山西省泉水徑流量一致性修正方法

劉 劍

(大同市水文水資源勘測分局，山西 大同 037000)

1 工作背景

水文徑流系列的一致性修正工作是水資源調(diào)查評價工作的重要基礎(chǔ)。一般地，當(dāng)下墊面條件發(fā)生系統(tǒng)性、長期性、持續(xù)性、不可逆轉(zhuǎn)的變化時，才需進(jìn)行河川徑流量一致性修正，以反映最新下墊面條件下的水資源狀況。修正方法主要有降水徑流關(guān)系、物理成因分析、水量平衡分析等。

水文單站的天然河川徑流系列一般采用降水徑流關(guān)系進(jìn)行修正，其中泉水徑流系列的修正參照附近水文單站的修正系數(shù)進(jìn)行修正。但是在地表、地下水的水量平衡分析中發(fā)現(xiàn)，泉水徑流修正的結(jié)果一般偏大，與現(xiàn)狀泉域衰減的程度不相符，單站扣泉進(jìn)行分區(qū)水資源分配時，會導(dǎo)致除泉域出露區(qū)外的其他分區(qū)地表資源量偏小，部分區(qū)域出現(xiàn)了地表水小于河道基流的矛盾。

基于上述矛盾，亟需采用新的方法對泉域徑流進(jìn)行一致性修正，本文經(jīng)過山西省第三次水資源調(diào)查評價工作的實踐，提出一套比較可行的泉水徑流修正方法。

2 泉域徑流修正方法

由于資料收集的限制，本次泉水徑流的一致性修正方法主要還是采用降水徑流關(guān)系。考慮到修正的出發(fā)點是為了反映人類活動對下墊面不可逆轉(zhuǎn)的影響，而將徑流系列修正到現(xiàn)狀條件下，為水資源的開發(fā)利用和管理提供技術(shù)支撐。

2.1 泉域徑流修正公式

ri=f(pi),i=1956,1957,…，a-1

2.2 泉水徑流修正步驟

(1)根據(jù)已有巖溶泉水資料成果，以及徑流和降水系列的統(tǒng)計分析，確定泉域徑流的大氣降水影響周期年份；

(2)利用1956年～2016年的泉域徑流深和影響周期年份的平均滑動降水量(簡稱影響降水量)，點繪影響降水量和徑流深雙累積曲線，初步分析泉域的拐點年份；

(3)根據(jù)拐點年份，分兩個系列點繪泉域影響降水量和徑流深關(guān)系，查看點據(jù)分布情況，檢查拐點年份的正確性，如果發(fā)現(xiàn)兩個系列的點據(jù)有明顯的交叉帶，反復(fù)滑動拐點年份進(jìn)行點繪，直到兩個系列的點群有明顯的分離，最終確定拐點年份；

(4)利用指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、多項式等擬合拐點年份前的點據(jù)系列，作為泉域未發(fā)生大的變化前的關(guān)系線。拐點年份后的點據(jù)，一般關(guān)系較為散亂，沒有規(guī)律，主要是受地下水開采、煤礦開采等的影響，減弱了大氣降水對泉域的補(bǔ)給關(guān)系。因此，將拐點年份后影響降水量代入拐點年份前的降水徑流關(guān)系，推算出泉域現(xiàn)狀大氣降水在未受人類活動影響下的徑流深，取其均值與現(xiàn)狀條件下徑流深均值的比值作為拐點年份前的修正系數(shù)，同時考慮影響降水的年際變化對徑流深的作用，將拐點前每年影響降水量與拐點后影響降水量均值的比值作為修正系數(shù)的年際調(diào)節(jié)系數(shù)，共同作為泉域采用的修正系數(shù)；

