中線調水對漢江下游水資源可利用量影響研究

竇 明，于 璐，楊好周，魯玉利(. 鄭州大學水利與環境學院，鄭州 45000；2. 鄭州大學水科學研究中心，鄭州 45000)

0 引 言

南水北調中線工程從丹江口水庫調水，造成水庫下泄流量減少、水位降低，勢必會對漢江下游地區的水資源供需關系產生影響。特別是漢江下游的水位流量過程發生改變，將導致其水資源可利用量減少，水資源可利用率也會隨之產生相應程度的變化。為有效補充漢江下游水量、抬高水位，政府修建了一系列漢江下游補償工程，引江濟漢便是其中一項。目前國內對中線調水及其對漢江影響開展了一系列的研究，劉丙軍等(2003年)從水資源可持續利用的角度，研究了不同水平年不同調水方案對漢江中下游干流供水區水資源供需關系的影響[1]。張家玉等(2000年)研究了中線工程實施后對漢江中下游地區造成的生態環境影響和經濟損益[2]。竇明(2008年)從可利用水資源量和水環境容量兩個方面，研究了中線調水對漢江下游枯水期水量和水質狀況的影響[3]。雖然這些研究從不同角度分析了中線調水對漢江的影響，但關于對漢江下游水資源可利用量方面的研究還比較缺乏。本文以漢江下游為研究對象，綜合考慮現狀及不同調水方案的情景，對漢江下游水資源可利用量展開計算，其研究結果可為今后中線工程的合理調度和下游水資源配置工作的開展提供參考。

1 分析計算

扣損法計算地表水資源可利用量，即從地表水資源總量中扣除不可利用的水資源量。其中，不可利用的水資源量包括河道內生態環境需水量和汛期洪水棄水量。在汛期，棄水量中的一部分可作為生態用水，因此，汛期不可利用的水資源只考慮汛期棄水即可。綜上，地表水資源量減去非汛期河道內生態環境需水量，再減去汛期難于控制利用的洪水棄水量，得出地表水資源可利用量[4]。由于本文研究區漢江流域屬于南方降雨較豐富的地區，供水多為地表水，地下水所占比例較小，因此只研究地表水資源可利用量，且假定研究區域不存在其他調水工程。

1.1 數據來源

仙桃站位于漢江下游，是漢江上最后一個水文信息收集監測站，其水文資料為漢江下游的水文資料，且資料較為詳全。本文選用的水文資料為長江水利委員會規劃處、長江勘測規劃設計研究院所提供的仙桃站1957-1998年共計42 a的各月實測流量資料。本文根據長江水利委員會規劃處和長江勘測規劃設計研究院設計的中線多年平均年調水量82億m3和145億m3調水方案來進行研究，其中145億m3方案根據漢江下游的工程條件又分為無引江濟漢和有引江濟漢兩種情況[3]。各調水方案下的水文資料不是實測的，而是長委水文局根據各方案下的調水量和漢江仙桃斷面的歷史水文過程，通過模型計算得到的，并且當時只計算到了1998年。另外，通過查閱湖北省水資源公報，獲取了仙桃站以下的仙桃市、孝感市和武漢市2003-2012年10年的供用水量。經分析發現這3個城市近10年的供用水量比較平穩變化不大，因此本文取3個城市近10年用水量總和的最大值81.7億m3作為漢江下游供用水量。

1.2 不同情景下典型年徑流過程的計算

根據頻率計算的相關步驟，分別計算4種情景下不同頻率所對應的地表水資源量，并將計算結果列于表1。不同情景下的月徑流量過程如圖1所示。

表1 不同情景下的年總徑流量 億m3Tab.1 The annual runoff under different scenarios

注：情景1為現狀實測水文數據；情景2為調水82億m3方案下的預測水文數據；情景3為調水145億m3方案下的預測水文數據；情景4為調水145億m3引江濟漢方案下的預測水文數據。

