白龍江調(diào)水工程可調(diào)水量及對(duì)下游影響分析

岳立恒，王亞變

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

白龍江調(diào)水工程是從甘肅省境內(nèi)嘉陵江支流白龍江上游引水至涇渭河流域，旨在解決天水、平?jīng)?、慶陽3市20區(qū)縣城鄉(xiāng)生活用水，保障“關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)”和隴東能源基地建設(shè)和發(fā)展的供水安全，改善生態(tài)環(huán)境，是解決甘肅省涇渭河流域缺水問題的重大戰(zhàn)略工程，也是國家172項(xiàng)重大水利工程建設(shè)項(xiàng)目之一。根據(jù)對(duì)白龍江調(diào)水工程受水區(qū)供需分析計(jì)算可知，2040年受水區(qū)缺水量為9.6億m3，而白龍江調(diào)水工程可調(diào)水量具體有多少？能否滿足受水區(qū)的水量需求？是需要進(jìn)一步解決的問題。并且調(diào)水工程的實(shí)施勢必會(huì)導(dǎo)致白龍江干流水位下降、水量減少、流量變小等一系列變化，其變化有多大？會(huì)產(chǎn)生何種影響也需做更深入分析。

目前對(duì)可調(diào)水量及調(diào)水對(duì)下游影響方面的研究，多集中在南水北調(diào)工程和黃河流域調(diào)水工程，陳桂亞等分析了南水北調(diào)工程丹江口水庫棄水可調(diào)水量[1]。麻蓉通過構(gòu)建多目標(biāo)模擬模型，迭代模擬優(yōu)化算法確定了黃河上有梯級(jí)水庫群的可調(diào)水量[2]。竇明等采用扣損法分析了中線調(diào)水對(duì)漢江下游水資源可利用量的影響[3]。王中敏等通過設(shè)置調(diào)水工況情景，定量分析了引調(diào)水工程對(duì)漢江中下游生態(tài)環(huán)境的累積疊加影響[4]。朱燁運(yùn)用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法分析了南水北調(diào)中線調(diào)水對(duì)漢江中下游水文情勢的影響[5]。本文綜合考慮不同來水頻率下天然徑流量及調(diào)出區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水情景，對(duì)白龍江調(diào)水工程可調(diào)水量展開計(jì)算，并分析調(diào)水后對(duì)白龍江干流用水的影響，可為白龍江調(diào)水工程的實(shí)施提供借鑒和指導(dǎo)。

1 可調(diào)水量分析計(jì)算

對(duì)白龍江調(diào)水工程可調(diào)水量分析計(jì)算時(shí)，按照滿足流域生活、生產(chǎn)、河道內(nèi)外生態(tài)環(huán)境用水的前提下，計(jì)算從白龍江干流取水?dāng)嗝嬖试S調(diào)走的最大水量。計(jì)算方法：優(yōu)先滿足水源點(diǎn)上下游生活、生產(chǎn)、河道外生態(tài)環(huán)境用水，下泄水量需滿足水源點(diǎn)以下河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水要求，綜合分析計(jì)算取水水源點(diǎn)的可調(diào)水量。

1.1 地理位置及數(shù)據(jù)來源

白龍江調(diào)水工程取水點(diǎn)為代古寺斷面，位于甘南州境內(nèi)，斷面以上主要涉及四川省阿壩州若爾蓋縣、甘肅省甘南州迭部縣和碌曲縣，流域面積為7953km2，如圖1所示。計(jì)算過程中收集了白龍江干流主要站點(diǎn)1956—2013年各月實(shí)測徑流資料。社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)來源與四川省統(tǒng)計(jì)年鑒、阿壩州統(tǒng)計(jì)年鑒、甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒、甘南州統(tǒng)計(jì)年鑒等。在對(duì)三磊壩控制斷面徑流分析中，依據(jù)《嘉陵江流域水量分配方案》中的相關(guān)要求。

