有增加的趨勢(shì)，這主要是由氣候變暖導(dǎo)致祁連山區(qū)降水量和季節(jié)性冰雪融水增多所致。2000—2012年期間鶯落峽、正義峽兩水文斷面年徑流量的氣候傾向率分別為5.37億m3/(10 a)和0.66億m3/(10 a)。此外，期間從正義峽流入黑河下游的年徑流量也有增加趨勢(shì)，從徑流觀測(cè)可以看出，2001—2012年期間，正義峽斷面的年平均徑流量為10.16億m3，下泄量增加，一方面與上游來(lái)水量增加有關(guān)，另一方面也是實(shí)施黑河水量統(tǒng)一管理調(diào)度與流域近期治理的成果。

(2) 徑流年內(nèi)變化分析

黑河實(shí)施水量調(diào)度以后,鶯落峽、正義峽斷面徑流年內(nèi)分配情況同90年代比較變化不大。對(duì)鶯落峽斷面2000—2012年期間各月平均徑流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，徑流量的年內(nèi)分配呈現(xiàn)明顯的“單峰型”分布。

鶯落峽斷面徑流主要集中在汛期，即5—10月份，這6個(gè)月徑流量占全年徑流量的82.39%～84.04%，為非汛期徑流量的4倍。經(jīng)對(duì)2012年和2000年不同時(shí)段徑流量對(duì)比分析，2012年徑流量1—4月較2000年減少0.29億m3，5—6月較2000年增加0.21億m3，7—9月較2000年增加4.43億m3，10—12月較2000年增加0.32億m3，7—9月變化最大。

梨園堡斷面徑流量的年內(nèi)分配表現(xiàn)為相似的“單峰型”分布，且汛期徑流量所占比重更大，5—10月期間的徑流量占年徑流總量的91%以上。經(jīng)對(duì)2012年和2000年不同時(shí)段徑流量對(duì)比分析：2012年徑流量1—4月、5—6月較2000年減少0.08億m3，7—9月徑流量增加0.24億m3，10—12月較2000年增加0.10億m3。

正義峽斷面徑流量的年內(nèi)分配表現(xiàn)與鶯落峽、梨園堡不同，6—11月期間的徑流量所占比重較大。經(jīng)對(duì)2010年與2000年不同時(shí)段徑流量對(duì)比分析：2010年徑流量1—4月較2000年增加1.43億m3，5—6月較2000年增加0.30億m3，7—9月較2000年增加2.45億m3，10—12月較2000年增加0.75億m3。

8 結(jié) 語(yǔ)

黑河徑流整體上呈現(xiàn)豐、枯交替的周期性變化，近年來(lái)出現(xiàn)的豐水段屬于正常的徑流連續(xù)偏豐現(xiàn)象，屬于正常的周期變化，多年平均徑流量不會(huì)出現(xiàn)顯著的趨勢(shì)性變化。

黑河流域受冰川補(bǔ)給，故年徑流極值變化幅度較小而且較均勻，最大與最小比值一般在2.0左右。鶯落峽斷面各個(gè)年代徑流年內(nèi)分配均呈明顯的“單峰型”分布，其徑流量在1—2月處于低值，7月達(dá)到極大值，直至12月再次到達(dá)低值，且徑流量主要集中在汛期(5—10月)。

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