圖1 不同情景下的月徑流過程圖Fig.1 The monthly runoff process under different scenarios

從表1中可以看出，南水北調中線工程實施調水后，漢江下游各相同頻率對應的年徑流總量都有相應程度的減少，地表水資源量也會隨之減少，且隨著調水量的增加，地表水資源減少量也呈現上升的趨勢。例如，對于平水年(P=50%)來說，調水82億m3方案下的地表水資源量占現狀條件下的65.1%(即減少量占現狀的34.9%)，而調水145億m3方案下的地表水資源量占現狀條件下的55.1%(即減少量占現狀的44.9%)。另外，在對調水145億m3方案實施引江濟漢補償工程后，使漢江下游水資源量有所增加，增加后的地表水資源量雖不足以到達現狀條件(約占現狀的71.4%(P=50%))，但比調水82億m3方案下的地表水資源量稍多，由此也說明引江濟漢補償工程的實施對于補充改善漢江下游水資源量的減少起到一定作用。

1.3 不同情景下汛期洪水棄水量的計算

汛期水量越大，難以利用的水會越多，棄水所占比例越大，年內分配也會越不均勻[5]。根據《水資源可利用量估算方法(試行)》中關于南方汛期的劃定，4-10月為研究區的汛期，選取汛期棄水系數法來確定汛期棄水量。棄水系數的確定一般有3種方法，即以全年月最大流量與月最小流量之比為基準確定棄水系數，以全年月最大流量和多年平均月最小流量之比為基準確定棄水系數，以全年月最大流量和多年月平均流量之比為基準確定棄水系數[6]。根據文獻[6]可知，以全年月最大流量與多年月平均流量之比為基準確定棄水系數，結果更穩定更符合實際。計算結果見表2。

表2 不同情景下汛期洪水棄水量的計算結果 億m3Tab.2 The results of discarded floodwater in flood season under different scenarios

從表2中可看出，豐水年(P=20%)的棄水系數最大，特枯水年(P=95%)的棄水系數最小。調水82億m3方案下的棄水量相對最少，說明該情景下徑流量年內分配比其他情景下的更均勻。總體趨勢顯示，汛期棄水量隨調水量的增加有所減少，說明隨著調水量的增加，地表水資源量的減少，汛期來水量更多的用來增加蓄水量，水資源利用效率有所提高。對各情景下不同典型年分析可知，豐水年的棄水量最大。平水年的棄水量在現狀條件下除了豐水年外，也小于其他兩個典型年，這說明平水年內徑流量分配相對更均勻。另外，除現狀條件外，其余情景下平水年(P=50%)和偏枯水年(P=75%)的棄水量值較為接近。

1.4 不同情景下河道內最小生態環境需水量的計算

本文只考慮滿足最低生態系統需求的需水量，采用3種方法對河道內最小生態環境需水量進行計算。蒙大拿法是以預先確定的年平均流量百分數作為河道內最小生態環境需水量的方法[7]，本文以20%計。改進7Q10法是用歷史流量資料中近10年最小月平均流量作為河道內最小生態環境需水量值[8]。月保證率設定法是根據系列水文資料，對月平均天然流量進行頻率計算，在不同的月保證率前提下，以不同的天然年徑流量為基礎計算河道生態環境需水量[9]。基于以上3種方法的計算原理，分別對非汛期河道內最小生態環境需水量進行計算，結果見表3。

(1)蒙大拿法。從表3可以看出，蒙大拿法計算出的結果在現狀條件下是最大的，為6.7億m3，隨著調水量的增大，地表水資源量減少，河道內最小生態環境需水量也在減少。調水82億m3方案下非汛期生態環境需水總量比現狀條件有所減少，但占地表水資源量的比例卻是增加的。在對調水145億m3方案實施引江濟漢補償工程后，河道內最小生態環境需水量同地表水資源量一樣有所增加，接近調水82億m3方案，但在地表水資源量中所占比例卻有所下降。

表3 河道內最小生態環境需水量的計算結果 億m3Tab.3 The results of minimum eco-environmental water requirements from the river channel therein

(2)7Q10法。從計算結果可以看出，采用該方法計算出的河道內最小生態環境需水量并沒有隨調水量的增大而呈現總體增大或減少的趨勢，其變化沒有一定規律性。而對調水145億m3方案實施引江濟漢補償工程后，生態環境需水量達到10.7億m3，增幅相對較大。

