寒區(qū)流域地表水資源量的分析計算

周翠寧，王 宇 ，宋欽南

(1.黑龍江省水文水資源中心，哈爾濱 150001；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150000)

0 引 言

水資源開發(fā)利用程度不斷提高，使得分析評價流域水資源狀況，特別是地表水資源[1-4]情況顯得尤為重要。流域的地表水資源情況分析[5-6]是加強流域水資源開發(fā)利用管控、推進河湖生態(tài)保護修復(fù)的基本要求，受到各級水行政管理部門的高度重視，其成果是各級水行政部門開展流域水資源開發(fā)利用、保護、配置、調(diào)度管理等基礎(chǔ)工作的重要依據(jù)。

文章以黑龍江省和東北地區(qū)重要的商品糧基地之一的呼蘭河流域為例，論述寒區(qū)河流地表水資源分析計算方法及過程，摸清呼蘭河流域地表水資源情況。分析成果可為呼蘭河流域水資源開發(fā)利用、水量配置及調(diào)度、流域生態(tài)保護目標確立提供數(shù)據(jù)支撐，為流域特別是寒區(qū)河流地表水資源分析研究提出思路。

1 流域基本情況

呼蘭河流發(fā)源于小興安嶺西側(cè)鐵力縣境內(nèi)爐坎山，北部以小興安嶺與湯旺河、遜畢拉河、訥謨爾河及烏裕爾河為界；南部以青山嶺、松花江的岔林河、少凌河為界；西部與雙陽河、明青坡地相接。呼蘭河流域位置圖，見圖1。主要支流有通肯河、歐根河、泥河、努敏河、依吉密河及扎克河等。河源海拔580m，干流長523km，干支流總長6748km，流域面積31424km2。其中山崗地面積占11%；坡地面積占41%；平洼地面積占48%。

圖1 呼蘭河流域位置圖

流域?qū)俸疁貛Т箨懶约撅L氣候，年降水量充沛。降水的時空分布極不均勻，時間分布上6-9月降水約占年降水量的78%；空間分布上平原區(qū)小、山區(qū)大，降水高值區(qū)在鐵力縣附近，低值區(qū)在望奎縣附近。流域的徑流補給方式為降雨、融雪結(jié)合型補給，但以降雨補給為主，年內(nèi)徑流變化規(guī)律和趨勢均與降雨一致。春季主要是融雪，水量不大。夏、秋汛期(特別是6-9月)主要是降雨，徑流量約占全年徑流總量的75%～80%。

2 分析方法

2.1 站點選取

按照“干流及支流的控制站、水利工程節(jié)點站必選”的原則，本次選取蘭西水文站等13個國家基本水文站作為分析計算站點，其中呼蘭河干流3個，克音河1個，泥河1個，歐根河1個，通肯河3個，依吉密河1個，扎克河2個，呼蘭河流域主要水文站基本信息及分布情況詳，選用水文站基本情況表，見表1；呼蘭河流域水系及水文站分布圖， 見圖2。

表1 選用水文站基本情況表

2.2 實測徑流數(shù)據(jù)的查補與審核

本次分析計算選取的13個水文站，全部為國家基本測站，各測站具有專業(yè)且穩(wěn)定的測量及資料整編技術(shù)團隊，流量測驗以流速儀法測量為主，量測頻次分布均勻，測驗精度滿足水文相關(guān)規(guī)范要求，每年的徑流資料滿足《水文資料整編規(guī)范》整編要求，且成果刊印《中華人民共和國水文年鑒》。觀測資料系列較長，資料系列可靠。

本次對所選代表水文站徑流系列有缺測或系列長度不足的，進行了插補或延長，對斷面遷移的水文站資料系列均按照目前斷面所在位置進行相應(yīng)換算，根據(jù)不同站資料系列長度、缺測、斷面遷移等不同情況，分別采用了上下游站徑流關(guān)系法(2個)、面積比法(6個)、直接移用法(3個)、相鄰站徑流關(guān)系法(2個)。

圖2 呼蘭河流域水系及水文站分布圖

水文斷面遷移前后集水面積變化<±3%時，資料直接合并統(tǒng)計。集水面積變化>±3%<15%時，徑流資料按面積比進行改正。集水面積變化>±15%時，考慮區(qū)間自然地理條件的差異，選用降水參數(shù)或上下游站徑流關(guān)系法、相鄰站徑流關(guān)系法等進行修正，有的按兩個站單獨處理。查補延長后資料為1956-2016年61a系列。

