洋縣水文站旱警流量確定技術(shù)分析

巨阿迷,武永輝,舒元偉

(漢中水文水資源勘測(cè)中心,陜西 漢中 723000)

1 河流及站網(wǎng)概況

1.1 測(cè)站基本情況

洋縣水文站是漢江干流控制站,位于陜西省洋縣城關(guān)鎮(zhèn)漢江公路大橋頭,地理坐標(biāo):東經(jīng)107°32′,北緯33°13′。集水面積14 484 km2,至河口距離1 316 km。該站在1953年6月由原陜西省水文總站設(shè)立于洋縣貫溪鋪,控制流域面積14 974 km2,1967年3月上遷9 km至朱家村,并改名為洋縣(朱家村)水文站,控制流域面積14 192 km2,1996 年1月又下遷2.8 km至洋縣縣城附近的公路大橋,并改名為洋縣水文站,控制流域面積14 484 km2。與洋縣(朱家村)水文站控制面積相差2.02%。本站基本水尺斷面設(shè)立在洋縣縣城漢江公路大橋下游10 m處,測(cè)流斷面位于公路大橋上。

洋縣位于陜西省西南部、漢中盆地東緣;北依秦嶺,南靠巴山,東接佛坪、石泉縣,南鄰西鄉(xiāng)縣,西毗城固縣,北界留壩縣、太白縣。總面積3 206 km2,東西寬約56 km,南北長(zhǎng)約76 km,縣內(nèi)總?cè)丝?4.5萬(wàn)人,轄15個(gè)鎮(zhèn)、3個(gè)街道辦、271個(gè)行政村、16個(gè)社區(qū)。洋縣縣城位于漢江河漫灘一級(jí)階地,海拔高程在450 m左右,縣城城區(qū)范圍東到天寧寺河,西到五里園,南止張趙、楊灣、南壩,北止土門,建設(shè)總用地8.6 km2,居住人口6.9萬(wàn)人。

1.2 洋縣水文站多年平均徑流量

洋縣水文站實(shí)測(cè)多年平均降雨量793.7 mm,多年平均蒸發(fā)量826.05 mm,多年平均流量171 m3/s,多年平均徑流量53.90×108m3。建站以來(lái)實(shí)測(cè)最大流量11 780 m3/s(1981年8月22日),實(shí)測(cè)最小流量2.80 m3/s(1986年2月26日)。洋縣站多年月平均徑流量的年內(nèi)分配見(jiàn)表1。

表1 洋縣水文站多年平均徑流量及年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)表 108m3

從表1中可知,洋縣水文站徑流量年內(nèi)分配不均,1-4月、11、12月共6個(gè)月,徑流量占全年徑流量的19.3%;5-10月共6個(gè)月,徑流量占全年徑流量的80.7%。漢江屬于雨源性河流,河道來(lái)水量主要降雨形成,洪水過(guò)程由暴雨產(chǎn)生。

2 旱警流量確定的原則

(1) 依據(jù)用水類型及方式,選擇城鄉(xiāng)供水、企業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉及環(huán)境生態(tài)等用水需求作為主要分析因子,結(jié)合河道特點(diǎn),確定流量作為主要旱警指標(biāo)。

(2)旱警流量采用城鄉(xiāng)供水、企業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉、環(huán)境生態(tài)等分析因子的用水總量進(jìn)行換算確定。

3 河道實(shí)測(cè)來(lái)水量和現(xiàn)狀用水量調(diào)查

按照水利部的總體部署,旱警流量確定工作由省水利廳統(tǒng)一安排協(xié)調(diào),水文部門具體負(fù)責(zé)實(shí)施,市縣水利局和有關(guān)工程管理單位參與并協(xié)助工作調(diào)查。在漢中市和洋縣水利局的積極參與協(xié)助下,對(duì)洋縣水文站旱警水位(流量)的進(jìn)行修訂,在原來(lái)1970-2012年歷時(shí)42 a資料的基礎(chǔ)上,資料系列延長(zhǎng)至2021年,總歷時(shí)52 a。并在陜西省水文中心的統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)下,為本次方案的修訂和編制奠定了基礎(chǔ)。

3.1 水文站實(shí)測(cè)徑流過(guò)程

洋縣水文站1953年6月建站,實(shí)測(cè)資料系列較長(zhǎng),根據(jù)省水文中心《2022年陜西省江河水庫(kù)旱警水位(流量)確定工作方案》對(duì)資料系列的要求,采用1970-2021年系列長(zhǎng)度52年。其中包括實(shí)測(cè)最大年徑流量142×108m3,出現(xiàn)在1981年;實(shí)測(cè)最小年徑流量18.3×108m3,出現(xiàn)在1997年;多年平均徑流量53.90×108m3。

