黃河流域天然徑流量評價探討

賈紹鳳，梁 媛,2，張士鋒

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049)

黃河是我國北方基礎(chǔ)性供水水源之一[1]。黃河流域是我國極為重要的經(jīng)濟帶與文化帶，涵蓋了多個重要工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地和國家重點生態(tài)功能區(qū)。同時，黃河流域也是我國水資源極其短缺的地區(qū)之一[2]。水是制約黃河流域發(fā)展的一個關(guān)鍵因素，水資源合理利用是黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的核心[3]。摸清水資源量是合理利用水資源的基礎(chǔ)和前提。當(dāng)前，黃河流域水資源開發(fā)利用率高達80%，遠超一般河流公認的40%閾值[4]。由此可見，黃河流域水資源量評價結(jié)果直接影響著黃河流域水資源規(guī)劃、黃河水量分配方案調(diào)整、南水北調(diào)后續(xù)工程規(guī)劃等重大決策及區(qū)域相關(guān)戰(zhàn)略調(diào)整。

根據(jù)全國水資源評價結(jié)果，1919—1975年系列黃河地表水資源量為580億m3[5]，1956—2000年系列為535億m3[6]，第三次水資源調(diào)查評價結(jié)果表明1956—2016年系列為490億m3[7]。流域下墊面變化通常導(dǎo)致徑流的大幅度改變。由于森林對徑流具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換作用，隨著城市化進程中森林面積和植被覆蓋度增加[8]，流域下墊面發(fā)生改變，流域產(chǎn)流系數(shù)趨勢性下降，對以前的徑流進行下墊面還現(xiàn)以后徑流量會有所減少，但減少程度和所用的水資源評價方法值得探討。

地表水資源量是按天然徑流量來評價的[9]。天然徑流量是指一定下墊面條件下未受人類干擾的天然狀態(tài)下的徑流量，其數(shù)值等于實測河川徑流量加上人類水資源開發(fā)利用引起的徑流消耗量(在存在外調(diào)水的情況下還應(yīng)減去外調(diào)水增加的徑流量)。在下墊面變化顯著的情況下，為保證水文系列的前后一致性，還應(yīng)把歷史徑流系列進行下墊面還現(xiàn)，即用現(xiàn)狀年下墊面條件下的徑流系數(shù)替代歷史下墊面條件下的徑流系數(shù)，利用歷史降水資料來估算歷史降水在現(xiàn)狀下墊面條件下的徑流量。

天然徑流量計算方法包括流域產(chǎn)流法和河流斷面法。流域產(chǎn)流法是把各子流域或區(qū)間的天然徑流量相加得出流域天然徑流量。河流斷面法是把流域的產(chǎn)流量匯流到入?？跀嗝娴乃孔鳛樘烊粡搅髁?。兩者的差別是天然情況下的流域匯流損失包括流域水系水面蒸發(fā)損失和河道滲漏損失，即河流斷面法天然徑流量等于流域產(chǎn)流法天然徑流量減去天然情況下流域水系水面蒸發(fā)量和河道滲漏量。

天然徑流量的本義應(yīng)該是坡面降水或冰雪融化產(chǎn)流以及地下泉水匯入河道后未被人類活動減損的河流徑流量。但目前的天然徑流量還原計算方法不夠全面，早期只針對地表水取水進行還原，認為河流斷面天然徑流量等于斷面實測徑流量加地表水耗水量(等于斷面以上地表水取水量減河流回歸水量)再加上水庫蓄變量[10]。這其中存在兩個問題：①對地表水取水的還原不完全，沒有考慮地表水取水中回歸到地下水的部分；②沒有考慮地表水取水以外的人類活動對河流徑流量的損耗，例如，由于地下水開采改變地表水與地下水的補排關(guān)系所引起的地表徑流量的損耗、修建水庫和塘壩增加水面面積所造成的水面蒸發(fā)增加。盡管SL/T 278—2020《水利水電工程水文計算規(guī)范》對徑流還原計算方法有所完善，包括了凈耗水量、蓄水工程的蓄水變量、水面蒸發(fā)增損量、城鎮(zhèn)化及地下水開發(fā)等對徑流的影響水量，但具體計算方法比較籠統(tǒng)，應(yīng)用時仍需視實際情況自行選擇合理的方法。

