河道徑流系列的還原和一致性修正分析

張彥波，趙文舉，劉 晶，王 亮

（河南省新鄉(xiāng)水文水資源勘測(cè)局，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

地表水資源量是指河流、湖泊、冰川等地表水體中由當(dāng)?shù)亟邓纬傻?、可以逐年更新的?dòng)態(tài)水量，用天然河川徑流量表示。由于人類(lèi)活動(dòng)的影響，水資源利用率越來(lái)越高， 河道斷面上的實(shí)測(cè)資料已不能反映河道天然徑流量的流動(dòng)特征和變化規(guī)律， 因而在進(jìn)行水資源調(diào)查評(píng)價(jià)時(shí)， 需要對(duì)實(shí)測(cè)徑流量進(jìn)行還原計(jì)算［1］。又因人類(lèi)活動(dòng)改變了天然流域的下墊面，使得原有的降水和徑流規(guī)律發(fā)生了變化。 為了使長(zhǎng)系列水文資料更具有代表性， 應(yīng)對(duì)天然徑流系列進(jìn)行一致性修正［2］。

在進(jìn)行還原計(jì)算和一致性修正分析時(shí)， 凡觀測(cè)資料符合規(guī)范規(guī)定，且資料系列較長(zhǎng)的水文站，包括符合流量測(cè)驗(yàn)精度規(guī)范的國(guó)家級(jí)、省級(jí)基本水文站、專(zhuān)用水文站和委托站，均可作為選用水文站［3］。新鄉(xiāng)市修武水文站、 寶泉水庫(kù)水文站和合河水文站的觀測(cè)資料具有長(zhǎng)系列、規(guī)范完整等條件，滿足了單站天然徑流還原計(jì)算的要求。 筆者試以修武水文站—寶泉水庫(kù)水文站—合河水文站區(qū)間 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)修—寶—合區(qū)間）的觀測(cè)資料為依據(jù)，探討河道徑流系列的還原計(jì)算和一致性修正方法， 以期為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

1 區(qū)間水文站簡(jiǎn)介

1.1 修武水文站

修武水文站位于修武縣城北， 衛(wèi)河上游的新河上，屬于海河流域，南運(yùn)河水系。 河道由北向南而下流入平川，遇郇封嶺所阻，慢轉(zhuǎn)90°折向東北，走向與郇封嶺大體一致， 即西南東北向， 干流長(zhǎng)度約70 km。修武水文站控制流域面積為1 287 km2，山區(qū)、平原各占半數(shù)，主要接納太行山南麓和博愛(ài)、武陟部分平原地區(qū)來(lái)水。 流域面積呈折疊扇形，上游開(kāi)闊，主要支流有山門(mén)河、大沙河、群英河。 該站主要受博愛(ài)縣的丹東灌溉退水和焦作礦井退水的影響， 主要還原項(xiàng)目有丹東灌區(qū)，焦西、焦東灌區(qū)，靈泉灌區(qū)，群英灌區(qū)。

1.2 寶泉水庫(kù)水文站

寶泉水庫(kù)位于輝縣市西40 km 峪河出山口，總庫(kù)容6 690 萬(wàn)m3。 寶泉水庫(kù)水文站始建于1954 年，原名峪河口水文站，1998 年遷至寶泉水庫(kù)后， 更名為寶泉水庫(kù)水文站。 該站控制流域面積為538 km2。峪河位于太行山東南端，跨山西、河南兩省，屬海河流域，南運(yùn)河水系，它發(fā)源于山西省陵川縣八都嶺，河源區(qū)有嶺東河、古郊河兩條支流。該河自西北流向東南，經(jīng)平甸入河南省境內(nèi)，在水文站下游29 km 處入衛(wèi)河，河道總長(zhǎng)82 km，河道比降為2.1%。 峪河沿途自上游向下游納入小磨河、十里河、碾草河、平甸溝、西溝等主要支流［4］。

1.3 合河水文站

合河水文站位于太行山南麓，衛(wèi)河上游，是衛(wèi)河支流的主要匯集地，先后有子坊溝、大獅澇河、峪河、石門(mén)河、 百泉河和黃水河等13 條河流在上游匯入。合河水文站是新鄉(xiāng)及海河流域防汛抗旱的前沿哨所，控制流域面積為4 061 km2，其中北部為山區(qū)，南部為平原。 該站在衛(wèi)河及共產(chǎn)主義渠上分設(shè)兩個(gè)斷面，衛(wèi)河、共產(chǎn)主義渠均屬于海河流域、南運(yùn)河水系。合河水文站上游有寶泉水庫(kù)水文站、 修武水文站和石門(mén)水庫(kù)水位站，共產(chǎn)主義渠和衛(wèi)河在合河交匯。在衛(wèi)河站上游1 500 m 處，建有衛(wèi)河節(jié)制閘。 該節(jié)制閘使衛(wèi)河來(lái)水與共產(chǎn)主義渠來(lái)水分開(kāi)， 起到了防洪和調(diào)節(jié)水量作用。