圖1 白龍江調(diào)水工程地理位置

1.2 取水?dāng)嗝娌煌l率下典型年徑流過程分析

根據(jù)對(duì)代古寺站點(diǎn)徑流分析，采用典型年法選取25%、50%、75%、95%來水頻率下的代表年分別為1962、1956、1995、2002年，通過計(jì)算獲得其多年平均及不同來水頻率下年徑流量及月徑流量，具體見表1，取水?dāng)嗝娌煌l率下徑流過程如圖2所示。

表1 代古寺斷面不同頻率下年徑流量 單位：億m3

圖2 代古寺取水?dāng)嗝娌煌l率下徑流過程

由表1可知，代古寺斷面多年平均徑流量為22.26億m3，豐水年、枯水年徑流量變化較大，豐水年年徑流量為枯水年的1.35倍、特枯水年的1.71倍。年內(nèi)徑流分配不均，降水多集中在5～10月，多年平均情況下汛期總徑流量是非汛期的2.96倍。從不同頻率下年內(nèi)徑流過程來看，豐水年有2個(gè)徑流峰值，分別為7、10月；平水年7月降水量最大；枯水年8月最大；特枯水年6月最大。不同頻率下2月月徑流都為最小。

1.3 河道內(nèi)生態(tài)基流

河道內(nèi)生態(tài)基流根據(jù)SL/Z 479—2010《河湖生態(tài)環(huán)境需水評(píng)估導(dǎo)則(試行)》，分別采用90%保證率最小月平均流量法(Q90)、95%保證率最小月平均流量法(Q95)、10年最小月平均流量法、多年平均流量的百分比法、多年平均流量大于80m3/s時(shí)按5%取用法、Tennant法、典型年最小月平均流量法計(jì)算1956—2013時(shí)段的各斷面處河流生態(tài)需水流量[6- 11]，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 代古寺取水?dāng)嗝嫔鷳B(tài)基流計(jì)算成果表 單位：m3/s

表2可知，代古寺斷面生態(tài)基流在不同計(jì)算方法下相差較大。根據(jù)《嘉陵江流域水量分配方案》中要求的三磊壩控制斷面最小流量控制指標(biāo)90.3m3/s，經(jīng)長系列調(diào)節(jié)計(jì)算與Q90法基本一致，本文采用90%保證率最小月平均流量法確定的生態(tài)基流流量21.2m3/s。

1.4 取水?dāng)嗝嫔舷掠魏乃治?/h3>

根據(jù)調(diào)出區(qū)四川省、甘肅省相關(guān)地區(qū)發(fā)展規(guī)劃報(bào)告及各省區(qū)域戰(zhàn)略發(fā)展及相關(guān)民族地區(qū)政策的要求，采用定額分析法預(yù)測四川省、甘肅省相關(guān)地區(qū)2040年耗水量及耗水過程，見表3，不同頻率下耗水量過程如圖3所示。

表3 2040年不同頻率下四川、甘肅相關(guān)地區(qū)年耗水量 單位：億m3

圖3 白龍江調(diào)出區(qū)四川、甘肅2040年不同頻率下耗水量過程

由表3可知，不同頻率下四川、甘肅相關(guān)地區(qū)2040年年耗水量相差不大，但年內(nèi)耗水過程有明顯區(qū)別，總體來看，不同基準(zhǔn)年下四川省月耗水較為平均，變幅較小，而甘肅省各月耗水過程存在明顯峰值，在5月達(dá)到最大，其中4—7月合計(jì)耗水量分別占全年的66%、54%。

1.5 預(yù)留經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水量

考慮到調(diào)出區(qū)未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水需求，在可調(diào)水量分析過程中，需預(yù)留部分社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水。遵循原則：代古寺斷面以下產(chǎn)流較大的支流斷面經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水量進(jìn)行全部預(yù)留，該支流可完全滿足支流匯口以下一定長度(最少為下一大的支流匯入前)內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求水量。