本文針對黃河流域徑流系列的一致性處理問題，提出了一種更為具體的天然徑流量還原還現(xiàn)算法，并根據(jù)黃河流域入?？诶蛘镜膶崪y徑流、流域地表水消耗量、地下水耗水量、地下水超采量、水庫水面蒸發(fā)量、水庫蓄變量等數(shù)據(jù)，對利津站的天然地表徑流量進行還原分析，并進一步估算對下墊面進行還現(xiàn)的天然徑流量。

1 對人類用水進行還原的利津站天然徑流量評價

1.1 評價方法

本文采用河流斷面法估算天然徑流量。將人類用水行為引起的河流徑流減少量還原，天然徑流量等于實測徑流量加上實測斷面以上人類用水行為引起的地表水變化量。這里的人類用水行為應(yīng)包括蓄水、引水、提水、地下水開采、用水、排水等行為，不包括水土保持、城市建設(shè)等改變下墊面而影響產(chǎn)流的行為。人類修建水庫蓄水，水面面積增加，水面蒸發(fā)相應(yīng)增加造成天然徑流量的損失；跨流域引水(以及非人為的大堤決口造成的跨流域外泄)會直接造成本流域水量損失；而本流域內(nèi)的生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水，除了有一部分退水回歸河道，往往有大部分由于蒸發(fā)、轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品中被消耗或入滲到地下水中等原因回不到河道；地下水開采，尤其是傍河開采，會造成地表徑流的損失；這些由于人類用水行為引起的地表徑流的損失在天然徑流量還原時都應(yīng)該被考慮。

根據(jù)斷面年實測徑流量推求年天然徑流量的公式如下：

Rn=Ra+D1+D2+D3+D4

(1)

式中：Rn為年天然徑流量；Ra為年實測徑流量；D1為當(dāng)年實測斷面以上地表水取水中沒有回到河流的水量；D2為當(dāng)年實測斷面以上流域地下水開采改變地表水和地下水的補排關(guān)系所減少的河流水量；D3為當(dāng)年實測斷面以上水庫(湖泊)水面增減引起的水面蒸發(fā)增減量；D4為當(dāng)年斷面以上流域水庫(湖泊)蓄變量。

利津站位于黃河口附近，該站下游用水很少，可以認為利津站的實測徑流量就是入海徑流量，還原利津斷面以上的人類用水引起的徑流減少量，就可以得到黃河的入海天然徑流量。因為全國統(tǒng)一安排做了3次水資源評價工作，采用的水文系列分別為1956—1979年、1956—2000年和1956—2016年，因此，為了保證對比的一致性，以下分析主要依據(jù)此3個水文系列。

1.2 利津站實測徑流量

根據(jù)歷年黃河流域水文資料，利津站具有1956年以來的連續(xù)實測徑流量，1956—1979年、1956—2000年和1956—2016年3個系列的年均徑流量分別為411.49億m3、315.35億m3和275.06億m3。

1.3 斷面以上地表水取水中沒有回到河流的水量

利津斷面以上地表水取水中沒有回到河流的水量包括2個部分：①本流域內(nèi)地表水取水引起的河流徑流減少量，包括地表水用水量中的耗水量和地表水退水量中入滲補給地下水且沒有通過地下水補給地表水的水量；②取水到外流域且回不到本流域的水量，包括黃河下游兩岸淮河流域和海河流域的引黃水量，以及甘肅景電揚水工程輸送到河西走廊民勤盆地的水量。