(5)利用泉域采用的修正系數(shù)與修正前的徑流量相乘，計算出泉域修正后的徑流量。

3 泉水徑流修正成果分析

3.1 對泉域徑流的影響

泉域徑流的變化是大氣降水、地表徑流、地下水三水轉(zhuǎn)化和人類活動綜合作用的結(jié)果。一方面作為主要的生活生產(chǎn)供水水源地，在二十世紀(jì)八九十年代以來經(jīng)歷了大規(guī)模的開采，使泉域范圍內(nèi)的地下水超采，水位不同程度下降，大氣降水影響周期發(fā)生變化，泉域徑流出露大幅減少，特別是2000年以來，在大氣降水偏豐的條件下，泉水徑流仍然持續(xù)衰減，甚至個別年份出現(xiàn)快要斷流的情況，比如洪山泉、水神堂泉、柳林泉等，說明泉域下墊面條件已發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化。另一方面泉域內(nèi)煤炭等資源的大規(guī)模開采，地下水隔水層遭到破壞，形成大量的礦坑水，排泄至河道，導(dǎo)致泉域的出流流量逐年衰減，比如神頭泉、郭莊泉等。這些僅僅是泉域徑流變化的一部分因素，更為復(fù)雜三水轉(zhuǎn)化很難用一個尺度進(jìn)行量化。

本文的目標(biāo)是基于泉域現(xiàn)狀(2001年～2016年)的出流能力，利用下墊面未發(fā)生較大變化前較好的降水徑流關(guān)系，將徑流系列推算至與現(xiàn)狀一致的條件下。與原方法(參照附近單站修正系數(shù)修正)相比，新的修正成果考量了泉水徑流與流域天然徑流不同的形成機(jī)理，將泉水徑流衰減變化從單站天然河川徑流中剝離離開，避免了因采用相同修正系數(shù)導(dǎo)致河川徑流與泉水的相互均化補(bǔ)給，能夠?qū)⒌叵滤_采、煤礦開采等造成的下墊面變化趨勢很好地反映出來。成果具體見表1。

表1 本次方法與原方法修正成果的比較 單位：萬m3

(1)本次對于受大氣降水補(bǔ)給強(qiáng)烈、徑流相對穩(wěn)定(變差系數(shù)<0.27，坪上泉除外)、下墊面破壞不大的泉域，如神頭泉、靈丘泉、坪上泉、龍子祠泉、霍泉等，本次修正成果比原修正成果徑流有所增大。是因為原方法修正會將部分泉域徑流分?jǐn)傊羻握镜奶烊缓哟◤搅?不含泉)上，導(dǎo)致泉水修正成果偏小；對于徑流不穩(wěn)定(變差系數(shù)>0.27)、衰減較大的泉域，如水神堂泉、洪山泉等，本次修正成果較原修正成果有所減少，是因為原方法修正會將部分單站的天然河川徑流(不含泉)分?jǐn)傊寥驈搅魃?，?dǎo)致泉水修正成果偏大。

(2)本次修正系列的拐點年份一般較原方法的拐點年份往后推延，主要原因是在泉水徑流衰減總體趨勢下，徑流發(fā)生突變的情況大都發(fā)生在20世紀(jì)90年代，甚至2000年以后，但是考慮到三次評價的現(xiàn)狀條件為2001年～2016年，因此，拐點年份在2000年以后的，統(tǒng)一按2001年確定。

3.2 對單站徑流(含泉)的影響

本次泉水徑流修正后對單站天然徑流的修正有一定的影響，但是影響不大。原方法是基于地表徑流和泉水徑流的衰減變化均化考慮，將地表徑流和泉域徑流按相同的修正系數(shù)統(tǒng)一修正，與本次泉域徑流和單站天然徑流(扣泉)分別修正再綜合的修正成果基本接近，誤差不大(大部分在10%以內(nèi))，因此單站天然徑流修正成果仍然采用原方法的成果。

4 結(jié)論及建議

綜上分析，本次泉水徑流的一致性修正方法理論較為完善，成果較為合理，在山西省第三次水資源調(diào)查評價中的得到應(yīng)用，可供同類項目借鑒。