2.3 單站徑流資料的還原

流域地表水資源量是天然情況下的流域產(chǎn)流狀況，在整理、查補、分析各水文站實測徑流資料基礎(chǔ)上，綜合考慮水文站斷面以上受人類生產(chǎn)活動影響增減的水量進行逐站逐年逐月還原計算。當最近10a人類生產(chǎn)生活活動年平均耗水量小于同期平均實測年徑流量的±5%，為減少還原計算工作量，不做該項水量的還原計算。

2.3.1 還原方法

采用傳統(tǒng)的分項調(diào)查法[7-9]進行選取水文站的逐年逐月徑流還原計算。還原計算的主要項目有：農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和生活用水、生態(tài)環(huán)境的耗水量(含蒸發(fā)消耗和滲漏損失)，跨流域引入、引出水量、水庫蓄水變量等。

W天然=W實測+W農(nóng)灌+W工業(yè)及生活+
W生態(tài)耗水±W引水±W庫蓄

(1)

式中：W天然為還原后的天然徑流量；W實測為水文站實測徑流量；W農(nóng)灌為農(nóng)業(yè)灌溉耗損量；W工業(yè)及生活為工業(yè)及生活用水耗損量；W生態(tài)耗水為生態(tài)用水耗損量；W引水為跨流域(或跨區(qū)間)引水量，引出為正，引入為負；W庫蓄為大中型水庫蓄水變量，增加為正，減少為負。

2.3.1.1 農(nóng)業(yè)灌溉耗損量的計算方法

呼蘭河流域是黑龍江省農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，其農(nóng)業(yè)灌溉地表水用水量占流域地表水總用水量的85%以上，農(nóng)業(yè)耗水是還原計算的重點。根據(jù)省水利統(tǒng)計年鑒及水田面積核查逐年分別統(tǒng)計萬畝以上灌區(qū)面積及萬畝以下灌區(qū)面積，然后乘上本地畝均凈灌溉用水量。凈灌溉用水量確定時根據(jù)黑龍江省典型水田灌溉實驗站資料及呼蘭河流域每年農(nóng)業(yè)用水總量、灌溉水有效利用系數(shù)典型型灌區(qū)凈定額，結(jié)合灌區(qū)的水源條件、種植結(jié)構(gòu)、土壤含水量及流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉的布局確定。

2.3.1.2 工業(yè)用水、城鎮(zhèn)生活用水耗損量的計算

根據(jù)水利統(tǒng)計年鑒查得，包括鐵力、青岡、明水、海倫、望奎、北林區(qū)及蘭西等縣的工業(yè)和生活用水，較大的工業(yè)取水口和生活供水企業(yè)有鐵力市宇祥熱電有限公司取水口和蘭西縣供水公司，其他取水口或用水戶統(tǒng)一合并計算，工業(yè)耗損系數(shù)0.30-0.50，生活耗損系數(shù)0.2～0.4。

2.3.1.3 生態(tài)用水耗損量估算

生態(tài)用水量中的城鎮(zhèn)環(huán)境用水全部損耗，湖泊、濕地用水耗損量只分析計算蒸發(fā)和蒸騰量。

2.3.1.4 水庫蓄水變量的估算

根據(jù)年末與年初蓄水量的差值，分析各水庫蓄水變量。一般中型水庫只有汛期有實測流量、水位資料，非汛期水庫蓄水變量不大，可只算汛期水庫蓄水變量。小型水庫年蓄水變量根據(jù)東方紅水庫，采用比擬法推求，采用聯(lián)豐水庫作為代表水庫進行小水庫年內(nèi)分配計算。

2.4 流域還原徑流成果的合理性分析

徑流數(shù)據(jù)是分析流域地表水資源的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是準確性決定流域分析成果的精準度。因此，應(yīng)對實測徑流系列進行可靠性、一致性(系列已經(jīng)還原)和代表性分析與審查[10-12]。

2.4.1 可靠性

所選取的13個水文站均為國家基本水文站，實測資料的觀測及整編方法和精度符合國家相關(guān)測驗和資料整編規(guī)范精度要求。采用的插補延長方法傳統(tǒng)、適當且可行，資料系列可靠。在具有可靠性的長系列實測資料的基礎(chǔ)上，通過分項調(diào)查法這一傳統(tǒng)的還原方法進行徑流還原，方法可行，因此還原成果是可靠的。