黃河流域水資源公報給出的地表水耗水?dāng)?shù)據(jù)是本流域地表水耗水量和外流域引水量之和。1956—1979年、1980—2000年、1956—2000年、2001—2016年、1956—2016年水文系列的利津斷面以上年均地表水耗水量分別為207.40億m3、296.60億m3、249.00億m3、304.30億m3和263.50億m3。其中，1956—1979年、1980—2000年、1956—2000年年均耗水量來自張學(xué)成等[6]和潘啟民等[11]的研究成果；2001—2016年年均耗水量根據(jù)歷年黃河流域水資源公報中的數(shù)據(jù)計算；1956—2016年年均耗水量是對1956—2000年和2001—2016年2個時段的年均耗水量進行時間加權(quán)平均得到。因為缺乏地表水退水量中入滲補給地下水且沒有通過地下水補給地表水的水量的觀測統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因此暫且忽略該項，但可以判斷該項的忽略會造成還原量被低估因而造成天然徑流量被低估。

1.4 斷面以上流域地下水開采所減少的河流水量

地下水開采會引起河流水位與地下水水位(或水頭)相對落差的改變，從而引起地表水與地下水之間補排關(guān)系的改變。尤其是傍河開采地下水，會直接引起地表徑流的損失。因此，根據(jù)河流斷面實測徑流量還原天然徑流量，必須考慮斷面以上流域地下水開采所減少的河流徑流量。

潘啟民等[11]對黃河流域花園口以上地下水開采引起的黃河徑流減少量進行了估算，認為與1980年相比，2012年地下水開采使黃河徑流減少量增加了26.2億m3，采用的公式為

ΔW=ΔWh-|ΔE|

(2)

式中：ΔW為計算期相對于參照期地下水開采引起的地表徑流量減少量的增量；ΔWh為計算期相對于參照期的地下水耗水量增量；ΔE為計算期相對于參照期的潛水蒸發(fā)量增量。

式(2)存在以下問題：①ΔE是地下水開采引起的潛水蒸發(fā)變化量，在地下水位下降時，潛水蒸發(fā)減少，這個減少量可看作地下水可以持續(xù)開采的部分，因此要先從地下水耗水量中扣除，再計算地下水開采引起的地表徑流減少量。從式(2)對于潛水蒸發(fā)變化量的表述可以看出，不論水位上升還是下降，地下水開采減少地表徑流量的估算都應(yīng)該扣除潛水蒸發(fā)增量的絕對值，這顯然忽略了地下水位上升與下降兩種不同情況的本質(zhì)區(qū)別。潛水蒸發(fā)變化對地下水消耗的影響應(yīng)該有正有負，不應(yīng)該用絕對值。②地下水耗水量增量并不都來自地表水的補充，除了文中已經(jīng)排除的降水補給的差異和扣除的潛水蒸發(fā)增量，還可能來自地下水超采，在地下水變動較大時，必須考慮超采量的影響。

在計算期和參照期降水基本一致、下墊面入滲條件基本一致的前提下，降水入滲對地下水的補給可以假設(shè)不變，式(2)可以修改為

ΔW=ΔWh+ΔE-ΔG0

(3)

式中ΔG0為計算期地下水超采量相對于參照期地下水超采量的增量。

黃河流域桃花峪以上的中上游河段除局部地段河水補給地下水外，一般情況下地下水向黃河及其支流排泄，黃河接受地下水補給段占黃河干流總長度的80%～85%[12]。也就是說，大部分河段的地下水開采，并不會引起河流上游來水的損失，而只會減少本河段地下水對河流的補給量。在黃河中上游地區(qū)，地下水開采引起地表徑流損失的主要區(qū)域包括烏拉山以西河套平原、汾河平原和渭河平原。

根據(jù)潘啟民等[11]的研究，1980年和1985年兩年平均地下水耗水量為48.93億m3，2007—2011年年均地下水耗水量為83.84億m3。21世紀初相對于1997年的地下水年超采量達10.09億m3[13]，2000—2008年黃河流域地下水年均不合理開采量(主要為淺層地下水超采量及深層地下水開采量)約22.0億m3[14]。

