甘肅省渭河流域天然徑流還原計(jì)算研究

孫棟元，王啟優(yōu)，牛最榮，牛瓊燕，賈 玲，趙文琦，周 敏

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730000)

正確評(píng)價(jià)水資源是合理開(kāi)發(fā)利用、保護(hù)和統(tǒng)一管理水資源的基礎(chǔ)[1- 3]。精準(zhǔn)的水資源評(píng)價(jià)和水資源數(shù)量計(jì)算是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展和利用的重要前提和關(guān)鍵內(nèi)容[4]。徑流還原計(jì)算為水資源評(píng)價(jià)、分配、調(diào)度和生產(chǎn)服務(wù)等方面提供關(guān)鍵支撐[4- 5]。隨著水利工程的不斷修建和人類(lèi)社會(huì)加速發(fā)展，取用水量不斷增加是導(dǎo)致河川徑流量銳減的主要原因之一，同時(shí)下墊面條件受人類(lèi)建設(shè)活動(dòng)不斷影響，造成流域產(chǎn)匯流情況變化，從而影響徑流狀況，使得徑流觀測(cè)資料不能代表河流的天然狀況，導(dǎo)致資料代表性和一致性出現(xiàn)一定偏差，因此，需要將觀測(cè)徑流還原為天然狀況下的徑流量[3- 6]。通過(guò)對(duì)徑流的準(zhǔn)確還原計(jì)算，摸清流域水資源狀況，使得還原結(jié)果滿足水資源評(píng)價(jià)、水利工程設(shè)計(jì)和規(guī)劃要求，為區(qū)域水資源合理配置、高效利用提供技術(shù)保障。

眾多學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域、采用不同方法與模型開(kāi)展了諸多徑流還原方面的計(jì)算與分析，涉及有分項(xiàng)調(diào)查、降水徑流關(guān)系等方法，各個(gè)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。喬云峰等將投影尋蹤法應(yīng)用于徑流還原計(jì)算研究[2]；陳佳蕾等采用SWAT模型進(jìn)行徑流還原計(jì)算[3]；范輝等利用VIC模型研究了天然徑流還原[7]；劉強(qiáng)等利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了徑流量還原計(jì)算[8]；阿不力克木和宋星原對(duì)西北干旱地區(qū)徑流量還原計(jì)算有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討[4]；張洪波等探討了地下水強(qiáng)擾動(dòng)地區(qū)的徑流還原計(jì)算方法[5]；夏傳清對(duì)雅魯藏布江中游徑流還原計(jì)算方法進(jìn)行了探析[6]；薛青和張亮還原計(jì)算了渭干河徑流量[9]；吳英超等還原計(jì)算了撫河徑流[10]，牛最榮等基于徑流還現(xiàn)對(duì)洮河流域徑流變化特征進(jìn)行了研究[11]。盡管徑流還原已有相關(guān)成果，但針對(duì)渭河流域等特定河流仍需進(jìn)一步開(kāi)展徑流還原計(jì)算研究。牛最榮、黃維東、王海榮、聶文晶和盧路等分別對(duì)渭河流域水資源、地表徑流、水沙演變、河流健康等方面進(jìn)行了相關(guān)研究[12- 18]，而關(guān)于渭河流域徑流還原計(jì)算依然薄弱，需要進(jìn)一步加強(qiáng)該方面研究。因此，本文以甘肅省渭河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，開(kāi)展流域天然徑流還原計(jì)算研究，為流域科學(xué)調(diào)控和利用水資源提供技術(shù)支持。本文選取渭河流域武山、北道2個(gè)典型水文站，借助多年觀測(cè)資料，利用分項(xiàng)調(diào)查和降水徑流雙累積方法，對(duì)渭河天然徑流進(jìn)一步進(jìn)行還原研究，從而為流域水資源科學(xué)管理和優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渭河位于甘肅省中東部，省內(nèi)渭河流域總面積5.91×104km2，其中渭河干流流域面積為2.56×104km2。

渭河源頭在甘肅渭源縣，干流由西向東，省內(nèi)干流長(zhǎng)297km，南北兩岸有榜沙河、秦祁河等14條河流，水量南岸較豐，北岸較貧。榜沙河、大南河等5條支流多年平均徑流量超過(guò)1.0×108m3。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源與監(jiān)測(cè)站點(diǎn)情況