1.4 修—寶—合區(qū)間

修—寶—合區(qū)間有馬鞍石灌區(qū)、馬坊灌區(qū)、武嘉灌區(qū)、白馬泉灌區(qū)及各縣設(shè)的提灌站，其中武嘉引黃灌溉對(duì)該區(qū)間徑流的影響最大。另外，人民勝利渠西一干渠在獲嘉的彥當(dāng)有一些退水進(jìn)入共產(chǎn)主義渠，但近年來(lái)已經(jīng)很少。 因?qū)毴畮?kù)水文站遷移，修—寶—合區(qū)間控制面積由2 216 km2變?yōu)? 236 km2。

2 單站天然河川徑流量還原計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

對(duì)于控制面積內(nèi)不存在蓄水、引水、提水及河道分洪或堤防決口的水文站， 實(shí)測(cè)河川徑流量即為天然河川徑流量。 合河水文站控制面積內(nèi)，存在蓄水、引水、提水情況，因此應(yīng)對(duì)該站逐月、逐年的實(shí)測(cè)河川徑流量進(jìn)行還原計(jì)算。在還原計(jì)算中，分項(xiàng)調(diào)查法因計(jì)算原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多［5］。 在采用分項(xiàng)調(diào)查法進(jìn)行還原計(jì)算時(shí)，主要計(jì)算跨流域引、排水量，河道決口或分洪水量。 對(duì)于整個(gè)流域，在一定的時(shí)期內(nèi)，根據(jù)水量平衡原理，列出水量平衡方程，如式（1）所示。

式中：W天然為還原后的天然徑流量；W實(shí)測(cè)為水文站實(shí)測(cè)徑流量；W灌溉為農(nóng)業(yè)灌溉耗水量；W工業(yè)為工業(yè)耗水量；W生活為城鎮(zhèn)生活耗水量；W引水為跨流域引排水量，引入為負(fù)，引出為正；W分洪為決口或分洪水量，流入為負(fù)，流出為正。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

修—寶—合區(qū)間1980 年天然徑流量還原計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 1980 年修-寶-合區(qū)間天然徑流量還原表（部分）Tab.1 Some natural runoff reduction of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval in 1980

3 天然河川徑流量系列一致性分析

在進(jìn)行還原計(jì)算的基礎(chǔ)上， 對(duì)其同步期逐年天然河川徑流量進(jìn)行系列一致性分析。

3.1 分析方法

修—寶—合區(qū)間天然河川徑流量系列一致性分析可采用以下2 種方法。 （1）通過(guò)點(diǎn)繪修—寶—合區(qū)間1956～2016 年面平均年降水量與天然年徑流深的相關(guān)圖，分析降水與徑流的關(guān)系，檢查其天然年徑流系列的一致性。 若發(fā)現(xiàn)在同量級(jí)降水條件下，某時(shí)段的點(diǎn)據(jù)明顯偏離， 則表明下墊面變化對(duì)徑流影響較大，應(yīng)對(duì)其天然年河川徑流系列進(jìn)行一致性修正。 繪制不同年段的年降水與徑流的關(guān)系曲線，兩條曲線之間的徑流坐標(biāo)距離即為年徑流變化值。 （2）通過(guò)點(diǎn)繪水文站控制范圍內(nèi)面平均年降水量與天然年河川徑流量的雙累積相關(guān)圖，找出年降水量與天然年河川徑流量關(guān)系發(fā)生明顯變化的拐點(diǎn)年份， 以該年為分割點(diǎn)， 將年降水量和天然年河川徑流量系列劃分為前、后兩個(gè)年段，并對(duì)前一年段的天然年河川徑流量系列進(jìn)行修正［6］。當(dāng)選定一個(gè)年降水值時(shí)，可分別從兩條曲線上查出兩個(gè)對(duì)應(yīng)的年徑流深值（R1和R2），采用式（2）和式（3）分別計(jì)算年徑流量衰減系數(shù)和修正系數(shù)。

