基于同頻率插補法的少資料河溝年徑流量計算

王 濂，黃慧科

（長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，武漢 430012）

1 研究背景

在當前全面推行河長制的大背景下，地方各級政府對河流生態(tài)基流問題非常重視，尤其在河流開發(fā)利用率高的區(qū)域，水量分配更是各方關注的焦點。我國北方干旱區(qū)域生產用水、生活用水需求大，但大部分小河溝未建立水文站，不能準確掌握河流信息。年徑流量是直接影響水資源科學管理和工程效益的基礎性數(shù)據(jù)，若測算不準，則難以兼顧保障供水和生態(tài)基流，會給生態(tài)基流考核、水資源評價及工程水文計算帶來諸多困難。

哈拉吐魯克河是博爾塔拉河北岸最大的一條支流，源頭位于阿拉套山南坡，流向為由北向南，河流長度約為54 km，河床坡降為33.3‰～16.7‰，流域面積約為229 km2。哈拉吐魯克河年徑流量變化比較穩(wěn)定，徑流年內分配與相近區(qū)域的精河相似。哈拉吐魯克河河水終年清澈，流域內水土保持較好。河水夏盛冬枯，夏季徑流以冰雪融化和降雨補給為主，冬季以地下潛水補給為主，其中約70%水量集中在6～8月。哈拉吐魯克河上建有哈拉吐魯克水庫，于2018年通過蓄水驗收，總庫容為2 870萬m3，工程規(guī)模為Ⅲ級，其供水目標包括生產、生活用水等。哈拉吐魯克河開發(fā)利用率很高，是干旱地區(qū)典型的少水文資料河流，且由于歷史水文資料較少，徑流量估算值相對偏高。

年徑流量一般根據(jù)同地區(qū)參證站資料推算[1]。無資料區(qū)域常采用參數(shù)等值線圖法、水文比擬法[2]來推求，少資料區(qū)域河道流量常常是某一個時段的短期流量，通過長短系列徑流量資料進行插補法進行展延[3]。展延方法主要有同步期均值插補、同保證率長短系列插補法等。目前尚無不同插補方法準確度的對比分析研究。本研究通過收集非連續(xù)水文資料，對哈拉吐魯克年徑流量重新核算，并對各種計算方法進行比較分析，可為高開發(fā)利用率河流的生態(tài)基流保障提供科學參考。

2 研究方法

（1）參證站的選取。參證站的選取直接影響徑流計算成果的精確性[4]，哈拉吐魯克河二道橋水文站和水庫站與具有長系列年徑流量資料的精河山口水文站參證站同處于一個氣候區(qū)，在徑流影響因素上存在一定的相似性。通過對哈拉吐魯克水庫站與精河山口站2018—2020年間同期年徑流進行相關性計算，得到相關系數(shù)為0.9998，相關性比較好，因此，本研究選擇精河山口站為參證站。通過應用精河山口站長系列水文站觀測數(shù)據(jù)，對觀測系列短的哈拉吐魯克河水文數(shù)據(jù)進行延展和水文分析計算，所采用系列數(shù)據(jù)的信息見表1。

表1 主要水文站特征信息統(tǒng)計

（2）目前已有的哈拉吐魯克河徑流量研究成果均基于同期長短系列均值插補法，采用該方法計算時，若短系列資料不能有效代表不同的豐枯年份，將直接影響徑流量計算精度，而采用同保證率長短系列插補法能有效克服上述困難。

（3）通過二道橋水文站的短期實測徑流數(shù)據(jù)，推求出下游哈拉吐魯克水庫站的徑流量。將哈拉吐魯克水庫站短系列平均值作為插補站短期平均，以精河山口站作為參證站，采用同頻率均值插補進行插補，表達式為

（4）采用同頻率法推求的年徑流量，結合哈拉吐魯克水庫站近3年的徑流量年內分配成果，采用Tennant法對月生態(tài)基流狀況進行評定。

3 結果分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)《新疆河流總徑流量調查統(tǒng)計匯編》（1985年正式刊印版）、《博爾塔拉河、精河流域地表水資源評價》（2010年3月審定版）和《哈拉吐魯克引哈濟博工程取水斷面徑流分析計算報告》（2011年6月審定版），哈拉吐魯克河徑流量已有成果匯總表見表2。

