東白城子水文站水文特征變化與水量調(diào)查分析

鞏士群

（遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000）

1 基本情況

1.1 流域概況

遼河下游主要水系繞陽河自清代以來便是下游平原區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)性河流，繞陽河全長(zhǎng)290 km，以東白城子為界繞陽河為上下兩個(gè)河流區(qū)間，其中韓家杖子至東白城子區(qū)間河長(zhǎng)55 km，屬于河流上部區(qū)間。該區(qū)間流域面積大約2 138 km2，影響面積1 445 km2，呈倒扇形狀布置，為阜蒙縣十余個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要用水來源，區(qū)間流域東西與柳河、大凌河并肩，北部地勢(shì)高、南部地勢(shì)低。東白城子測(cè)站區(qū)間地形較為平坦，以低矮山丘地形為主，海拔高度低至100 m，高僅500 m，流域西側(cè)為高坡地勢(shì)，由西到東坡度由緩到急，東側(cè)為地勢(shì)最低區(qū)域。東白城子測(cè)站區(qū)域河流眾多，呈樹狀分布穿越整個(gè)西部丘陵匯入繞陽河。繞陽河流域被半干旱型季風(fēng)性氣候占據(jù)，夏季東南亞季風(fēng)給該區(qū)域帶來了豐富的降水量，并且伴有高溫炎熱天氣；這種氣候一般在秋季開始時(shí)結(jié)束，氣溫陡降，接著會(huì)伴隨長(zhǎng)達(dá)4～7個(gè)月的干旱天氣。由于受到長(zhǎng)時(shí)間季風(fēng)性氣候影響，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)降水時(shí)間和空間分布不規(guī)律，多年平均降水量?jī)H406.7 mm。

1.2 測(cè)站概況

東白城子站1938年7月正式開始設(shè)為水位站，地理位置為東經(jīng)122°23"35″，北緯42°14"51″，控制面積 2 138 km2。水位站所測(cè)河段長(zhǎng)度500 m，流心根據(jù)枯水、洪水時(shí)節(jié)左右偏離，整個(gè)河段水面最大寬度300 m寬，水尺斷面安裝在上游290 m處，該處通過歷年觀測(cè)為水流和比降最大區(qū)域。由于地質(zhì)條件因素，測(cè)站左右兩岸都有不同程度的塌岸現(xiàn)象和緩坡。測(cè)站左側(cè)土質(zhì)疏松，洪水過境易造成不同程度的漲沖落淤現(xiàn)象。測(cè)站于1938年根據(jù)水文站網(wǎng)規(guī)劃原則被確立為國家基本站和區(qū)域型代表站，主要檢測(cè)項(xiàng)目包含水位、冰情、流量、泥沙、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、降水、墑情、水文調(diào)查等，流量和泥沙測(cè)驗(yàn)精度均達(dá)到二類水平。按照10 d為間隔，從每月1日開始報(bào)告汛期降水量，每月匯報(bào)3次匯報(bào)；每月1、11、21日08:00發(fā)墑情報(bào)；6～9月每日08:00報(bào)水位和流量，水位達(dá)到71.60 m報(bào)洪水過程。

2 降水量變化特征

2.1 降水量年際分配

對(duì)東白城子測(cè)站區(qū)間6處雨量站自建站以來至2020年實(shí)測(cè)降水量資料做統(tǒng)計(jì)并繪制曲線圖如圖1所示，從圖1可以明顯觀察到歷年該流域平均降水量總體呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，趨勢(shì)方程：y=-1.2858x+545.45[1-4]。此外，由圖1可明顯看到流域在70余年來降水量波動(dòng)非常顯著，其中年平均降水量最大出現(xiàn)在1979年，為833.6 mm，對(duì)應(yīng)年際最低降水量為1997年的296.2 mm，這兩年降水量差額達(dá)到了550 mm。該區(qū)域降水受季風(fēng)性氣候影響，降水多集中在3 d以內(nèi)，體現(xiàn)為階段性暴雨形式。經(jīng)測(cè)，該流域水汽來源方向主要為西南方向，水汽來源受當(dāng)?shù)氐匦魏偷貏?shì)高低影響嚴(yán)重，東南坡面屬天然迎風(fēng)面，為季風(fēng)性氣候的水汽提供了入侵條件。