(3)月保證率設定法。從計算結果可以看出，月保證率法計算出的河道內最小生態環境需水量在現狀條件下最大，隨著調水量的增大，地表水資源量的減少，河道內最小生態環境需水量也在減少。對調水145億m3方案實施引江濟漢補償工程后，河道內最小生態環境需水量同地表水資源量一樣有所增加，與調水82億m3方案下近似相等，比其略低。

(4)3種方法的對比分析。對3種方法的計算結果進行對比分析：7Q10法的計算結果最大，蒙大拿法次之，月保證率法最小；月保證率法的計算結果與蒙大拿法接近；蒙大拿法和月保證率法的結果變化規律相似，河道內最小生態環境需水量隨著調水量的增大(地表水資源量的減少)而逐漸減少，且實施引江濟漢補償工程后環境需水量有所增加，增加后的值與調水82億m3方案下近似相等；而7Q10法的計算結果無一定變化規律。

分析結果出現的原因，可能是因為7Q10法是根據1989-1998年最枯月平均流量計算，結果具有一定偶然性，導致其結果看起來沒有規律性。故本文只取蒙大拿法和月保證率法結果的平均值作為最終河道內最小生態環境需水量的結果，即4種情景下河道內最小生態環境需水量分別為6.7、4.9、4.0、4.9億m3。

1.5 不同情景下的計算結果分析

在求得地表水資源量、河道內最小生態環境需水量和汛期洪水棄水量結果的基礎上，最后利用扣損法進行漢江下游水資源可利用量的計算，現將4種情景下不同頻率的水資源可利用量計算結果列于表4。

表4 不同情景下水資源可利用量計算結果表 億m3Tab.4 The results of water resources availability under different scenarios

從表4中可以看出，現狀條件下各典型年水資源可利用量分別為233.4、286.2、143.3 、89.7億m3，都大于漢江下游供用水量81.7億m3，可見現狀條件下各典型年都是可以滿足漢江下游鄂北等地區用水的，且豐水年、平水年、偏枯水年的分別為151.7、204.5、61.6億m3，盈余水量較為豐富。因此，鄂北地區在滿足自身用水需求的同時，可以把多余的水量通過南水北調中線工程輸送到全國其他缺水地區，改善缺水地區的水資源條件，促進區域協調發展。

調水82億m3方案下，各典型年的地表水資源可利用量雖然也可以滿足漢江下游用水要求，但與現狀條件下相比，水資源可利用量有所減少。調水145億m3時，豐水年和平水年的水資源可利用量可以保障漢江下游用水，而偏枯水年、特枯水年的水資源可利用量小于81.7億m3，不能滿足漢江下游用水需求。也就是說中線調水在調水量為145億m3時，漢江下游供水保障率是相對較低的。而對調水145億m3實施引江濟漢工程后，各典型年的水資源可利用量明顯增加，都可以滿足下游用水，因此，引江濟漢工程的實施對保證漢江下游的用水及穩定發展具有重要意義。

針對地表水資源可利用量的計算結果分析如下：①從調水方案上進行比較，隨著調水量的增大，水資源可利用總量趨于減少的趨勢。在引江濟漢補償工程作用下，各典型年的水資源可利用量都有所增加，但都未能達到現狀條件下的水資源可利用量。②對各典型年比較發現，現狀條件下豐水年、平水年、偏枯水年的水資源可利用量相比其他情景下偏大，而枯水年偏小，可能是因為枯水年內徑流量分配不均，汛期棄水量過大，導致水資源可利用量減少過多所致。各典型年總體呈現來水量越小，水資源可利用量越少的趨勢，即豐水年水資源可利用量>平水年水資源可利用量>偏枯水年水資源可利用量>特枯水年水資源可利用量。不同情景下的地表水資源可利用量分布如圖2所示。

圖2 不同情景下水資源可利用量分布圖Fig.2 The distribution of water resources availability under different scenarios