1.6 代古寺取水?dāng)嗝嬉?guī)劃水平年可調(diào)水量

合理的調(diào)水規(guī)模是以斷面的天然徑流量扣除該斷面上游地區(qū)生活、生產(chǎn)、河道內(nèi)外生態(tài)環(huán)境用水的耗水量、該斷面下游地區(qū)的預(yù)留水量及河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水量后的水量，作為該斷面的可調(diào)水量。通過計(jì)算獲得2040年代古寺斷面不同頻率下的可調(diào)水量，見表4。根據(jù)白龍江調(diào)水工程規(guī)劃要求，調(diào)水工程調(diào)水量為9.6億m3/s，2040年除95%來水頻率不能滿足外，其他條件下均可滿足。考慮到代古寺水利工程具有6.2億m3調(diào)節(jié)庫容，在多年調(diào)節(jié)情況下能夠滿足調(diào)水工程的調(diào)水需求。

表4 2040年不同頻率下可調(diào)水量 單位：億m3

2 調(diào)水后對(duì)下游影響分析

2.1 對(duì)調(diào)出區(qū)水資源的影響

(1)對(duì)多年平均工況下水資源量的影響

代古寺斷面：白龍江調(diào)水工程總調(diào)水規(guī)模9.60億m3，占取水?dāng)嗝婵烧{(diào)水量的比例為63.0%，占取水?dāng)嗝嫠康?3.2%。調(diào)水量占甘肅省白龍江總控制斷面(出省斷面)水量的10.95%，具體見表5。

表5 調(diào)水后取水?dāng)嗝嫠孔兓?/p>

出省斷面：實(shí)施白龍江調(diào)水工程后，白龍江干流段水量將減少，以下游出省斷面控制，與調(diào)水工程實(shí)施前比較，多年平均情況下，調(diào)水量占出省斷面水量的10.95%，50%來水頻率下占11.13%，75%來水頻率下占12.97%，95%來水頻率下占16.40%。調(diào)水量占調(diào)水所在河流水量比例較小，調(diào)水前后出省斷面水量變化見表6。

表6 調(diào)水后出省斷面水量變化

(2)對(duì)下泄過程影響

代古寺壩址：根據(jù)長系列調(diào)節(jié)計(jì)算，調(diào)水前后多年平均來水及下泄水量過程見表7，出省斷面調(diào)水前后下泄水量過程及變化如圖4所示。調(diào)水工程未實(shí)施不引水工況下壩址多年平均下泄水量為22.05億m3，實(shí)施引水工況下壩址多年平均下泄水量為12.36億m3，水量減少9.69億m3，相對(duì)于不引水工況下泄水量減少43.9%。就年內(nèi)下泄過程而言，按照調(diào)水規(guī)則，12—3月白龍江來水全部下泄，因此這4個(gè)月無變化。其他月中，5—7月變化程度最大，最高達(dá)71.8%，代古寺斷面下泄過程變化劇烈。從豐水段、枯水段來看，調(diào)水多集中在豐水段，因此受影響也更大，為56.3%；枯水段調(diào)水量較小，變換也小，僅為7%，在枯水段下泄過程變化較小。

表7 代古寺壩址多年平均下泄過程與來水過程對(duì)比表

出省斷面：根據(jù)長系列調(diào)節(jié)計(jì)算，調(diào)水前后多年平均來水及下泄水量過程，見表8，出省斷面調(diào)水前后下泄水量過程及變化如圖5所示。在調(diào)水工程未實(shí)施不引水工況下出省斷面多年平均下泄水量為86.36億m3，實(shí)施引水工況下出省斷面多年平均下泄水量為76.68億m3，水量減少9.69億m3，相對(duì)于不引水工況下泄水量減少11.2%。就年內(nèi)下泄過程而言，如圖5所示，12—3月下泄過程不變，5—7月變化幅度都超過了15%，最高達(dá)19.1%，出省斷面流量出現(xiàn)較為明顯的減少。從豐水段、枯水段來看，豐水段下泄水量減少13.5%，存在較明顯減少；枯水段減少幅度僅為4.7%，下泄流量變化較小。