除了黃河中上游地下水開采引起的黃河徑流量減少之外，黃河下游兩岸附近的地下水開采也會引起河道滲漏量的增加，這部分滲漏量也應(yīng)該還原到利津天然徑流量中。據(jù)何宏謀等[15]的研究，與1999年相比，2009年黃河兩岸地下水開采使河道滲漏量增加了4.34億m3，2000—2009年因傍河開采地下水增加的年均滲漏量達到2.79億m3。

1970年以前黃河流域?qū)Φ叵滤拈_采很少，其對黃河徑流的影響可以忽略不計。以1970年以前的情況為基準可計算其他時間段的地下水開采引起的黃河徑流減少量，具體結(jié)果見表1。1956—1969年作為比較基準，各項數(shù)據(jù)均為0。1980—1989年的上中游地下水耗水量增量采用潘啟民等[11]1980和1985年的平均數(shù)據(jù)，2000年以后的上中游地下水耗水量增量根據(jù)黃河流域水資源公報數(shù)據(jù)計算，其他時段采用線性插值方法計算。根據(jù)潘啟民等[11]的研究結(jié)果，2007—2011年平均潛水蒸發(fā)量增量相對于1980年和1985年的平均值減少了8.71億m3，按此增長率估算此前其他時段的數(shù)據(jù)，并根據(jù)2010年以后地下水位基本穩(wěn)定的情況，認為潛水蒸發(fā)基本保持穩(wěn)定。2000—2009年上中游地下水超采量近似采用張新海等[14]對2000—2008年的估算結(jié)果，并認為2010年以后基本不變，其他時段采用線性插值方法獲得。2000—2009年下游地下水開采引起滲漏增加量采用何宏謀等[15]的研究成果，并認為2010年以后基本不變，其他時段按線性插值估計。

表1 黃河流域地下水開采引起的黃河徑流變化量 單位：億m3

對于1956—2016年長系列，因地下水開采引起的年均還原量達到26.2億m3，可見地下水開采對水資源評價結(jié)果的影響不容忽視。王浩等[16]曾評估了2000年有無人類用水的地表水資源量和地下水資源量的變化，發(fā)現(xiàn)地表水資源量從沒有人類用水情景時的583.9億m3減少到有人類用水情景時的548.7億m3，減少了35.2億m3，相應(yīng)的地下水資源量從381.1億m3增加到404.2億m3，增加了23.1億m3。雖然本研究與他們的研究目的不同，時段不盡一致，但結(jié)果有一定可比性，數(shù)值較為接近。

1.5 斷面以上水庫水面增減引起的水面蒸發(fā)增減量

流域內(nèi)修建水庫，因人為增加水面面積而造成水面蒸發(fā)增加，這部分因人類開發(fā)利用水資源帶來的蒸發(fā)損失造成的河流徑流量減少，也應(yīng)該進行還原。

根據(jù)田景環(huán)等[17]的研究，截至1997年，黃河流域有大中型水庫186座，庫容達到633.4億m3，年均水面蒸發(fā)7.7億m3，小型水庫和淤地壩年均蒸發(fā)約5億m3。2016年黃河流域有大中型水庫264座，庫容達到795億m3[18]。以1997年水面蒸發(fā)12.7億m3[17]為參照，并參考歷年黃河流域大中型水庫正常水位水面面積、淤地壩數(shù)量、土地利用數(shù)據(jù)中的水域面積的變化趨勢，估算出1956—1979年、1980—2000年、1956—2000年、2001—2016年、1956—2016年人工水庫塘壩的水面蒸發(fā)量分別為1.20億m3、12.00億m3、6.24億m3、13.00億m3和8.01億m3。

1.6 水庫蓄變量

根據(jù)張學(xué)成等[6]的研究成果和黃河水資源公報歷年水庫蓄變量數(shù)據(jù)，得到1956—1979年、1980—2000年、1956—2000年、2001—2016年、1956—2016年花園口以上水庫蓄變量分別為1.43億m3、9.04億m3、4.98億m3、4.86億m3和4.95億m3。

