白龍江調水工程可調水量及對下游影響分析

岳立恒，王亞變

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

白龍江調水工程是從甘肅省境內嘉陵江支流白龍江上游引水至涇渭河流域，旨在解決天水、平涼、慶陽3市20區縣城鄉生活用水，保障“關中—天水經濟區”和隴東能源基地建設和發展的供水安全，改善生態環境，是解決甘肅省涇渭河流域缺水問題的重大戰略工程，也是國家172項重大水利工程建設項目之一。根據對白龍江調水工程受水區供需分析計算可知，2040年受水區缺水量為9.6億m3，而白龍江調水工程可調水量具體有多少？能否滿足受水區的水量需求？是需要進一步解決的問題。并且調水工程的實施勢必會導致白龍江干流水位下降、水量減少、流量變小等一系列變化，其變化有多大？會產生何種影響也需做更深入分析。

目前對可調水量及調水對下游影響方面的研究，多集中在南水北調工程和黃河流域調水工程，陳桂亞等分析了南水北調工程丹江口水庫棄水可調水量[1]。麻蓉通過構建多目標模擬模型，迭代模擬優化算法確定了黃河上有梯級水庫群的可調水量[2]。竇明等采用扣損法分析了中線調水對漢江下游水資源可利用量的影響[3]。王中敏等通過設置調水工況情景，定量分析了引調水工程對漢江中下游生態環境的累積疊加影響[4]。朱燁運用Mann-Kendall非參數檢驗法分析了南水北調中線調水對漢江中下游水文情勢的影響[5]。本文綜合考慮不同來水頻率下天然徑流量及調出區社會經濟用水情景，對白龍江調水工程可調水量展開計算，并分析調水后對白龍江干流用水的影響，可為白龍江調水工程的實施提供借鑒和指導。

1 可調水量分析計算

對白龍江調水工程可調水量分析計算時，按照滿足流域生活、生產、河道內外生態環境用水的前提下，計算從白龍江干流取水斷面允許調走的最大水量。計算方法：優先滿足水源點上下游生活、生產、河道外生態環境用水，下泄水量需滿足水源點以下河道內生態環境需水要求，綜合分析計算取水水源點的可調水量。

1.1 地理位置及數據來源

白龍江調水工程取水點為代古寺斷面，位于甘南州境內，斷面以上主要涉及四川省阿壩州若爾蓋縣、甘肅省甘南州迭部縣和碌曲縣，流域面積為7953km2，如圖1所示。計算過程中收集了白龍江干流主要站點1956—2013年各月實測徑流資料。社會經濟等數據來源與四川省統計年鑒、阿壩州統計年鑒、甘肅省統計年鑒、甘南州統計年鑒等。在對三磊壩控制斷面徑流分析中，依據《嘉陵江流域水量分配方案》中的相關要求。

圖1 白龍江調水工程地理位置

1.2 取水斷面不同頻率下典型年徑流過程分析

根據對代古寺站點徑流分析，采用典型年法選取25%、50%、75%、95%來水頻率下的代表年分別為1962、1956、1995、2002年，通過計算獲得其多年平均及不同來水頻率下年徑流量及月徑流量，具體見表1，取水斷面不同頻率下徑流過程如圖2所示。

表1 代古寺斷面不同頻率下年徑流量 單位：億m3

圖2 代古寺取水斷面不同頻率下徑流過程

由表1可知，代古寺斷面多年平均徑流量為22.26億m3，豐水年、枯水年徑流量變化較大，豐水年年徑流量為枯水年的1.35倍、特枯水年的1.71倍。年內徑流分配不均，降水多集中在5～10月，多年平均情況下汛期總徑流量是非汛期的2.96倍。從不同頻率下年內徑流過程來看，豐水年有2個徑流峰值，分別為7、10月；平水年7月降水量最大；枯水年8月最大；特枯水年6月最大。不同頻率下2月月徑流都為最小。

1.3 河道內生態基流

河道內生態基流根據SL/Z 479—2010《河湖生態環境需水評估導則(試行)》，分別采用90%保證率最小月平均流量法(Q90)、95%保證率最小月平均流量法(Q95)、10年最小月平均流量法、多年平均流量的百分比法、多年平均流量大于80m3/s時按5%取用法、Tennant法、典型年最小月平均流量法計算1956—2013時段的各斷面處河流生態需水流量[6- 11]，計算結果見表2。