表8 出省斷面多年平均下泄過程與來水過程對(duì)比表

圖4 出省斷面調(diào)水前后下泄水量過程及變化

圖5 出省斷面調(diào)水前后下泄水量過程及變化

2.2 調(diào)水后下游干流水情變化

(1)調(diào)水點(diǎn)及下游流量變化

代古寺斷面：多年平均來水情況下，如圖6(a)所示，代古寺斷面流量變化為-66%～11%，受代古寺水利樞紐的調(diào)蓄作用影響，枯水期向下游補(bǔ)水，流量變大，其中2月增幅最大，達(dá)11%。受調(diào)水影響，從4月開始，流量大幅度下降，5月達(dá)到最大值，為-66%?？菟?，如圖6(c)所示，流量變化范圍為-74%～58%，2月補(bǔ)水量最大，徑流增加了58%，5月徑流量減小最大，為-74%，流量發(fā)生大幅度減少。特枯年份，如圖6(e)所示，流量變化范圍為-72%～36%，較枯水年份有所收斂，主要原因是特枯年分降水相對(duì)于枯水年較為平均?？偨Y(jié)起來，白龍江調(diào)水工程對(duì)代古寺取水?dāng)嗝娌煌瑏硭l率下的徑流均有較大影響，但影響有利有弊，由于代古寺水利樞紐的調(diào)蓄作用，枯水期能夠給下游補(bǔ)水，滿足基本河道生態(tài)需水要求，但豐水期受調(diào)水影響，流量減少幅度較大，5月減少幅度最大。

入嘉陵江交匯斷面：自代古寺取水?dāng)嗝嬷?，白龍江干流有岷江、拱壩河、白水江等較大支流匯入，使得白龍江調(diào)水工程對(duì)徑流的影響減弱。多年平均情況下，如圖6(b)所示，交匯斷面的徑流變化范圍為-11%～-6%，年內(nèi)變化較為均勻；枯水年，如圖6(d)所示，徑流變化為-18%～-5%，年內(nèi)變化幅度變大，降幅最大月為9月；特枯水年，如圖6(f)所示，徑流變化為-28%～-5%，除9、10月發(fā)生較為明顯的減小外，其他月變化在-10%～-5%之間，較為平穩(wěn)，而9、10月流量急劇減少，反映出調(diào)水工程在這2個(gè)月調(diào)水量較大，對(duì)下游徑流的影響也較為明顯。

(2)調(diào)水點(diǎn)及下游水位變化

代古寺斷面：受白龍江調(diào)水工程及代古寺水利樞紐的綜合影響，代古寺斷面調(diào)水后年內(nèi)河道水位變化較調(diào)水之前平緩，1—3月代古寺水利樞紐對(duì)白龍江干流補(bǔ)水，水位較調(diào)水前有所抬升，4月之后，雖降水增多，但受調(diào)水影響，水位抬升較調(diào)水前幅度變小。具體來看，多年平均情況下，如圖7(a)所示，調(diào)水前后水位變化幅度為-1.31～0.08m，呈單峰單谷式波動(dòng)；枯水年，如圖7(c)所示，調(diào)水前后水位變化幅度為-1.61～0.42，波動(dòng)變化總體呈先增后減規(guī)律，但7月降幅較前后月有所減小，呈現(xiàn)一小峰的波動(dòng)；特枯水年，如圖7(e)所示，調(diào)水前后水位變化幅度為-1.43～0.26，水位變化幅度規(guī)律也基本遵循先增后減的總體趨勢，但5月受降水量小的原因，水位降幅較其他年份有所減小。

