中線調(diào)水對(duì)漢江下游水資源可利用量影響研究

竇 明，于 璐，楊好周，魯玉利(. 鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 45000；2. 鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心，鄭州 45000)

0 引 言

南水北調(diào)中線工程從丹江口水庫(kù)調(diào)水，造成水庫(kù)下泄流量減少、水位降低，勢(shì)必會(huì)對(duì)漢江下游地區(qū)的水資源供需關(guān)系產(chǎn)生影響。特別是漢江下游的水位流量過(guò)程發(fā)生改變，將導(dǎo)致其水資源可利用量減少，水資源可利用率也會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)程度的變化。為有效補(bǔ)充漢江下游水量、抬高水位，政府修建了一系列漢江下游補(bǔ)償工程，引江濟(jì)漢便是其中一項(xiàng)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)中線調(diào)水及其對(duì)漢江影響開(kāi)展了一系列的研究，劉丙軍等(2003年)從水資源可持續(xù)利用的角度，研究了不同水平年不同調(diào)水方案對(duì)漢江中下游干流供水區(qū)水資源供需關(guān)系的影響[1]。張家玉等(2000年)研究了中線工程實(shí)施后對(duì)漢江中下游地區(qū)造成的生態(tài)環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)損益[2]。竇明(2008年)從可利用水資源量和水環(huán)境容量?jī)蓚€(gè)方面，研究了中線調(diào)水對(duì)漢江下游枯水期水量和水質(zhì)狀況的影響[3]。雖然這些研究從不同角度分析了中線調(diào)水對(duì)漢江的影響，但關(guān)于對(duì)漢江下游水資源可利用量方面的研究還比較缺乏。本文以漢江下游為研究對(duì)象，綜合考慮現(xiàn)狀及不同調(diào)水方案的情景，對(duì)漢江下游水資源可利用量展開(kāi)計(jì)算，其研究結(jié)果可為今后中線工程的合理調(diào)度和下游水資源配置工作的開(kāi)展提供參考。

1 分析計(jì)算

扣損法計(jì)算地表水資源可利用量，即從地表水資源總量中扣除不可利用的水資源量。其中，不可利用的水資源量包括河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量和汛期洪水棄水量。在汛期，棄水量中的一部分可作為生態(tài)用水，因此，汛期不可利用的水資源只考慮汛期棄水即可。綜上，地表水資源量減去非汛期河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量，再減去汛期難于控制利用的洪水棄水量，得出地表水資源可利用量[4]。由于本文研究區(qū)漢江流域?qū)儆谀戏浇涤贻^豐富的地區(qū)，供水多為地表水，地下水所占比例較小，因此只研究地表水資源可利用量，且假定研究區(qū)域不存在其他調(diào)水工程。

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

仙桃站位于漢江下游，是漢江上最后一個(gè)水文信息收集監(jiān)測(cè)站，其水文資料為漢江下游的水文資料，且資料較為詳全。本文選用的水文資料為長(zhǎng)江水利委員會(huì)規(guī)劃處、長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院所提供的仙桃站1957-1998年共計(jì)42 a的各月實(shí)測(cè)流量資料。本文根據(jù)長(zhǎng)江水利委員會(huì)規(guī)劃處和長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的中線多年平均年調(diào)水量82億m3和145億m3調(diào)水方案來(lái)進(jìn)行研究，其中145億m3方案根據(jù)漢江下游的工程條件又分為無(wú)引江濟(jì)漢和有引江濟(jì)漢兩種情況[3]。各調(diào)水方案下的水文資料不是實(shí)測(cè)的，而是長(zhǎng)委水文局根據(jù)各方案下的調(diào)水量和漢江仙桃斷面的歷史水文過(guò)程，通過(guò)模型計(jì)算得到的，并且當(dāng)時(shí)只計(jì)算到了1998年。另外，通過(guò)查閱湖北省水資源公報(bào)，獲取了仙桃站以下的仙桃市、孝感市和武漢市2003-2012年10年的供用水量。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這3個(gè)城市近10年的供用水量比較平穩(wěn)變化不大，因此本文取3個(gè)城市近10年用水量總和的最大值81.7億m3作為漢江下游供用水量。

1.2 不同情景下典型年徑流過(guò)程的計(jì)算

根據(jù)頻率計(jì)算的相關(guān)步驟，分別計(jì)算4種情景下不同頻率所對(duì)應(yīng)的地表水資源量，并將計(jì)算結(jié)果列于表1。不同情景下的月徑流量過(guò)程如圖1所示。

