采兔溝水庫(kù)壩址徑流計(jì)算分析

謝 天

（渭南水文水資源勘測(cè)中心,陜西 渭南 714000）

1 引言

河流徑流作為地貌形成的外營(yíng)力之一,參與了地殼中的整個(gè)地球化學(xué)過(guò)程[1],不僅如此,徑流還很大程度上影響著土壤的發(fā)育、植物的生長(zhǎng)以及湖泊、沼澤的形成等[2]。徑流在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了極其重要的作用,河流徑流量是形成地區(qū)工農(nóng)業(yè)供水的基礎(chǔ)條件,在一定程度上制約了地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)模[3]。影響徑流的因素眾多,主要包括河流補(bǔ)給、地形、流域面積、支流數(shù)量、蒸發(fā)量以及植被覆蓋率等[4]。徑流計(jì)算作為水庫(kù)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),在設(shè)計(jì)水庫(kù)規(guī)模過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。

2 工程概況

采兔溝水庫(kù)工程位于榆林市神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)采兔溝村附近禿尾河中游干流上,壩址距下游榆—神鐵路大橋1.0 km、距神木縣城35 km、榆林市75 km。工程的主要任務(wù)是在不影響下游生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水的前提下,向大保當(dāng)工業(yè)區(qū)供水。

2.1 流域概況

禿尾河是黃河一級(jí)支流,上游由宮泊溝、圪丑溝兩大支溝匯合而成,宮泊溝源自北部的宮泊海子,長(zhǎng)23.4 km,流域面積323 km2；圪丑溝源自大海子,長(zhǎng)19.5 km,流域面積410 km2。匯合口烏雞灘以下稱(chēng)禿尾河干流,沿途匯入的較大支流有清水溝、紅柳溝、扎林川、開(kāi)荒川、前青楊樹(shù)溝、洞川等,自北向南流經(jīng)瑤鎮(zhèn)、野林托拉、高家堡、高家川,于神木縣萬(wàn)鎮(zhèn)鄉(xiāng)河口岔村匯入黃河。禿尾河全長(zhǎng)133.9 km,流域面積3373 km2,河道平均比降3.87‰。

禿尾河高家堡以上流域主要為風(fēng)沙草灘地貌,靠近高家堡段有10%左右的黃土溝壑地貌。風(fēng)沙草灘區(qū)地形平坦開(kāi)闊,分布有較多的湖泊洼地,降雨入滲系數(shù)大,徑流主要是由降雨入滲到沙漠,通過(guò)地下水的形式排出。黃土溝壑區(qū),長(zhǎng)期受流水切割,梁狀溝壑比較發(fā)育,塬面支離破碎,溝壑縱橫,丘陵起伏,植被差,水土流失嚴(yán)重。

瑤鎮(zhèn)水庫(kù)壩址位于禿尾河干流宮泊溝和圪丑溝匯合口以下3.7 km處,2003年建成,是一座以城鎮(zhèn)供水為主,兼顧灌溉、生態(tài)用水等綜合利用的中型水利工程,壩址以上流域面積770 km2。采兔溝水庫(kù)壩址位于瑤鎮(zhèn)水庫(kù)以下13 km處,距下游高家堡水文站約24 km,控制流域面積1339 km2。流域主要為風(fēng)沙草灘地貌,壩址附近少量的黃土溝壑地貌,其面積約24 km2。

以上各斷面及區(qū)間面積見(jiàn)表1。

表1 采兔溝水庫(kù)壩址以上流域各斷面特征參數(shù)表

2.2 水文基本資料

1955年9月和1966年5月黃河水利委員會(huì)在禿尾河流域設(shè)立了高家川和高家堡兩個(gè)水文站,兩站控制的流域面積分別為3253 km2和2095 km2,觀(guān)測(cè)有建站至今的水文資料。1984年為修建瑤鎮(zhèn)水庫(kù),地礦部908隊(duì)在禿尾河上游的宮泊溝和圪丑溝溝口設(shè)立了兩個(gè)流量觀(guān)測(cè)點(diǎn),觀(guān)測(cè)了1984年8月至1994年6月共9年流量資料及1991年泥沙資料。

另外,采兔溝水庫(kù)壩址以上還設(shè)有公草灣、圪丑溝雨量站,至今已有30多年的降水觀(guān)測(cè)資料。鄰近的海流兔河1956年設(shè)立了韓家峁水文站,是風(fēng)沙區(qū)唯一的水文站,該站控制流域面積2452 km2,有建站至今的水文資料。

以上資料除宮泊溝和圪丑溝溝口流量、泥沙系地礦部908隊(duì)觀(guān)測(cè),其余各站均為水利部門(mén)實(shí)測(cè)資料整編成果,地礦部908隊(duì)觀(guān)測(cè)的水文資料在瑤鎮(zhèn)水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)其進(jìn)行了復(fù)核,認(rèn)為觀(guān)測(cè)資料能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,表明以上各站點(diǎn)的水文資料具有可靠性。