3.2 分類用水現(xiàn)狀調(diào)查

洋縣水文站下游至小峽口9.5 km為漢江平川段,農(nóng)業(yè)主要以水稻為主。再向下游漢江進(jìn)入山區(qū),期間人口稀少,沒(méi)有工礦企業(yè)在漢江取水,也農(nóng)業(yè)灌溉用水量基本沒(méi)有。

(1)水文站以下河段水利工程

洋縣水文站斷面以下有“引漢濟(jì)渭”在建黃金峽引水樞紐工程。

(2)洋縣水文站斷面以下漢江平川段取水量:

居民城鎮(zhèn)生活生產(chǎn)用水:不直接從漢江河道取水。

工業(yè)生產(chǎn)用水:不直接從漢江河道取水。

農(nóng)業(yè)灌溉用水:沿漢江兩岸建有20座中小型抽水站,用于農(nóng)田灌溉用水,灌溉面積約1.9萬(wàn)畝,根據(jù)多年《漢中市水資源公報(bào)》,洋縣農(nóng)田灌溉用水量為723(m3/畝),年用水量約13.74×106m3。

3.3 徑流量資料“三性”分析

3.3.1 可靠性分析

洋縣水文站屬國(guó)家基本水文站,水文資料一直由專業(yè)技術(shù)人員按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定觀測(cè),觀測(cè)資料真實(shí),整編方法正確。河道水位觀測(cè)、斷面測(cè)量、泥沙和流量測(cè)驗(yàn)及推求計(jì)算方法符合《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》、《水文資料整編規(guī)范》,因此選用實(shí)測(cè)資料可靠。

3.3.2 一致性分析

漢江徑流量均由降雨形成,洋縣水文站斷面上游有石門水庫(kù)(屬大(Ⅰ)型水庫(kù)),繪制洋縣站歷年徑流量累計(jì)過(guò)程線見(jiàn)圖3,根據(jù)圖3可以看出,累計(jì)曲線沒(méi)有突出點(diǎn)群,斜率基本一致,說(shuō)明石門水庫(kù)及人類活動(dòng)對(duì)洋縣站歷年徑流量影響不大,因此該站實(shí)測(cè)年徑流系列一致性相對(duì)較好。

3.3.3 代表性分析

對(duì)洋縣站1970-2021年52年徑流資料系列,繪制洋縣水文站1970-2021年徑流量差積曲線和歷年均值過(guò)程曲線進(jìn)行代表性分析。

由歷年徑流量過(guò)程曲線可以看出,52 a資料系列中年徑流量豐、枯交替出現(xiàn),變幅較大,且出現(xiàn)了豐水段和枯水段,整個(gè)系列豐、平、枯變化周期明顯,其中在均值以上的年份有22 a,接近均值的年份有4年,小于均值的年份有26 a。豐、平、枯水年分布較對(duì)稱。

由差積曲線可以看出,年徑流量差積曲線可以反映徑流量的豐枯變化,曲線連續(xù)下降為枯水段,連續(xù)上升為豐水段,出現(xiàn)鋸齒則為平水段。因此,洋縣水文站1970-2021年共52 a徑流系列中包含了2個(gè)完整周期。

由年徑流量累積均值過(guò)程線可以看出,年徑流量累積均值逐漸趨于穩(wěn)定。

通過(guò)上述分析,洋縣水文站徑流資料包含了多個(gè)豐、枯水時(shí)段,同時(shí)其累積統(tǒng)計(jì)參數(shù)已趨于穩(wěn)定,由此說(shuō)明洋縣水文站52 a徑流系列資料具有較好的代表性。

3.4 設(shè)計(jì)年徑流分析計(jì)算

3.4.1 徑流系列的確定

采用洋縣水文站年1970-2021年年徑流量資料系列進(jìn)行設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算。

3.4.2 設(shè)計(jì)年徑流的計(jì)算

根據(jù)洋縣水文站的1970-2021年逐年年徑流量資料,計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率,并利用P-Ⅲ型曲線試線法計(jì)算得各個(gè)參數(shù)為:W均值=53.90×108m3,Cv=0.46,Cs/Cv=2.5,計(jì)算的75%設(shè)計(jì)頻率年徑流量為35.68×108m3、95%設(shè)計(jì)頻率的徑流量22.62×108m3,詳見(jiàn)洋縣水文站設(shè)計(jì)頻率分析統(tǒng)計(jì)表2。