由表2可知，各種成果之間有所差異。在進行同步期均值插補時，應結合精河1956—2010年長系列資料和哈拉吐魯克1957年、2004年、2018—2020年共5年的資料，對哈拉吐魯克河與精河山口是否處于同一豐枯水平進行合理性分析。1957年年徑流量1.30×108m3為偏豐水年，2003—2004年則為偏枯期；精河山口站1956—1958年為偏平水年，2003—2004則為偏枯水年。由于1956—1958年年代久遠，測驗精度有限，因此推薦采用2003—2004年同步期長短系列法延長序列。

表2 哈拉吐魯克河徑流量成果匯總表

3.2 新系列數(shù)據(jù)處理

2018年—2020年在哈拉吐魯克河二道橋設立水文站監(jiān)測水量，并取得三年資料。二道橋以上集水面積217.99 km2，哈拉吐魯克水庫站以上集水面積280.37 km2。二道橋和水庫的集水面積相差不大，且下墊面條件相似，因此，可以采用水文比擬法來推求水庫處的流量數(shù)據(jù)。在等值線圖中分別量算二道橋以上徑流量1.115×108m3，哈拉吐魯克水庫以上徑流量1.268×108m3，計算二處徑流量的比值，再將二道橋三年實資料推算到哈拉吐魯克水庫，計算結果見表3。

表3 哈拉吐魯克水庫還原計算

通過哈拉吐魯克1957年、2004年、2018—2020年共5年實測徑流數(shù)據(jù)計算得到保證率，查得精河山口站對應保證率下相應年份的徑流量，精河山口站1957—2020年多年平均徑流量為4.688×108m3，與1957年、2004年、2018—2020年5年平均徑流量4.677×108m3進行同頻率均值插補法計算，可知哈拉吐魯克河對應保證率下的年平均徑流量為1.105×108m3。計算成果見表4。

表4 哈拉吐魯克、精河部分年徑流量計算成果統(tǒng)計

3.3 成果分析

同頻率長短系列計算多年均值為1.105×108m3，同期長短系列計算多年均值為1.171×108m3，可以發(fā)現(xiàn)，隨著系列增長，豐枯影響減弱。哈拉吐魯克河觀測系列增長，插補后徑流量均值減小。1957年哈拉吐魯克河為偏豐年，采用1957年哈拉吐魯克河實測值作為多年均值自然偏大，而該年精河山口為平水年，造成長短系列分析值偏大。采用同頻率均值的插補方法計算哈拉吐魯克河長系列均值，有效克服了這一問題。因此，推薦采用同頻率均值的插補方法得到的年徑流量計算成果，作為哈拉吐魯克河多年平均年徑流量。

3.4 成果應用

根據(jù)地區(qū)綜合頻率曲線法[5]，可以得到哈拉吐魯克河年徑流離差系數(shù)Cv=0.20，偏差系數(shù)Cs=2Cv，同時，通過對精河山口站1956—2020年的徑流量年內分配結果進行統(tǒng)計得到多年平均年內分配過程，采用同倍比縮放法計算得到2018年—2020年各保證率下的年徑流分配成果（見表5）。

表5 哈拉吐魯克河年徑流量計算成果統(tǒng)計

確定河流生態(tài)水量是河湖健康評估的重要基礎工作之一[6]。當前生態(tài)基流的計算方法主要有水文學法、水力學法、生境模擬法、以及整體分析法，而Tennant法是使用最多的水文學法[7]。Tennant法通過多年平均流量與對應百分數(shù)占比來計算生態(tài)基流，優(yōu)點在于無需進行大量野外測驗工作，通過河流歷史資料便可計算生態(tài)基流。Tennant法對河流流量狀況分級標準見表6。

表6 Tennant法河流流量狀況分級標準

結合哈魯拉吐魯克河年內徑流量分配結果，通過Tennant 法計算其年內生態(tài)基流，結果見表7。從哈拉吐魯克河的生態(tài)基流分級狀況來看，當前狀況下其生態(tài)基流保障度較高。

表7 哈拉吐魯克河年內生態(tài)徑流狀況統(tǒng)計

續(xù)表

4 結論

采用同頻率插補法對少資料河溝進行徑流計算，能有效減小計算誤差，提高成果精度。結合哈拉吐魯克河同頻率插補法徑流量計算成果，采用Tennant對其生態(tài)基流流量狀況進行分析，得到了相對科學的生態(tài)基流結果，在新疆地區(qū)水資源稀缺、用水效率需進一步提高的背景下，為哈拉吐魯克河的水資源調度與配置、水量供需平衡、水生態(tài)保護等方面的決策提供了重要參考?？紤]到近年來哈拉吐魯克水文實測數(shù)據(jù)序列較短，在今后實測數(shù)據(jù)增加的情況下，分析計算成果精度會有進一步的提高。