圖1 東白城子站歷年降水量過程曲線圖

2.2 降水量年內(nèi)分配

年降水量年內(nèi)月分配規(guī)律與歷史多年平均降水量分配有著緊密聯(lián)系。70余年來，多年降水主要集中在主汛期6～8月，降水總量占全年的65.89%，8月降水總量接近100 mm，占比約24%，全年最多。冬春交際時(shí)節(jié)，降水量均未超過總量的1%，其中1月降水量?jī)H有1.5 mm，占全年降水總量的0.37%。2020年降水量年內(nèi)分配與上述多年平均各月降水量具有高度相似，各月降雨量比重占比分別為：0.05%、0%、2.11%、4.23%、8.94%、13.96%、15.93%、25.95%、21.14%、7.57%、0.12%、0%。受季風(fēng)氣候影響觀測(cè)移動(dòng)平均曲線（圖2）可知測(cè)站以上全年降水量呈“單峰狀”。由于特定地理位置及季風(fēng)氣候影響，降水量季度變化顯著、年內(nèi)月份分配不均勻、降水時(shí)空分布差異是此區(qū)域降水量的典型特征[5-7]。

圖2 繞陽河流域東白城子站以上降水量年內(nèi)分配圖

2.3 實(shí)測(cè)水量

東白城子站2020年全年共計(jì)測(cè)量水流流量104次，通過流速儀法和小浮標(biāo)法測(cè)得2020年最大流量為16 m3/s,出現(xiàn)在秋冬季節(jié)9月13日，最小流量出現(xiàn)在1月1日，為0 m3/s（斷流狀態(tài)）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年實(shí)測(cè)年徑流量為1 084萬m3，實(shí)際測(cè)量水量年內(nèi)分配情況見圖3，枯水時(shí)節(jié)出現(xiàn)在整個(gè)年初和年末。

圖3 2020年東白城子站實(shí)測(cè)水量月分配圖

3 水量現(xiàn)狀應(yīng)用調(diào)查分析

東白城子站調(diào)查水量主要包括：農(nóng)灌水量、跨流域引水、水庫變量及蒸發(fā)增損量。2020年東白城子站以上農(nóng)業(yè)灌溉水田1 000畝，毛用水定額700 m3/畝；旱田309 800畝，毛用水定額140 m3/畝。斷面以上區(qū)間農(nóng)業(yè)灌溉水量為4 393萬m3,水庫變量為-126.06萬m3，蒸發(fā)增損量為25.74萬m3。東白城子站調(diào)查水量經(jīng)分析，主要以農(nóng)業(yè)灌溉為主，跨流域引水也是用于灌溉水田，其他用水量較小[8]，2020年區(qū)間調(diào)查水量比例圖和歷年調(diào)查水量圖見圖4和圖5。

圖 4 2020年東白城子站區(qū)間調(diào)查水量比例圖

圖5 東白城子站歷年調(diào)查水量對(duì)照?qǐng)D

3.1 水庫調(diào)蓄

東白城子站區(qū)間中小型水庫共計(jì)6座，七家子水庫資料齊全，調(diào)查到全年各月水量增損資料，施家、南柳、三家子和哈巴沁水庫只收集到年初年末資料。調(diào)查顯示6座水庫容量總變化量為-126.06萬m3，蒸發(fā)總量達(dá)25.74萬m3。詳見表1和表2。

3.2 農(nóng)業(yè)

“農(nóng)業(yè)灌溉”自古以來是江河流域的首要任務(wù)，同時(shí)還伴隨著林牧業(yè)和漁業(yè)的灌溉任務(wù)。此次統(tǒng)計(jì)了測(cè)站以上流域用于水、菜和旱田的年際灌溉水量。統(tǒng)計(jì)表明2020年東白城子站以上農(nóng)業(yè)灌溉耗水量為4 393萬m3，見表3。從表中數(shù)據(jù)可見測(cè)站以上灌溉周期集中在4～9月，灌溉月均用水分配均勻。

3.3 天然水量

東白城子2020年水文站以上天然水量分3部分統(tǒng)計(jì)，實(shí)測(cè)水量為1 084萬m3，韓家杖子站斷面水量為1 072萬m3，本站水量最大，達(dá)4 293萬m3，總計(jì)為5 376萬m3。其中此次調(diào)查涉及區(qū)間面積1 445 km2折合徑流深37.2 mm。調(diào)查結(jié)果見表4。

表1 2020年東白城子站以上水庫變量月年統(tǒng)計(jì)表 單位：萬m3

表2 2020年東白城子站區(qū)間水庫蒸發(fā)增損量月年統(tǒng)計(jì)表 單位：萬m3

表3 2020年東白城子站斷面以上農(nóng)業(yè)耗水量 單位：萬m3

表 4 2020年東白城子水文站區(qū)間天然水量計(jì)算表 單位:萬m3

3.4 墑情特征

本年春季降水量較少，春播期墑情較差不利于耕作，農(nóng)作物苗情不好，夏秋季偏豐，對(duì)晚期作物生長(zhǎng)有幫助，對(duì)秋收有一定的影響。東白城子站墑情見圖6。