圖6 不同頻率下代古寺斷面、入嘉陵江交匯斷面調(diào)水前后各月徑流及變化

圖7 不同頻率下代古寺斷面、三磊壩斷面調(diào)水前后各月水位及變化

三磊壩斷面：自代古寺斷面之后，白龍江干流有岷江，岷江、拱壩河、白水江等較大支流匯入，匯入水量較大，白龍江調(diào)水工程的實(shí)施對(duì)白龍江下游控制斷面三磊壩斷面的影響有限，河道水位在調(diào)水前后變化較小。具體來看，多年平均情況下，如圖7(b)所示，三磊壩斷面水位變化幅度為-0.14～-0.04m，7月降幅最大，變化規(guī)律呈雙峰雙谷式；枯水年，如圖7(d)所示，水位變化波動(dòng)更為明顯，呈三峰三谷式，變化幅度為-0.16～-0.03m，7、9兩月降幅較大；特枯水年，如圖7(f)所示，調(diào)水前后水位變化波動(dòng)性變小，呈單峰單谷式變化規(guī)律，但水位降幅變化較大，變化范圍為-0.23～-0.04m，10月降幅最大。

2.3 調(diào)水對(duì)下游水質(zhì)影響

根據(jù)代古寺上游迭部水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，白龍江代古寺來流化學(xué)需氧量小于10mg/L，氨氮小于0.5mg/L。由于支流缺乏長系列同步水質(zhì)監(jiān)測資料，因此本模擬預(yù)測的水質(zhì)濃度未考慮本底濃度影響。

通過對(duì)白龍江現(xiàn)狀負(fù)荷條件下四個(gè)水文年(豐水、平水、枯水、特枯)，引水前后的水質(zhì)指標(biāo)濃度的模擬，初步得出如下結(jié)論：不同典型水文年(豐水、平水、枯水、特枯)下，由于上游來流量的減少，總體上污染物濃度會(huì)上升，水質(zhì)變差。受代古寺水庫調(diào)節(jié)作用的影響，1—3月水質(zhì)變化最小；不同典型年下，分析引水對(duì)白龍江上游立節(jié)斷面、中游拱壩河斷面、下游嘉陵江匯口斷面的影響可知，引水對(duì)離代古寺壩址較近斷面水質(zhì)的影響大于離壩址較遠(yuǎn)的斷面，在嘉陵江匯口斷面處影響最小，1—3月水質(zhì)甚至不發(fā)生變化；現(xiàn)狀負(fù)荷、不同典型年下，疊加本底濃度后COD均滿足水功能區(qū)水質(zhì)III類管理目標(biāo)，現(xiàn)狀負(fù)荷下水質(zhì)模擬工況見9，引水工程不會(huì)對(duì)水功能區(qū)造成影響。

表9 現(xiàn)狀負(fù)荷下水質(zhì)模擬工況

3 結(jié)論

跨流域調(diào)水工程可調(diào)水量以及對(duì)下游的影響是調(diào)水工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是評(píng)價(jià)項(xiàng)目可行性和合理確定工程調(diào)水規(guī)模的直接制約因素。本文通過長系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，分析了不同來水頻率條件下白龍江調(diào)水工程的可調(diào)水量，以及在調(diào)水工程實(shí)施后，對(duì)下游水資源、干流水清和下游水質(zhì)的影響。通過分析，在新建代古寺水利樞紐的前提下，可滿足白龍江調(diào)水工程9.6億m3的年調(diào)水需求；調(diào)水工程實(shí)施后，對(duì)代古寺斷面徑流量影響較大，對(duì)出省斷面徑流量的影響較?。徽{(diào)水后年內(nèi)河道水位變化較調(diào)水之前平緩，影響較??；工程不會(huì)對(duì)水功能區(qū)水質(zhì)造成影響。通過上述分析成果，可為白龍江調(diào)水工程的項(xiàng)目決策和確定工程規(guī)模提供重要的參考依據(jù)。