表1 不同情景下的年總徑流量 億m3Tab.1 The annual runoff under different scenarios

注：情景1為現(xiàn)狀實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)；情景2為調(diào)水82億m3方案下的預(yù)測(cè)水文數(shù)據(jù)；情景3為調(diào)水145億m3方案下的預(yù)測(cè)水文數(shù)據(jù)；情景4為調(diào)水145億m3引江濟(jì)漢方案下的預(yù)測(cè)水文數(shù)據(jù)。

圖1 不同情景下的月徑流過(guò)程圖Fig.1 The monthly runoff process under different scenarios

從表1中可以看出，南水北調(diào)中線工程實(shí)施調(diào)水后，漢江下游各相同頻率對(duì)應(yīng)的年徑流總量都有相應(yīng)程度的減少，地表水資源量也會(huì)隨之減少，且隨著調(diào)水量的增加，地表水資源減少量也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。例如，對(duì)于平水年(P=50%)來(lái)說(shuō)，調(diào)水82億m3方案下的地表水資源量占現(xiàn)狀條件下的65.1%(即減少量占現(xiàn)狀的34.9%)，而調(diào)水145億m3方案下的地表水資源量占現(xiàn)狀條件下的55.1%(即減少量占現(xiàn)狀的44.9%)。另外，在對(duì)調(diào)水145億m3方案實(shí)施引江濟(jì)漢補(bǔ)償工程后，使?jié)h江下游水資源量有所增加，增加后的地表水資源量雖不足以到達(dá)現(xiàn)狀條件(約占現(xiàn)狀的71.4%(P=50%))，但比調(diào)水82億m3方案下的地表水資源量稍多，由此也說(shuō)明引江濟(jì)漢補(bǔ)償工程的實(shí)施對(duì)于補(bǔ)充改善漢江下游水資源量的減少起到一定作用。

1.3 不同情景下汛期洪水棄水量的計(jì)算

汛期水量越大，難以利用的水會(huì)越多，棄水所占比例越大，年內(nèi)分配也會(huì)越不均勻[5]。根據(jù)《水資源可利用量估算方法(試行)》中關(guān)于南方汛期的劃定，4-10月為研究區(qū)的汛期，選取汛期棄水系數(shù)法來(lái)確定汛期棄水量。棄水系數(shù)的確定一般有3種方法，即以全年月最大流量與月最小流量之比為基準(zhǔn)確定棄水系數(shù)，以全年月最大流量和多年平均月最小流量之比為基準(zhǔn)確定棄水系數(shù)，以全年月最大流量和多年月平均流量之比為基準(zhǔn)確定棄水系數(shù)[6]。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，以全年月最大流量與多年月平均流量之比為基準(zhǔn)確定棄水系數(shù)，結(jié)果更穩(wěn)定更符合實(shí)際。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同情景下汛期洪水棄水量的計(jì)算結(jié)果 億m3Tab.2 The results of discarded floodwater in flood season under different scenarios

從表2中可看出，豐水年(P=20%)的棄水系數(shù)最大，特枯水年(P=95%)的棄水系數(shù)最小。調(diào)水82億m3方案下的棄水量相對(duì)最少，說(shuō)明該情景下徑流量年內(nèi)分配比其他情景下的更均勻?？傮w趨勢(shì)顯示，汛期棄水量隨調(diào)水量的增加有所減少，說(shuō)明隨著調(diào)水量的增加，地表水資源量的減少，汛期來(lái)水量更多的用來(lái)增加蓄水量，水資源利用效率有所提高。對(duì)各情景下不同典型年分析可知，豐水年的棄水量最大。平水年的棄水量在現(xiàn)狀條件下除了豐水年外，也小于其他兩個(gè)典型年，這說(shuō)明平水年內(nèi)徑流量分配相對(duì)更均勻。另外，除現(xiàn)狀條件外，其余情景下平水年(P=50%)和偏枯水年(P=75%)的棄水量值較為接近。

1.4 不同情景下河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算

本文只考慮滿足最低生態(tài)系統(tǒng)需求的需水量，采用3種方法對(duì)河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行計(jì)算。蒙大拿法是以預(yù)先確定的年平均流量百分?jǐn)?shù)作為河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量的方法[7]，本文以20%計(jì)。改進(jìn)7Q10法是用歷史流量資料中近10年最小月平均流量作為河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量值[8]。月保證率設(shè)定法是根據(jù)系列水文資料，對(duì)月平均天然流量進(jìn)行頻率計(jì)算，在不同的月保證率前提下，以不同的天然年徑流量為基礎(chǔ)計(jì)算河道生態(tài)環(huán)境需水量[9]?；谝陨?種方法的計(jì)算原理，分別對(duì)非汛期河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