圖 6 2020年東白城子站土壤含水率過程線

4 徑流變化特征

東白城子站歷年最大天然水量24 580萬m3，最小天然水量1 012萬m3，多年平均徑流量為6 298萬m3。2020年東白城子站天然徑流量為1 084萬m3，較多年平均少5 214萬m3。對(duì)70余年來測(cè)站徑流量數(shù)據(jù)做繪圖分析（圖7），圖中流域徑流量呈“波浪狀”，表明年際徑流量變化大。此外，可以觀察到徑流量低于5 000萬m3的年份較多且密集，密集程度最多一次為連續(xù)15年徑流量低于5 000萬m3，由此可知該流域存在多年枯水的狀況?？傻贸鰱|白城子站徑流量有“連續(xù)性枯水，階段性豐水，豐、平、枯水年交替發(fā)生”的規(guī)律。

圖7 東白城子站歷年實(shí)測(cè)水量變化過程線圖

降雨量是河川徑流量年內(nèi)變化的主要影響因素，高山融雪為次要影響因素。東白城子站以上流域降水量隨季節(jié)變化非常劇烈，盡管是枯水年也存在春、夏兩次汛期。一般來說，該流域春汛持續(xù)時(shí)間較夏汛短（春汛一般持續(xù)2個(gè)月，夏汛一般持續(xù)4個(gè)月），春季汛期洪水量較夏季低近50個(gè)百分點(diǎn)?？菟竟?jié)一般出現(xiàn)在該年的4～5月，河道徑流量最低接近斷流狀態(tài)，枯水季節(jié)徑流量相對(duì)較多的年份也僅占年徑流量的10%左右，因此枯水季節(jié)缺水嚴(yán)重[9-10]。

5 輸沙量變化特征

20世紀(jì)80～90年代，東白城子站較大洪水年份少，是流域輸沙銳減的主要原因，其次，水土保持工作取得一定成效，經(jīng)過多年治理，繞陽河含沙量呈下降趨勢(shì)，歷年含沙量變化情況見圖8。東白城子站多年斷面平均含沙量為7.81 kg/m3，歷年斷面最大含沙量26.9 kg/m3。2020年東白城子站最大斷面平均含沙量為45.6 kg/m3，本年平均含沙量為23.3 kg/m3。

圖8 東白城子歷年含沙量過程線圖

東白城子站歷年平均輸沙量曲線圖與含沙量變化圖基本一致，歷年輸沙量變化圖見圖9，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，最大輸沙量是1963年的416萬t，70余年平均輸沙量為60.7萬t。自1980年起該河流域輸沙量有著顯著變化，以1980年為界，1980年以前年均輸沙量保持在200萬t，自1980年以后年均輸沙量降至50萬t，降幅接近-75%。2020年徑流屬于枯水年份，本站的斷面輸沙量?jī)H為25.2萬t，斷面平均輸沙率為8.01 kg/s，最大日平均輸沙率為1 250 kg/s，輸沙模數(shù)為118 t/km2。

圖9 東白城子站歷年輸沙量變化過程圖

6 結(jié)論

對(duì)某流域水文變化特征的分析通常是涉及到降水、徑流和蒸發(fā)，文章結(jié)合水文站歷年資料采用統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)東白城子水文站所測(cè)流域近70年的水文進(jìn)行了有效分析，結(jié)論如下：

（1）降水量逐年降低，趨勢(shì)方程為：y=-1.2858x+545.45。降水量年際分配經(jīng)過綜合分析后表現(xiàn)為緩慢降低，并于1980年降至500 mm以下，這充分說明該區(qū)域降水量受全球天氣變化影響顯著，并且這種變化還將繼續(xù)深入。

（2）水量輸出穩(wěn)定，流域灌溉業(yè)呈現(xiàn)穩(wěn)步提升狀態(tài)。測(cè)站以上無工業(yè)用水，流域水資源輸出表現(xiàn)為灌溉農(nóng)業(yè)，歷年灌溉用水均保持在一定量，這足以肯定當(dāng)?shù)卦缫堰m應(yīng)了區(qū)域性墑情條件和季節(jié)性雨量特征，經(jīng)濟(jì)效益穩(wěn)步上升。

（3）徑流年際變化大，輸沙量愈來愈少。徑流年際變化受到年際降水量影響呈現(xiàn)出忽高忽低的形態(tài)，同時(shí)該流域輸沙量曲線變化逐漸走低，表明上游水土保持取得有效成果，也側(cè)面說明了繞陽河流域環(huán)境的改善和生態(tài)的多樣化。