3 徑流計(jì)算

3.1 烏雞灘徑流計(jì)算

烏雞灘僅有1984年8月至1994年6月9年實(shí)測(cè)資料,按水文計(jì)算規(guī)范進(jìn)行該站徑流計(jì)算時(shí),需對(duì)資料進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)。

3.1.1 徑流資料的插補(bǔ)延長(zhǎng)計(jì)算

通過(guò)分析烏雞灘9年實(shí)測(cè)徑流資料和本流域降水、本流域高家堡站徑流、鄰近相似的海流兔河韓家峁站徑流可知。烏雞灘徑流和本流域降水關(guān)系較好,本次采用流域的降水資料延長(zhǎng)計(jì)算烏雞灘年徑流,具體方法有兩種,相關(guān)分析計(jì)算見(jiàn)表2和圖1。

圖1 烏雞灘斷面年徑流量-年降水相關(guān)圖

（1）烏雞灘年徑流與流域當(dāng)年和前一年降水均值相關(guān)

流域面雨量：烏雞灘以上流域僅設(shè)有圪丑溝雨量站,該站基本能代表烏雞灘以上流域的面雨量,因此烏雞灘以上流域面雨量用圪丑溝站雨量資料計(jì)算。

由于風(fēng)沙區(qū)的調(diào)蓄作用,徑流的形成有滯后作用,經(jīng)分析,烏雞灘年徑流與圪丑溝當(dāng)年和前一年降水的平均值關(guān)系較好,相關(guān)圖見(jiàn)圖1。

其相關(guān)方程為：

式中：W烏為烏雞灘斷面年徑流量,萬(wàn)m3；P圪為圪丑溝站當(dāng)年與前一年降水的平均值,mm。

相關(guān)系數(shù)為：r=0.79。

用上述相關(guān)方程,根據(jù)圪丑溝站的降水量可插補(bǔ)得烏雞灘斷面1969年～1984年、1994年～2000年徑流量,插補(bǔ)得到的年徑流和1985年～1993年實(shí)測(cè)徑流組成烏雞灘1969年～2000年徑流系列。

用烏雞灘1969年～2000年徑流系列計(jì)算的多年平均徑流量為8350萬(wàn)m3。

（2）根據(jù)烏雞灘9年徑流資料計(jì)算多年平均徑流量

烏雞灘以上流域的徑流主要是由降水形成,盡管風(fēng)沙區(qū)具有一定的調(diào)蓄作用,但從一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)段來(lái)看,徑流應(yīng)隨降水量的大小而變化,即降水量大,徑流量大,反之徑流量小,根據(jù)這一徑流特性及徑流成因,可用流域多年平均降水量與9年降水量的均值作為系數(shù)乘以烏雞灘9年的平均徑流量計(jì)算多年平均徑流量,計(jì)算得到烏雞灘斷面多年平均徑流量為8750萬(wàn)m3。（烏雞灘斷面9年平均徑流量為8260萬(wàn)m3,圪丑溝1968年～2000年平均降水量為345.5 mm,1985年～1993年9年平均降水量為326 mm。）

3.1.2 烏雞灘徑流延長(zhǎng)計(jì)算成果采用

用以上兩種方法計(jì)算得到的多年平均徑流量?jī)H相差400萬(wàn)m3,差別不大,考慮到沙漠區(qū)徑流～降雨關(guān)系定量分析復(fù)雜,研究還不成熟,本次設(shè)計(jì)采用多年平均降水量與9年降水均值作為修正系數(shù)推求烏雞灘斷面的年徑流,多年平均徑流量為8750萬(wàn)m3。

3.1.3 烏雞灘斷面年徑流系列

禿尾河烏雞灘斷面以上流域與海流兔河韓家峁水文站以上流域?qū)偻粴夂騾^(qū),下墊面條件基本一致,徑流特性接近,通過(guò)對(duì)鄰近流域韓家峁站年徑流系列分析可知,韓家峁站1968年～2000年多年平均徑流量為9500萬(wàn)m3,CV為0.13,而1957年～2000年多年平均徑流量為9900萬(wàn)m3,CV為0.16,長(zhǎng)、短系列的均值與變差系數(shù)相差不大,說(shuō)明韓家峁站1968年～2000年年徑流系列能夠代表1957年～2000年年徑流系列。從而可知烏雞灘斷面1968年～2000年年徑流系列能夠代表烏雞灘斷面1957年～2000年的年徑流系列,即烏雞灘斷面1957年～2000年多年平均徑流量為8750萬(wàn)m3。借用韓家峁站徑流的年際分配系數(shù)推求烏雞灘缺測(cè)年份的徑流量,從而可得出烏雞灘斷面1957年～2000年44年年徑流系列。