(1)蒙大拿法。從表3可以看出，蒙大拿法計(jì)算出的結(jié)果在現(xiàn)狀條件下是最大的，為6.7億m3，隨著調(diào)水量的增大，地表水資源量減少，河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量也在減少。調(diào)水82億m3方案下非汛期生態(tài)環(huán)境需水總量比現(xiàn)狀條件有所減少，但占地表水資源量的比例卻是增加的。在對(duì)調(diào)水145億m3方案實(shí)施引江濟(jì)漢補(bǔ)償工程后，河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量同地表水資源量一樣有所增加，接近調(diào)水82億m3方案，但在地表水資源量中所占比例卻有所下降。

表3 河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算結(jié)果 億m3Tab.3 The results of minimum eco-environmental water requirements from the river channel therein

(2)7Q10法。從計(jì)算結(jié)果可以看出，采用該方法計(jì)算出的河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量并沒(méi)有隨調(diào)水量的增大而呈現(xiàn)總體增大或減少的趨勢(shì)，其變化沒(méi)有一定規(guī)律性。而對(duì)調(diào)水145億m3方案實(shí)施引江濟(jì)漢補(bǔ)償工程后，生態(tài)環(huán)境需水量達(dá)到10.7億m3，增幅相對(duì)較大。

(3)月保證率設(shè)定法。從計(jì)算結(jié)果可以看出，月保證率法計(jì)算出的河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量在現(xiàn)狀條件下最大，隨著調(diào)水量的增大，地表水資源量的減少，河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量也在減少。對(duì)調(diào)水145億m3方案實(shí)施引江濟(jì)漢補(bǔ)償工程后，河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量同地表水資源量一樣有所增加，與調(diào)水82億m3方案下近似相等，比其略低。

(4)3種方法的對(duì)比分析。對(duì)3種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析：7Q10法的計(jì)算結(jié)果最大，蒙大拿法次之，月保證率法最小；月保證率法的計(jì)算結(jié)果與蒙大拿法接近；蒙大拿法和月保證率法的結(jié)果變化規(guī)律相似，河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量隨著調(diào)水量的增大(地表水資源量的減少)而逐漸減少，且實(shí)施引江濟(jì)漢補(bǔ)償工程后環(huán)境需水量有所增加，增加后的值與調(diào)水82億m3方案下近似相等；而7Q10法的計(jì)算結(jié)果無(wú)一定變化規(guī)律。

分析結(jié)果出現(xiàn)的原因，可能是因?yàn)?Q10法是根據(jù)1989-1998年最枯月平均流量計(jì)算，結(jié)果具有一定偶然性，導(dǎo)致其結(jié)果看起來(lái)沒(méi)有規(guī)律性。故本文只取蒙大拿法和月保證率法結(jié)果的平均值作為最終河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量的結(jié)果，即4種情景下河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量分別為6.7、4.9、4.0、4.9億m3。

1.5 不同情景下的計(jì)算結(jié)果分析

在求得地表水資源量、河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量和汛期洪水棄水量結(jié)果的基礎(chǔ)上，最后利用扣損法進(jìn)行漢江下游水資源可利用量的計(jì)算，現(xiàn)將4種情景下不同頻率的水資源可利用量計(jì)算結(jié)果列于表4。

表4 不同情景下水資源可利用量計(jì)算結(jié)果表 億m3Tab.4 The results of water resources availability under different scenarios

從表4中可以看出，現(xiàn)狀條件下各典型年水資源可利用量分別為233.4、286.2、143.3 、89.7億m3，都大于漢江下游供用水量81.7億m3，可見(jiàn)現(xiàn)狀條件下各典型年都是可以滿足漢江下游鄂北等地區(qū)用水的，且豐水年、平水年、偏枯水年的分別為151.7、204.5、61.6億m3，盈余水量較為豐富。因此，鄂北地區(qū)在滿足自身用水需求的同時(shí)，可以把多余的水量通過(guò)南水北調(diào)中線工程輸送到全國(guó)其他缺水地區(qū)，改善缺水地區(qū)的水資源條件，促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

調(diào)水82億m3方案下，各典型年的地表水資源可利用量雖然也可以滿足漢江下游用水要求，但與現(xiàn)狀條件下相比，水資源可利用量有所減少。調(diào)水145億m3時(shí)，豐水年和平水年的水資源可利用量可以保障漢江下游用水，而偏枯水年、特枯水年的水資源可利用量小于81.7億m3，不能滿足漢江下游用水需求。也就是說(shuō)中線調(diào)水在調(diào)水量為145億m3時(shí)，漢江下游供水保障率是相對(duì)較低的。而對(duì)調(diào)水145億m3實(shí)施引江濟(jì)漢工程后，各典型年的水資源可利用量明顯增加，都可以滿足下游用水，因此，引江濟(jì)漢工程的實(shí)施對(duì)保證漢江下游的用水及穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

