渭河中下游區徑流變化特性及非汛期徑流量預報研究

◎張艷玲

1 徑流變化特性

依據《陜西省地表水資源》（1956年～2000年45年資料系列），渭河流域省內多年平均徑流量56.22億m3，多年平均徑流深為83.8mm。其中北洛河流域省內多年平均徑流量為7.82億 m3，多年平均徑流深為31.8mm；涇河流域省內多年平均徑流量為4.37億m3，多年平均徑流深為47.3mm。

從天然徑流分區組成看，渭河南岸來水量占渭河流域來水量的48%以上，而集水面積僅占渭河流域面積的20%，南岸徑流模數是北岸的3倍左右。

天然徑流量的年內分配受降水量年內分配的影響，總的特點是年徑流量60%以上集中于汛期。徑流量年際變化大。變差系數Cv值一般為0.30～0.60。統計分計表明，渭河干流天然徑流量有兩個轉折點，20世紀70年代后銳減，90年代以后明顯減少。經分析1970年前后由于上游大中小型水利工程先后建成使用，農田灌溉和生活耗水量增加，庫水面蒸發消耗量增加，導致各河段徑流減少；90年代后徑流顯著變小原因主要有三個方面：首先是降水量減少，1956年～1990年平均降水量為591mm,1991年～2005年平均降水量為523 mm，降水量減少了11.5%；其次是國民經濟發展較快，生活、生產、生態耗水量增加迅速，區域及傍河地下取水工程加劇了地表徑流向地下徑流的轉化，也成為地表徑流減少的原因；第三是蓄水工程和水土保持措施，增加了區域蒸發量，從水文循環的原理分析，導致了徑流量的減少。

表1給出了渭河流域主要水文站汛期與非汛期（11月～翌年6月，下同）徑流量占全年徑流總量的百分比。

從表1可以看出，20世紀70年代后非汛期徑流年內分配減少了9%左右，這主要是上游大中小型水利工程先后建成使用，改變了渭河徑流的年內分配規律。加之90年代后天然徑流量明顯減少，更加劇了非汛期水資源短缺問題。針對這種變化，有必要對渭河流域非汛期徑流進行分析、研究，建立適合渭河流域特點的徑流預報模型，為渭河水量調度和水資源合理配置提供科學依據。

2 非汛期徑流影響因素

2.1 前期徑流

每年11月～翌年3月（降水量僅占全年的11.6%），這個時期是河川徑流的退水階段，氣溫低，伴有降雪，徑流量主要由流域蓄水補給，因此前期徑流能較好地反映當時地下蓄水量的多少。表2列出了渭河干流主要站11月～翌年6月各月平均流量與上月下旬平均流量相關系數表。

從表2可以看出，11月～翌年3月，月平均流量與上月下旬平均流量相關系數高，而4月～6月前后期徑流相關系數明顯降低，說明前期徑流是影響11月～翌年3月徑流量主要因素。

2.2 降水

流域內降水的季節性變化明顯，每年進入11月以后，降水銳減，非汛期降水量占全年39.5%，11月～翌年3月降水量僅占全年的11.6%。進入4月份，降水量明顯增加，4月～6月占全年的27.9%，這期間地下蓄水量對徑流影響相對減少，降水量成為徑流影響的主要因素。渭河流域干流主要代表站多年平均降水量年內分配統計見表3。

降水量對徑流的影響主要表現在兩個方面：一是降水量的多少直接影響產流量的多少。二是降水量的多少影響灌溉引水量的大小，進而影響徑流量的大小。一般來說，降雨量多，灌溉用水就少，反之降水量少，灌溉用水就大。如寶雞峽灌區20世紀70～80年代自干流的引水量分別占實測徑流量的29.8%，90年代則上升到46.2%，2000年以后更是高達50.2%，在特別干旱的1997年則高達79.1%。三是降水量也影響土壤前期含水量，土壤前期含水量的多少直接影響未來地表徑流量的大小。

表1 渭河流域主要水文站不同時段徑流年內分配比例表

表2 渭河干流主要站月平均流量與上月下旬平均流量相關系數統計表

2.3 灌區引水

為了緩解日益緊張的水資源供需形勢，我省在渭河流域建成了寶雞峽、涇惠渠、交口抽渭、馮家山、洛惠渠、石頭河、桃曲坡、羊毛灣、石堡川等9個大中型灌區和一些小型灌區與純井灌區。灌區總有效灌溉面積1661.45萬畝。其中大中型灌區灌溉面積1039.71萬畝。

渭河干流大型灌區有寶雞峽灌區及交口抽渭灌區，有效灌溉面積分別為282.89萬畝、112.96萬畝。灌區灌溉制度按主要農作物生長期制定，冬灌一般11月～翌年1月，春灌主要在2月～5月，灌區引水量對非汛期月徑流影響較大。經分析寶雞峽灌區1990年～2008年渠首引水量與實測徑流量的百分比見表4，可以看出，非汛期灌區引水量占實測徑流量61%以上，特別是12月～翌年2月高達80%以上。

2.4 水庫調度

隨著渭河流域綜合治理與開發，渭河流域現已建成大中型水庫20座。其中大型水庫4座，重點中型水庫16座。這些水庫大多修建于20世紀70年代初期，水庫的運用改變了徑流的天然分配，特別是渭河支流修建的大中型水庫，對河道非汛期徑流的影響非常顯著。