3.4.3 徑流年內(nèi)分配

代表年選取:以75%設(shè)計(jì)頻率年徑流量為35.68×108m3為依據(jù),選1972年徑流量為35.90×108m3、1986年徑流量為36.1×108m3、1991年徑流量為34.61×108m3;以95%設(shè)計(jì)頻率的徑流量22.62×108m3為依據(jù),選1995年徑流量為23.63×108m3、2002年徑流量為25.3×108m3,2016年徑流量為20.51×108m3,將接近設(shè)計(jì)頻率年徑流量的三年徑流量為基礎(chǔ),選取以設(shè)計(jì)代表年相近最小徑流量的最不利組合的分配,為設(shè)計(jì)年內(nèi)分配依據(jù)。選取75%設(shè)計(jì)頻率代表年為1991年,95%設(shè)計(jì)頻率代表年為1995年,各月來(lái)水量成果見(jiàn)表3、表4。

表3 洋縣站P=75%設(shè)計(jì)枯水年年內(nèi)分配計(jì)算表

表4 洋縣站P=95%設(shè)計(jì)枯水年年內(nèi)分配計(jì)算表

4 需水量分析

4.1 下游區(qū)間河段調(diào)查用水量分析

洋縣水文站斷面下游河段有“引漢濟(jì)渭”黃金峽水利樞紐的取水工程,其工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水均不直接從漢江河道里取,只有微型提水工程用于農(nóng)業(yè)灌溉。

4.2 需水量預(yù)測(cè)

(1)黃金峽水利樞紐工程壩址以上控制流域面積17 070 km2,多年平均徑流量63.5億 m3,多年平均流量為201.4 m3/s,壩高63 m,總庫(kù)容2.21億 m3,設(shè)計(jì)年引水量為10億 m3,平均取水量為31.7 m3/s。

(2)農(nóng)業(yè)用水沿漢江兩岸建有20座中小型抽水站,用于農(nóng)田灌溉用水,灌溉面積約1.9萬(wàn)畝,根據(jù)農(nóng)田用水量723 m3/畝,多年用水量約13.7×106m3。洋縣沿漢江兩岸農(nóng)田灌溉用水量統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表5。

由表5中得6月份灌溉用水量最大平均每天抽水1.83 m3/s。

4.3 河道生態(tài)流量

河道生態(tài)需水量:采用實(shí)測(cè)系列水文資料能反映出斷面上游現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)利用情況下的用水水平,所以次來(lái)確定河道生態(tài)需水量(即河道生態(tài)流量)。河道生態(tài)流量有3種方法確定。

(1)選取斷面多年平均流量的10%～20%作為生態(tài)需水量。

(2)取P=90%枯水典型年連續(xù)最枯7天的平均流量。

(3)取逐年最小月平均流量的90%保證率流量。

我們根據(jù)以上三種計(jì)算方法選取3種以上,取值原則適當(dāng)靠近計(jì)算值的中小值(即偏下限)。

方法1:選取斷面多年平均流量10%～20%作為生態(tài)需水量。

漢江洋縣站控制斷面多年平均流量(1970-2022年)為171 m3/s,按10%計(jì)算生態(tài)流量為17.1 m3/s。

方法2:取P=90%枯水典型年連續(xù)最枯7天的平均流量作為生態(tài)需水量。以此分析90%枯水典型年徑流量26.71×108m3為依據(jù),將選與設(shè)計(jì)頻率年徑流量接近的三個(gè)年份徑流量為基礎(chǔ),選取與其徑流量差值最小的1999年作為枯水典型年,連續(xù)最枯7天的平均流量16.3 m3/s為生態(tài)需水量。

方法3:取逐年最小月平均流量的90%保證率流量,1970-2021年洋縣逐年最小月平均流量的90%保證率流量為17.57 m3/s為生態(tài)需水量。

將上述三種方法計(jì)算成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,分析見(jiàn)表6。

表6 洋縣水文站生態(tài)流量綜合分析確定表 m3/s

從表6可知,典型年連續(xù)最枯7天的日平均流量偏小,多年平均流量10%和保證率90%年最小月平均流量較為一致,生態(tài)流量綜合確定為17.5 m3/s。

5 旱警流量確定

5.1 旱警流量確定原則

旱警流量指標(biāo)是指在維持河流生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)基本流量的基礎(chǔ)上,綜合考慮斷面下游區(qū)間生產(chǎn)、生活用水要求而確定的斷面下泄流量。該指標(biāo)作為正常年份的斷面流量控制要求,遇特枯年份,按照水量調(diào)度指標(biāo)管理,并及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