1.7 利津斷面天然徑流量還原結(jié)果

根據(jù)式(1)和以上各分項估計結(jié)果，計算得到還原后的利津斷面天然徑流量如表2所示。

表2 天然徑流量還原結(jié)果 單位：億m3

2 對下墊面進行還現(xiàn)的利津站天然徑流量評價

2.1 評價方法

由于下墊面的劇烈改變，長系列徑流資料對于下墊面而言已經(jīng)不再具有一致性，為了保持不同年份徑流數(shù)據(jù)的一致性，對天然徑流進行下墊面還現(xiàn)是合理的。下墊面還現(xiàn)是指用現(xiàn)狀年下墊面條件下的徑流系數(shù)替代歷史下墊面條件下的徑流系數(shù)，利用歷史降水資料來估算歷史降水在現(xiàn)狀下墊面條件下的徑流量，即把歷史上各年的當(dāng)時下墊面條件下的天然徑流量還現(xiàn)到所評價的現(xiàn)狀下墊面條件下的天然徑流量。這對于黃河流域而言具有現(xiàn)實意義。因為梯田、魚鱗坑等坡面水土保持工程可以攔截大量水和沙，天然植被恢復(fù)也可以達到驚人的減水減沙效果。只要不被人類破壞，黃土高原的植被覆蓋度可以達到80%以上，盡管南部以森林為主、北部鄂爾多斯一帶以草原為主，植被恢復(fù)后黃河泥沙相對于原來年均16億t可以減少90%以上[19]，同時徑流量也會明顯減少。

本文以2016年的下墊面為基準，把以前的天然徑流還現(xiàn)到此下墊面條件下的徑流。對于內(nèi)部空間差異性很大的流域，有必要劃分為內(nèi)部相對均一的子流域來進行還現(xiàn)。

劉紅珍等[20]采用降雨-徑流雙累積曲線方法，根據(jù)雙累積曲線的拐點判斷下墊面變化的轉(zhuǎn)折年份，以此為參考劃分黃河流域各區(qū)間的3種下墊面情景，并對各區(qū)間的天然徑流量進行了下墊面還現(xiàn)，研究表明下墊面變化主要發(fā)生在唐乃亥站以下，尤其是黃河中游。史輔成等[21]認為唐乃亥以上黃河河源區(qū)降雨-徑流關(guān)系變化不顯著，通過中游地區(qū)渭河、伊洛河、沁河2003年汛期徑流量和汛期多年徑流量的對比表明，中游中小型水利水保工程并沒有造成徑流明顯減少，發(fā)現(xiàn)20世紀90年代以來連續(xù)多年徑流偏少的主要原因是連續(xù)降水偏少，即一定量級的暴雨偏少不利于產(chǎn)流，而與下墊面變化關(guān)系不大，因而提出黃河流域不需要進行下墊面還現(xiàn)。雖然上述兩項研究對于黃河中游是否需要進行下墊面還現(xiàn)觀點不同，但一致認為唐乃亥以上河源區(qū)不需要進行下墊面還現(xiàn)。

2.2 利津斷面天然徑流量還現(xiàn)結(jié)果

綜合各研究成果，對下墊面還現(xiàn)作以下處理：以2001—2016年的下墊面為參照下墊面，此時段的徑流不需要還現(xiàn)，即徑流還現(xiàn)系數(shù)(下墊面還現(xiàn)后與還現(xiàn)前的徑流量之比)為1；1980—2000年的下墊面相對于參照下墊面，徑流主要來源區(qū)黃河源區(qū)的徑流系數(shù)不變，蘭州—三門峽區(qū)段徑流系數(shù)平均減少約7.5%，全流域徑流下墊面還現(xiàn)系數(shù)為0.960；1956—1979年的下墊面相對于參照下墊面，徑流主要來源區(qū)黃河源區(qū)的徑流系數(shù)不變，蘭州—三門峽區(qū)段徑流系數(shù)平均減少約15%，全流域徑流下墊面還現(xiàn)系數(shù)為0.925。據(jù)此得到利津站下墊面還現(xiàn)后的天然徑流量評價結(jié)果如表3所示。