2.4.2 代表性

所選13個代表站其集水面積390～27736km2，從上游到下游分布均勻，涵蓋干流及主要支流，系列長度65a。計算徑流系列模比系數(shù)，并繪制模比系數(shù)差積曲線[11-16]，選用水文站模比系數(shù)差積曲線，見圖3。通過圖3差積曲線進行61a系列豐枯性分析，可以看出，呼蘭河各水文站豐枯變化趨一致，1956-1959年，1968-1973年、1985-1997和2008-2011年是平水年，1959-1963年、1982-1985年、2011-2014、2017-2020年是豐水年，1963-1968年、1973-1982年、1997-2008年及2014-2016年為枯水年，系列基本反映了本流域豐枯變化規(guī)律，代表性較好。

圖3 選用水文站模比系數(shù)差積曲線

2.4.3 一致性

通過徑流、降雨周期性變化是否一致的方法，進行流域主要水文站天然徑流系列的資料的一致性檢驗。文章呈現(xiàn)蘭西水文站降水、徑流過程線圖，蘭西水文站降水、徑流過程線圖，見圖4。由圖4可知，蘭西水文站的降水和徑流過程線十分相似，變化規(guī)律一致。同時對蘭西水文站1956-2000年、2000-2020年和1956-2020年資料系列進行一致性分析，繪制蘭西水文站長、短系列降雨徑流關(guān)系圖，蘭西水文站長、短系列降雨徑流相關(guān)圖，見圖5。由圖5可知，長、短系列降雨徑流相關(guān)關(guān)系較好且無明顯偏離，長短系列合并后降雨徑流相關(guān)關(guān)系相關(guān)系數(shù)R>0.8，說明水文站資料一致性較好。

圖4 蘭西水文站降水、徑流過程線圖

圖5 蘭西水文站長、短系列降雨徑流相關(guān)圖

3 流域地表水徑流量

采用以上方法將2020年呼蘭河流域水文站徑流數(shù)據(jù)進行還原，結(jié)合以上1956-2016年多年平均數(shù)據(jù)，分別分析量算呼蘭河流域多年平均和2020年地表水徑流量。

3.1 徑流深等值線圖繪制

在呼蘭河流域各水文站單站徑流還原、數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合臨近流域徑流等線圖趨，繪制流域多年平均(1956-2016年)和2020年徑流深等值線圖，呼蘭河流域多年平均年徑流深等值線圖，見圖6；蘭河流域 2020年年徑流深等值線圖，見圖7。勾繪等值線時，將選取水文站落在水文站控制流域面中心，考慮降水量分布的總趨勢，充分注意地理位置、地形、地貌等因素對降水的影響，根據(jù)點據(jù)進行勾繪，精度控制在±5%之內(nèi)。

圖6 呼蘭河流域多年平均年徑流深等值線圖

圖7 呼蘭河流域 2020年年徑流深等值線圖

3.2 地表水徑流量算成果

徑流等值線法分析呼蘭河多年平均地表水資源量為40.12億m3，折合徑流深為127.7mm。2020年平均地表水資源量為80.97億m3，折合徑流深257.7mm。

3.3 成果合理性分析

采用蘭西水文站徑流放大的方法復(fù)核呼蘭河流域2020年和多年平均地表水徑流量算成果的準確性。蘭西水文站是呼蘭河流域的把口站，按照面積比法放大估算流域地表水徑流量，兩種方法成果比較，見表2。

表2 兩種方法成果比較

由表2可知，采用蘭西水文站天然徑流量放大至河口計算的呼蘭河流域2020年和多年平均地表水資源量均大于等值線法量算結(jié)果，兩種方法計算的成果相差均<10%，滿足要求，結(jié)果合理。

4 結(jié) 論

對實測徑流數(shù)據(jù)，利用上下游站徑流關(guān)系法、面積比法、直接移用法、相鄰站徑流關(guān)系法等查補延長了呼蘭河主要水文斷面缺測或系列長度不足的徑流數(shù)據(jù)，采用分項調(diào)查法對1956-2016年系列和2020年進行了逐站逐年徑流還原，繪制1956-2016年系列多年平均和2020年呼蘭河流域徑流等值線并量算其多年平均和2020年地表水資源量，量算結(jié)果與采用把口水文站斷面天然徑流放大至河口的結(jié)果進行對比分析，相差均<10%。分析得出，呼蘭河多年平均地表水資源量為40.12億m3，2020年平均地表水資源量為80.97億m3，計算結(jié)果合理?？捎糜诜姥纯购?、工程建設(shè)、科研及其它領(lǐng)域作為指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的重要科學(xué)依據(jù)。