2.5 國民經濟的增長及人類活動

渭河流域20世紀 90年代各部門國民經濟用水中，工業和生活用水量增幅最大，地下水用水量增長也較快。該時期流域國民經濟平均耗水量42.63億m3，與90年代以前平均耗水量27.93億m3相比，耗水增加了52.6%。耗水量增加也導致了地表徑流量的減少。另外人類活動的影響，使流域下墊面變化加劇，對徑流量也產生了一定的影響。

表3 渭河流域干流主要代表站多年平均降水量年內分配統計表 （單位：mm）

表4 寶雞峽灌區多年平均月引水量占實測月徑流量百分比 （單位：百萬m3）

3 非汛期徑流預報模型的建立

與洪水期徑流變化相比，非汛期徑流變化相對平穩，一般只做中長期預報，如月預報或整個非汛期預測預報。中長期徑流預報是根據前期流域下墊面條件、預報斷面的入流過程以及相關的水文氣象要素，采用統計分析方法，結合物理成因分析，對未來時間單元的來水量進行的預測預報。

中長期預報主要方法有：時間序列統計法、自然正交函數分解法、多元回歸分析法及逐步回歸分析法等。目前適用于生產實際的中長期水文預報方法主要是在充分分析歷史資料（水文、氣象等），建立預報要素與前期水文氣象因子之間的相關關系（經驗關系）。最常用的方法主要為回歸分析法，以統計回歸概念為基礎，采用一元線性、多元線性、曲線以及主向量等回歸方法建立預測方程。本文采用多元線性回歸預報模型建立模型，實現對渭河流域徑流量的預報。

3.1 多元線性回歸預報模型原理及參數計算

非汛期徑流主要影響因子是前期大氣環流因子、大氣降水、前期徑流量、灌區引水、水庫調水等。本文采用多元線性回歸模型來進行預測預報。

模型表達：因變量y如何依賴于自變量x1，x2，…，xp和誤差項ε的方程稱為多元線性回歸模型。涉及p個自變量的多元線性回歸模型可表示為：

β0'=β1，…，βp——參數;

式中，ε——為誤差項的隨機變量;

y——x1,x2，…，xp的線性函數加上誤差項ε;

n——方程組個數。

對于n組實際觀察數據(yi,xi1,xi2，… ，xip)，(1=1,2,…,n)，多元線性回歸模型可表示為：

根據實測徑流量資料系列，依據最小二乘法原理，使因變量的實測值與計算值之間的離差平方和最小，求得預報方程的常數β0、回歸參數β1、β2……，將預報因子值代入預報方程，做出預報。

3.2 資料系列選取

通過對1959年～2005年47年資料系列分析，1990年之后下墊面相對穩定，為了避免資料還原不確定性對模型分析的影響，采用1990年～2005年資料建立預報模型，用2006年以后資料進行檢驗。

3.3 非汛期徑流總量預報模型建立

根據資料進行相關分析，林家村、魏家堡、臨潼、華縣站11月至翌年6月徑流總量主要與前期徑流量和4年～6月降水總量有關，具體可分兩部分進行預報。

（1）11月～翌年3月徑流總量預報根據上述非汛期徑流變化特性分析結果，11月至翌年3月徑流總量與本站10月下旬及10月徑流量關系密切，可采用多元線性回歸模型進行徑流預報。其表達式為：

式中，Y1——11月～翌年3月徑流總量；

X1——10月下旬徑流量；

X2——10月徑流量；

K1、K2——率定系數；

b——常數。

（2）4月～6月徑流總量預報

經分析4月～6月徑流總量與10月下旬、10月徑流量及4月～6月降雨總量、灌區引水量等關系密切。采用多元線性回歸模型進行徑流預報，其表達式為：

式中，Y2——4月～6月徑流總量；

X1——10月下旬徑流量；

X2——10月徑流量。

X3——4月～6月總降水量；

K3、K4、K5——率定系數；

C——常數。

經分析率定，渭河干流主要站非汛期徑流總量預報數學模型見表5。

4 徑流總量預報模型精度評價

根據《水文情報預報規范》（GB/T22482-2008）中有關規定，枯季徑流預報的某時段徑流總量的精度評定，可用實測值的20%作為許可誤差。表6給出各站預報方案精度評定結果表。

經評定，林家村站預報合格率為73.3%，魏家堡站預報合格率為81.2%，臨潼站預報合格率為75.0%，華縣站預報合格率為75.0%，均屬乙等預報方案。華縣站計算值與實測值擬合曲線見右圖。

表5 渭河干流主要站非汛期徑流總量預報方程 單位：億m3

表6 渭河中下游主要站非汛期總徑流量預報方案評定結果表

表7 渭河中下游主要站非汛期徑流總量預報模型檢驗表

經過檢驗，見表7，林家村、魏家堡2站合格率低，經分析主要是由于寶雞峽渠首加壩加閘工程增加5000萬m3的庫容，并與灌區內另外4個水庫聯合調度，非汛期水量調節造成的。其它幾個站檢驗精度與評定精度基本一致，屬乙等預報方案，可用于發布正式預報。

5 結語

在分析渭河非汛期徑流變化特點和影響因素的基礎上，建立渭河流域中下游干流站非汛期徑流總量預報模型，預報方案精度達到乙等，可用于發布預報。

該方法易于理解、建立和使用，并在實踐中證明了其有效性。應用多元線性回歸模型預報非汛期徑流總量是一種很好的預報途徑，可在渭河流域加以推廣使用。在實際作業預報中，應充分考慮區間引耗水和中小水庫蓄水對徑流的影響，并采用數理統計及相似年等預報方法進行綜合分析，以取得較高精度的預報結果。陜西水利