表3 天然徑流量還現(xiàn)結(jié)果

2.3 討 論

對于黃河天然徑流量還原還現(xiàn)的分析計算采用了多種數(shù)據(jù)來源，在數(shù)據(jù)選取過程中特別注意了數(shù)據(jù)的一致性問題：①實測徑流量、流域地表取用水的消耗量、地下水開采引起的地表徑流減少量、人工水庫塘壩水面面積增加引起的水面蒸發(fā)增加量等，滿足定義的一致性和分類的完備性，所采用的數(shù)據(jù)符合定義要求；②本文所用利津斷面實測徑流量、地表水耗水量、水庫蓄變量等基本數(shù)據(jù)是幾次黃河流域水資源評價所采用的數(shù)據(jù)，具有權(quán)威性；③本文引用的主要數(shù)據(jù)，例如地表水耗水量、地下水開采引起的地表徑流減少量、黃河下游傍河開采引起的黃河徑流減少量等，都來自編制黃河流域水資源評價報告和《黃河流域水資源公報》的專門機構(gòu)和專家，這也有利于保證數(shù)據(jù)的一致性；④本文參考了不同來源的數(shù)據(jù)進行相互印證，保證了數(shù)據(jù)的一致性和可靠性，所得評價結(jié)果可信度較高。

3 結(jié) 論

a.通過黃河流域天然徑流量還原、還現(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，行業(yè)規(guī)范關(guān)于徑流一致性處理的方法在具體流域應(yīng)用方面應(yīng)該繼續(xù)補充完善。

b.黃河流域降水長期變化不大，但地表徑流確實因為下墊面的改變(植被變好和水保設(shè)施增加)而呈趨勢性減少，但減少幅度沒有此前一些評估結(jié)果所顯示的那么大。本文估算的1956—2000年、1956—2016年利津站下墊面還現(xiàn)年均流量分別為557.92億m3和551.72億m3，相比流域機構(gòu)第二次、第三次水資源評價結(jié)果535億m3和490億m3，明顯減少的趨勢要低很多，尤其是1956—2016年系列本文評價結(jié)果要多61.72億m3，多出12.60%。

c.即便是降水偏少的2001—2016年時段，在下墊面已經(jīng)被大幅度改變后的現(xiàn)狀條件下，天然徑流量也多達534.42億m3，比流域機構(gòu)第三次水資源評價的黃河流域1956—2016年長系列地表水資源量490億m3，也多出44.42億m3，這進一步說明流域機構(gòu)給出的水資源量評價成果有低估傾向。

d.第三次水資源評價結(jié)果中黃河流域地表水資源量被低估的主要原因是沒有考慮地下水開采對地表徑流的損耗、水面蒸發(fā)損失以及下墊面還現(xiàn)調(diào)減太多。1956—1979年、1956—2000年和1956—2016年3個時段的地下水開采引起的地表徑流年均損耗分別為3.15億m3、21.77億m3和26.20億m3，2001—2016年高達55.36億m3。如此大的地下水開采量對地表徑流的損耗，應(yīng)該在水資源評價中加以考慮，否則會造成水資源評價結(jié)果失真。

e.對徑流進行還原、還現(xiàn)都是為了保持各年份徑流數(shù)據(jù)的一致性、可比性。黃河流域水資源量評價結(jié)果的偏差，尤其是低估，將直接影響流域水量分配與水資源規(guī)劃，關(guān)乎黃河流域高質(zhì)量發(fā)展及南水北調(diào)后續(xù)工程規(guī)劃等國家發(fā)展重大戰(zhàn)略決策，因此對天然徑流量的評價必須慎重。