式中：γ 為年徑流衰減系數(shù)；Ψ 為年徑流修正系數(shù)；R1為前一年段年降水與徑流關(guān)系曲線上的天然年徑流深，mm；R1為后一年段年降水與徑流關(guān)系曲線上的天然年徑流深，mm。

首先查算不同量級(jí)的年降水量的年徑流修正系數(shù)Ψ 值，然后繪制P 與Ψ 關(guān)系曲線（該曲線為對(duì)天然年河川徑流系列修正的依據(jù)）。根據(jù)需要修正年份的年平均降水量值，從P 與Ψ 關(guān)系曲線上查得該年平均降水量對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)， 然后用查得的修正系數(shù)乘以該年天然年河川徑流量， 即可求得修正后的天然年河川徑流量。

3.2 分析結(jié)果

點(diǎn)繪修—寶—合區(qū)間1956～2016 年面平均年降水量與天然年徑流深的相關(guān)圖，如圖2 所示；點(diǎn)繪修—寶—合區(qū)間1956～2016 年面平均年降水量與天然年河川徑流量的雙累積相關(guān)圖，如圖2 所示。

圖1 修—寶—合區(qū)間面平均降水量與徑流深關(guān)系圖Fig.1 Relations of average rainfall of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval and runoff depth

圖2 修—寶—合區(qū)間面平均降水累計(jì)與徑流深累計(jì)關(guān)系圖Fig.2 Relations of average rainfall accumulation of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval and runoff depth accumulation

由圖1 可知，2001～2016 年關(guān)系線與1978～2000 年關(guān)系線的變化趨勢(shì)基本統(tǒng)一， 然而1956～1978 年的關(guān)系線與以上兩個(gè)年段曲線的偏離較大，因此需要對(duì)該時(shí)段進(jìn)行一致性修正。從圖2 可知，徑流深累計(jì)值在3 824.4 mm（1978 年）出現(xiàn)明顯的向上轉(zhuǎn)折。 因此，判定1978 年為拐點(diǎn)，需要對(duì)1956～1977 年時(shí)段進(jìn)行一致性修正。

根據(jù)式（2）和式（3），計(jì)算修—寶—合區(qū)間的年徑流修正系數(shù)，結(jié)果如表2 所示。繪制修正系數(shù)與降水量的關(guān)系曲線，如圖3 所示。

由表2 和圖3 可以計(jì)算出年平均降水量對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)， 用該年修正系數(shù)乘以本年度的天然徑流量，即得出本年度修正后的天然徑流量，部分結(jié)果如表3 所示。

將1956～1977 年的天然徑流量進(jìn)行系列修正后，再次分析降水與徑流深的關(guān)系、累計(jì)降水量和累計(jì)徑流深的關(guān)系，結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

表2 修—寶—合區(qū)間年徑流修正系數(shù)表Tab.2 Xiuwu-Baoquan-Hehe interval runoff revised coefficient

通過(guò)圖4 和圖5 可以看出，1956～2016 年數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，即該系列數(shù)據(jù)一致性修正完成。

圖3 修—寶—合區(qū)間修正系數(shù)與降水量關(guān)系圖Fig.3 Relations of revised coefficient of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval and rainfall

表3 修—寶—合區(qū)間修正天然徑流量計(jì)算表Tab.3 Revised natural runoff calculation of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval

圖4 修正后的修—寶—合區(qū)間降水量與徑流深系列對(duì)比圖Fig.4 Comparison of revised rainfall of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval and runoff depth

圖5 修正后的修—寶—合區(qū)間降水量累計(jì)與徑流深累計(jì)關(guān)系圖Fig.5 Relations of revised rainfall accumulation of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval and runoff depth accumulation

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)修—寶—合區(qū)間數(shù)據(jù)系列一致性修正得出，該區(qū)間多年平均天然徑流量由修正前的23 907.7萬(wàn)m3減少為18 365.5 萬(wàn)m3， 減少了5 542.2 萬(wàn)m3。經(jīng)過(guò)系列修正后的數(shù)據(jù)能反映近期下墊面條件下的天然年徑流系列，從而使水資源分析評(píng)價(jià)、水資源論證、水資源綜合規(guī)劃的成果更具有科學(xué)性。 因此， 進(jìn)行水資源評(píng)價(jià)的相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)熟練掌握徑流系列的還原和徑流系列一致性修正的方法和技術(shù)， 以便為今后做好水資源調(diào)查評(píng)價(jià)提供重要的技術(shù)保障。