另外，由于各情景下不同典型年對應的水資源量不同，直接對水資源可利用量進行比較效果不明顯，因此將不同情景下各典型年的水資源可利用率計算出來進行對比分析(見表5)。其中，水資源可利用率等于水資源可利用量與水資源量的比值。

表5 不同情景下水資源可利用率表 %Tab.5 The availability factor of water resources under different scenarios

分析表5可以看出，雖然現狀條件下水資源可利用量較大，但其可利用率除了平水年之外都比較低，特別是枯水年可利用率最低為40.20%，造成這一現象的原因可能是該典型年的水資源量和棄水量比較大的緣故。平水年的水資源可利用量與水資源可利用率都比較大，可利用率最大達到了70.63%，其他典型年的水資源可利用率在45%左右。對四種情景進行比較，調水82億m3方案下的整體水資源可利用率比較大，而且比較平均，在60%左右；其次分別為調水145億m3+引江濟漢方案、調水145億m3方案，水資源可利用率分別在55%、50%左右。且隨著調水量的增大，各典型年的水資源可利用率有降低的趨勢。

南水北調中線工程于2014年正式通水，年調水130億m3。實際年調水量130億m3比設計的年調水量82億m3要大，可以使河道內生態環境需水量有所減少，同時還有利于減少汛期的棄水量。實際年調水量比設計的年調水量145億m3要小，從而使水資源可利用量增加，在偏枯水年和特枯水年也可以滿足漢江下游用水。因此，實際調水方案在克服設計方案不足的同時，提高了用水效率、滿足了用戶需求，具有重要意義。

2 結 語

在漢江下游水文資料獲取分析的基礎上，利用扣損法對不同情景下漢江下游水資源可利用量進行了計算總結，主要結論如下：①河道內最小生態環境需水量隨著調水 量的增大而減少，且實施引江濟漢補償工程后生態環境需水量有所增加；②調水82億m3方案下的汛期棄水量最少，且汛期棄水量隨調水量的增加有所減少，從而水資源利用效率隨調水量的增加有所提高；③水資源可利用量隨著調水量的增大而減少，且調水145億m3方案下的偏枯水年和特枯水年的水資源可利用量不能滿足漢江下游用水需求。雖然引江濟漢工程可以使調水145億m3方案的水資源可利用量增加，但不能達到現狀條件下的水資源可利用量；④各典型年的水資源可利用量隨來水量的減少而減少，即豐水年水資源可利用量>平水年水資源可利用量>偏枯水年水資源可利用量>特枯水年水資源可利用量；⑤調水82億m3方案下的整體水資源可利用率最大，其次分別為調水145億m3+引江濟漢方案、調水145億m3方案、現狀條件。

□

[1] 劉丙軍，邵東國，許明祥，等. 南水北調中線與漢江中下游地區的水資源利用關系研究[J]. 南水北調與水利科技，2003，1(6)： 6-9.

[2] 張家玉，羅 莉，李春生，等. 南水北調中線工程對漢江中下游生態環境影響研究[J]. 環境科學與技術，2000，(Z1)：1-33.

[3] 竇 明，謝 平，姚堡壘，等. 中線調水對漢江下游枯水期的水安全影響研究[J]. 長江流域資源與環境，2008，17(5)：699-702.

[4] 白林龍. 淮河上游地表水資源可利用量計算分析[J]．人民長江．2013，44(17)：45-48．

[5] 姚水萍，郭宗樓，任 佶，等. 地表水資源可利用量計算探討[J]. 浙江大學學報，2005，31(4)：479-482.

[6] 崔 官，姜哲石，李東日，等. 牡丹江流域地表水資源可利用量研究[J]. 東北水利水電，2010，(8)：46-47.

[7] 侯樹文，宋新華. 新密市河流生態需水研究[J]. 廣西水利水電，2010，(4)：33-35.

[8] 張代青，高軍省. 河道內生態環境需水量計算方法的研究現狀及其改進探討[J]. 水資源與水工程學報，2006，17(4)： 68-73.

[9] 王宏偉，王 俊. 黑龍江省主要河流生態需水量的分析與研究[J].黑龍江水利科技，2012，40(3)：11-15.