3.1.4 烏雞灘年徑流計(jì)算

根據(jù)烏雞灘1957年～2000年徑流系列按矩法計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)得多年平均徑流量為8750萬(wàn)m3,CV=0.17,采用P-Ⅲ型曲線(xiàn)適線(xiàn),適線(xiàn)結(jié)果為：W=8750萬(wàn)m3,CV=0.18,CS=2.5CV,計(jì)算成果見(jiàn)表3,頻率曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 韓家峁站與烏雞灘斷面1985年～1993年實(shí)測(cè)9年平均徑流年內(nèi)月分配百分比圖

表3 烏雞灘年徑流成果表 單位：108m3

3.1.5 烏雞灘斷面徑流的年內(nèi)月分配

經(jīng)分析計(jì)算,點(diǎn)繪韓家峁站與烏雞灘斷面1985年～1993年實(shí)測(cè)9年平均徑流年內(nèi)月分配百分比圖,從圖2～圖3中可以看出,由于兩流域的地區(qū)差別,兩者稍有差異,但差異不大,最大差值為1.47%（8月份）,在7月、8月韓家峁站百分比大些,采用韓家峁站年內(nèi)月分配對(duì)調(diào)節(jié)計(jì)算不利,故本次設(shè)計(jì)烏雞灘斷面44年系列中除1985年～1993年采用烏雞灘斷面實(shí)測(cè)值外,其余年份年內(nèi)月分配借用韓家峁站實(shí)測(cè)徑流年內(nèi)月分配比例進(jìn)行分配。

圖3 烏雞灘斷面與韓家峁站9年平均年內(nèi)月分配百分比圖

3.2 瑤鎮(zhèn)水庫(kù)壩址徑流計(jì)算

3.2.1 年徑流計(jì)算

瑤鎮(zhèn)水庫(kù)壩址徑流根據(jù)烏雞灘斷面徑流用面積比擬法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算得到瑤鎮(zhèn)水庫(kù)壩址年徑流成果見(jiàn)表4。

表4 瑤鎮(zhèn)水庫(kù)壩址年徑流計(jì)算成果表 單位：108m3

3.2.2 采兔溝水庫(kù)壩址天然年徑流計(jì)算

采兔溝水庫(kù)壩址以上徑流根據(jù)烏雞灘斷面徑流按面積比擬法計(jì)算,計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 采兔溝水庫(kù)壩址年徑流計(jì)算成果表 單位：108m3

3.2.3 瑤鎮(zhèn)水庫(kù)～采兔溝水庫(kù)區(qū)間徑流計(jì)算

瑤鎮(zhèn)水庫(kù)～采兔溝水庫(kù)區(qū)間徑流為采兔溝水庫(kù)壩址天然年徑流扣除瑤鎮(zhèn)水庫(kù)壩址年徑流得到。經(jīng)計(jì)算,采兔溝水庫(kù)壩址多年平均徑流量為6790萬(wàn)m3。

不同頻率徑流量見(jiàn)表6。

表6 瑤鎮(zhèn)水庫(kù)～采兔溝水庫(kù)區(qū)間年徑流計(jì)算成果 單位：108m3

3.2.4 瑤鎮(zhèn)水庫(kù)建成后采兔溝水庫(kù)壩址徑流計(jì)算

瑤鎮(zhèn)水庫(kù)建成后,采兔溝水庫(kù)壩址徑流為瑤鎮(zhèn)水庫(kù)下泄過(guò)程與瑤鎮(zhèn)水庫(kù)～采兔溝水庫(kù)區(qū)間徑流疊加而成,年徑流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7,徑流的年內(nèi)月分配見(jiàn)表8。

表7 采兔溝水庫(kù)壩址年徑流成果表 單位：108m3

表8 采兔溝水庫(kù)壩址徑流月、逐年分配表

4 結(jié)語(yǔ)

以位于榆林市神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)采兔溝村的采兔溝水庫(kù)工程為例,通過(guò)對(duì)流域概況和水文基本資料的分析,分別根據(jù)烏雞灘年徑流與圪丑溝當(dāng)年和前一年降水的平均值關(guān)系,以及根據(jù)烏雞灘9年徑流資料對(duì)烏雞灘水文站徑流和瑤鎮(zhèn)水庫(kù)壩址徑流進(jìn)行了計(jì)算。最終選取多年平均降水量與9年降水均值作為修正系數(shù)推求烏雞灘斷面的年徑流。根據(jù)烏雞灘斷面徑流用面積比擬法計(jì)算了瑤鎮(zhèn)水庫(kù)壩址徑流。本文采用的計(jì)算方法對(duì)采兔溝水庫(kù)壩址徑流計(jì)算較為適用,計(jì)算結(jié)果可靠,能夠滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)需求。