數(shù)據(jù)資料來(lái)源于甘肅省水文部門(mén)。甘肅省渭河流域涉及到渭源、武山、甘谷、北道等10個(gè)水文站，本文主要選取武山和北道站，渭河水文站信息見(jiàn)表1。

表1 渭河水文站信息表

選用渭河及相鄰流域社棠、天水等79個(gè)雨量站資料進(jìn)行面雨量計(jì)算。資料系列長(zhǎng)度不夠或缺測(cè)的流量和降水量可以通過(guò)插補(bǔ)延長(zhǎng)得到，并經(jīng)過(guò)合理性檢驗(yàn)后確定相應(yīng)數(shù)值。

2.2 研究方法

利用徑流還原完成對(duì)典型站徑流還原計(jì)算。借助分項(xiàng)還原原理和過(guò)程[11，19- 20]，完成徑流還原計(jì)算和合理性檢驗(yàn)，其還原耗損量項(xiàng)目有農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水等，跨區(qū)域引入(出)水量，水庫(kù)蓄水變量等。采用降水與徑流量雙累積關(guān)系圖進(jìn)行徑流修正，確定明確拐點(diǎn)年份，作為時(shí)間段劃分依據(jù)，同時(shí)修正相應(yīng)時(shí)間段徑流量[11]。通過(guò)年徑流深值和修正系數(shù)等指標(biāo)，計(jì)算修正后天然徑流結(jié)果。

3 徑流還原計(jì)算與分析

3.1 徑流還原計(jì)算

采用統(tǒng)計(jì)分析和分項(xiàng)還原方法，得出1956—2016年渭河流域武山、北道2站多年平均實(shí)測(cè)徑流量、多年平均還原水量和還原后天然徑流量分別為5.357×108、11.238×108m3，0.404×108、1.892×108m3和5.761×108、13.130×108m3。2站對(duì)比結(jié)果如圖1所示，還原后徑流量也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，武山和北道站均呈現(xiàn)先增加后減小的徑流量變化趨勢(shì)，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)影響下徑流量呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)。

圖1 武山與北道水文站天然與實(shí)測(cè)多年徑流量變化

3.2 徑流一致性分析

通過(guò)對(duì)武山、北道站控制面積內(nèi)的29個(gè)和79個(gè)雨量站分別進(jìn)行合理性和一致性分析，繪制武山、北道2站面平均年降水量與徑流量雙累積圖，發(fā)現(xiàn)兩者關(guān)系突變拐點(diǎn)在1993年，以此將1993年作為分割點(diǎn)，將1956—1993年和1994—2016年作為2個(gè)劃分時(shí)段，并完成一致性修正如圖2—3所示。

圖2 武山與北道水文站降水量-徑流量雙累積及修正曲線圖

2站的徑流修正系數(shù)根據(jù)降水量大小而確定，同時(shí)將降水與修正系數(shù)作為流域徑流還原修正參考依據(jù)見(jiàn)表2。

圖3 武山與北道站前后2個(gè)時(shí)段徑流深-降水量關(guān)系圖

表2 武山和北道站降水量與徑流修正系數(shù)關(guān)系表

依據(jù)修正后2站降水量，借助確定的相對(duì)應(yīng)修正系數(shù)，計(jì)算得到修正后兩站徑流量分別為3.893×108、8.403×108m3，其結(jié)果與還原后結(jié)果相比分別減少1.868×108、4.727×108m3。武山、北道站天然徑流量與還原徑流量對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 武山與北道站天然與修正后多年徑流量變化

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)渭河流域武山、北道徑流量修正還原計(jì)算，客觀反映流域水資源開(kāi)發(fā)利用情況和新的變化規(guī)律。研究結(jié)果為流域水資源綜合評(píng)價(jià)、科學(xué)管理與有效調(diào)配以及水利工程管理規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。徑流還原結(jié)果受多方面因素影響，強(qiáng)人類(lèi)活動(dòng)使得區(qū)域下墊面狀況更加趨于復(fù)雜，同時(shí)受人類(lèi)活動(dòng)引用水量的影響，其還原水量也受到一定影響，再加之還原方法的有限性，使得徑流還原呈現(xiàn)更多多變性和復(fù)雜性。因此，為了提高還原計(jì)算的準(zhǔn)確可靠，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)變化環(huán)境下多方法、多因素徑流的還原計(jì)算研究，使得計(jì)算結(jié)果更精確地反映區(qū)域水資源動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。