針對(duì)地表水資源可利用量的計(jì)算結(jié)果分析如下：①?gòu)恼{(diào)水方案上進(jìn)行比較，隨著調(diào)水量的增大，水資源可利用總量趨于減少的趨勢(shì)。在引江濟(jì)漢補(bǔ)償工程作用下，各典型年的水資源可利用量都有所增加，但都未能達(dá)到現(xiàn)狀條件下的水資源可利用量。②對(duì)各典型年比較發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀條件下豐水年、平水年、偏枯水年的水資源可利用量相比其他情景下偏大，而枯水年偏小，可能是因?yàn)榭菟陜?nèi)徑流量分配不均，汛期棄水量過(guò)大，導(dǎo)致水資源可利用量減少過(guò)多所致。各典型年總體呈現(xiàn)來(lái)水量越小，水資源可利用量越少的趨勢(shì)，即豐水年水資源可利用量>平水年水資源可利用量>偏枯水年水資源可利用量>特枯水年水資源可利用量。不同情景下的地表水資源可利用量分布如圖2所示。

圖2 不同情景下水資源可利用量分布圖Fig.2 The distribution of water resources availability under different scenarios

另外，由于各情景下不同典型年對(duì)應(yīng)的水資源量不同，直接對(duì)水資源可利用量進(jìn)行比較效果不明顯，因此將不同情景下各典型年的水資源可利用率計(jì)算出來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)表5)。其中，水資源可利用率等于水資源可利用量與水資源量的比值。

表5 不同情景下水資源可利用率表 %Tab.5 The availability factor of water resources under different scenarios

分析表5可以看出，雖然現(xiàn)狀條件下水資源可利用量較大，但其可利用率除了平水年之外都比較低，特別是枯水年可利用率最低為40.20%，造成這一現(xiàn)象的原因可能是該典型年的水資源量和棄水量比較大的緣故。平水年的水資源可利用量與水資源可利用率都比較大，可利用率最大達(dá)到了70.63%，其他典型年的水資源可利用率在45%左右。對(duì)四種情景進(jìn)行比較，調(diào)水82億m3方案下的整體水資源可利用率比較大，而且比較平均，在60%左右；其次分別為調(diào)水145億m3+引江濟(jì)漢方案、調(diào)水145億m3方案，水資源可利用率分別在55%、50%左右。且隨著調(diào)水量的增大，各典型年的水資源可利用率有降低的趨勢(shì)。

南水北調(diào)中線工程于2014年正式通水，年調(diào)水130億m3。實(shí)際年調(diào)水量130億m3比設(shè)計(jì)的年調(diào)水量82億m3要大，可以使河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量有所減少，同時(shí)還有利于減少汛期的棄水量。實(shí)際年調(diào)水量比設(shè)計(jì)的年調(diào)水量145億m3要小，從而使水資源可利用量增加，在偏枯水年和特枯水年也可以滿足漢江下游用水。因此，實(shí)際調(diào)水方案在克服設(shè)計(jì)方案不足的同時(shí)，提高了用水效率、滿足了用戶需求，具有重要意義。

2 結(jié) 語(yǔ)

在漢江下游水文資料獲取分析的基礎(chǔ)上，利用扣損法對(duì)不同情景下漢江下游水資源可利用量進(jìn)行了計(jì)算總結(jié)，主要結(jié)論如下：①河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境需水量隨著調(diào)水 量的增大而減少，且實(shí)施引江濟(jì)漢補(bǔ)償工程后生態(tài)環(huán)境需水量有所增加；②調(diào)水82億m3方案下的汛期棄水量最少，且汛期棄水量隨調(diào)水量的增加有所減少，從而水資源利用效率隨調(diào)水量的增加有所提高；③水資源可利用量隨著調(diào)水量的增大而減少，且調(diào)水145億m3方案下的偏枯水年和特枯水年的水資源可利用量不能滿足漢江下游用水需求。雖然引江濟(jì)漢工程可以使調(diào)水145億m3方案的水資源可利用量增加，但不能達(dá)到現(xiàn)狀條件下的水資源可利用量；④各典型年的水資源可利用量隨來(lái)水量的減少而減少，即豐水年水資源可利用量>平水年水資源可利用量>偏枯水年水資源可利用量>特枯水年水資源可利用量；⑤調(diào)水82億m3方案下的整體水資源可利用率最大，其次分別為調(diào)水145億m3+引江濟(jì)漢方案、調(diào)水145億m3方案、現(xiàn)狀條件。

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