在確定旱警流量控制斷面時(shí),根據(jù)斷面所在流域面積情況,斷面所在流域地市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r及斷面所在流域水資源開(kāi)發(fā)利用情況,主要考慮斷面下游的用水需求;同時(shí)既考慮斷面現(xiàn)狀的用水需求,又考慮斷面未來(lái)的用水需求。

5.2 旱警流量的確定

本次確定旱警水位(流量)計(jì)算方法主要包括典型干旱年法和水量疊加法。

5.2.1 典型干旱年法

典型干旱年法是以干旱期間江(河)段各月月均流量的最大值作為旱警流量。

經(jīng)資料分析,95%設(shè)計(jì)頻率典型干旱年為1995年,分析歷史旱情資料,1995年是春夏連續(xù)干旱,各月月均流量成果見(jiàn)表7。

表7 洋縣站1995年各月月均流量成果統(tǒng)計(jì)表 m3/s

從表7可知,依據(jù)漢中農(nóng)業(yè)灌溉特點(diǎn),一般4-8月是農(nóng)業(yè)灌溉期,用水量最大時(shí)期為6月,4-6月河道月均流量的最大值為56.1 m3/s,因此典型干旱年法確定的旱警流量為56.1 m3/s。

5.2.2 水量疊加法

將江(河)段對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量和取水流量進(jìn)行疊加,作為該江(河)段的旱警流量。

按照上述預(yù)測(cè)分析,洋縣站斷面下游河段有在建“引漢濟(jì)渭”的黃金峽水利樞紐工程,本次考慮黃金峽水利工程設(shè)計(jì)年取水量為10億 m3,平均取水量為31.7 m3/s。洋縣站斷面河道生態(tài)流量確定為17.5 m3/s;洋縣下游河道泵站6月份農(nóng)業(yè)灌溉最大用水量為1.83 m3/s。對(duì)其用水量進(jìn)行疊加為51.03 m3/s,因此水量疊加法確定的旱警流量為51.03 m3/s。

經(jīng)上述分析,(1)典型干旱年法確定的旱警流量為56.1 m3/s。(2)水量疊加法確定的旱警流量為51.03 m3/s。兩種方法的平均流量為53.6 m3/s,經(jīng)綜合各方因素分析并考慮一定的安全量,最終確定洋縣水文站旱警流量為55.0 m3/s。

5.3 合理性分析

5.3.1 干旱預(yù)警區(qū)間分析

漢中地區(qū)主要種植農(nóng)作物為油菜和水稻,4-9月為水稻灌溉供水期;4-6月為水稻關(guān)鍵用水期,因此干旱預(yù)警區(qū)間設(shè)為4-6月份較為合理。

5.3.2 重現(xiàn)期分析

統(tǒng)計(jì)1970-2021年52年中最小月平均流量值小于等于旱警流量統(tǒng)計(jì)表,見(jiàn)表8。經(jīng)分析52 a中根據(jù)用水量需求,4-6月份小于旱警流量,4、6月出現(xiàn)頻次最多,占統(tǒng)計(jì)年的28.8%,約3.4 a一遇?；痉蠞h中地區(qū)的氣候特征及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。

表8 1970-2021年52年中最小月平均流量值小于等于旱警流量統(tǒng)計(jì)表

5.3.3 與歷史旱情進(jìn)行比較

根據(jù)《洋縣志》1928-1985年旱災(zāi)統(tǒng)計(jì)表中,57 a間洋縣旱情出現(xiàn)18次,頻次為31.6%,重現(xiàn)期約3 a一遇。從1970-2021年52 a間漢江洋縣水文站4-6月有15 a月平均流量低于旱警流量,約3.4 a一遇,與《洋縣志》1982-1985年旱災(zāi)統(tǒng)計(jì)重現(xiàn)期約3 a一遇基本一致。因此,本次復(fù)核漢江洋縣水文站旱警流量確定為55.0 m3/s。綜合評(píng)定為基本合理。

6 結(jié)語(yǔ)

本文在調(diào)查洋縣水文站流域現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合洋縣水文站實(shí)際情況,選取2種計(jì)算方法,采用典型干旱年法、水量疊加法確定洋縣水文站旱警流量。結(jié)果表明,兩種計(jì)算方法所得的結(jié)果雖然不盡一致,但都有理有據(jù),最終綜合分析確定洋縣水文站旱警流量為55.0 m3/s,綜合評(píng)定基本合理。