表2 代古寺取水斷面生態基流計算成果表 單位：m3/s

表2可知，代古寺斷面生態基流在不同計算方法下相差較大。根據《嘉陵江流域水量分配方案》中要求的三磊壩控制斷面最小流量控制指標90.3m3/s，經長系列調節計算與Q90法基本一致，本文采用90%保證率最小月平均流量法確定的生態基流流量21.2m3/s。

1.4 取水斷面上下游耗水分析

根據調出區四川省、甘肅省相關地區發展規劃報告及各省區域戰略發展及相關民族地區政策的要求，采用定額分析法預測四川省、甘肅省相關地區2040年耗水量及耗水過程，見表3，不同頻率下耗水量過程如圖3所示。

表3 2040年不同頻率下四川、甘肅相關地區年耗水量 單位：億m3

圖3 白龍江調出區四川、甘肅2040年不同頻率下耗水量過程

由表3可知，不同頻率下四川、甘肅相關地區2040年年耗水量相差不大，但年內耗水過程有明顯區別，總體來看，不同基準年下四川省月耗水較為平均，變幅較小，而甘肅省各月耗水過程存在明顯峰值，在5月達到最大，其中4—7月合計耗水量分別占全年的66%、54%。

1.5 預留經濟社會發展水量

考慮到調出區未來社會經濟發展用水需求，在可調水量分析過程中，需預留部分社會經濟發展用水。遵循原則：代古寺斷面以下產流較大的支流斷面經濟社會發展水量進行全部預留，該支流可完全滿足支流匯口以下一定長度(最少為下一大的支流匯入前)內經濟社會發展需求水量。

1.6 代古寺取水斷面規劃水平年可調水量

合理的調水規模是以斷面的天然徑流量扣除該斷面上游地區生活、生產、河道內外生態環境用水的耗水量、該斷面下游地區的預留水量及河道內生態環境用水量后的水量，作為該斷面的可調水量。通過計算獲得2040年代古寺斷面不同頻率下的可調水量，見表4。根據白龍江調水工程規劃要求，調水工程調水量為9.6億m3/s，2040年除95%來水頻率不能滿足外，其他條件下均可滿足。考慮到代古寺水利工程具有6.2億m3調節庫容，在多年調節情況下能夠滿足調水工程的調水需求。

表4 2040年不同頻率下可調水量 單位：億m3

2 調水后對下游影響分析

2.1 對調出區水資源的影響

(1)對多年平均工況下水資源量的影響

代古寺斷面：白龍江調水工程總調水規模9.60億m3，占取水斷面可調水量的比例為63.0%，占取水斷面水量的43.2%。調水量占甘肅省白龍江總控制斷面(出省斷面)水量的10.95%，具體見表5。

表5 調水后取水斷面水量變化

出省斷面：實施白龍江調水工程后，白龍江干流段水量將減少，以下游出省斷面控制，與調水工程實施前比較，多年平均情況下，調水量占出省斷面水量的10.95%，50%來水頻率下占11.13%，75%來水頻率下占12.97%，95%來水頻率下占16.40%。調水量占調水所在河流水量比例較小，調水前后出省斷面水量變化見表6。

表6 調水后出省斷面水量變化

(2)對下泄過程影響

代古寺壩址：根據長系列調節計算，調水前后多年平均來水及下泄水量過程見表7，出省斷面調水前后下泄水量過程及變化如圖4所示。調水工程未實施不引水工況下壩址多年平均下泄水量為22.05億m3，實施引水工況下壩址多年平均下泄水量為12.36億m3，水量減少9.69億m3，相對于不引水工況下泄水量減少43.9%。就年內下泄過程而言，按照調水規則，12—3月白龍江來水全部下泄，因此這4個月無變化。其他月中，5—7月變化程度最大，最高達71.8%，代古寺斷面下泄過程變化劇烈。從豐水段、枯水段來看，調水多集中在豐水段，因此受影響也更大，為56.3%；枯水段調水量較小，變換也小，僅為7%，在枯水段下泄過程變化較小。

表7 代古寺壩址多年平均下泄過程與來水過程對比表

出省斷面：根據長系列調節計算，調水前后多年平均來水及下泄水量過程，見表8，出省斷面調水前后下泄水量過程及變化如圖5所示。在調水工程未實施不引水工況下出省斷面多年平均下泄水量為86.36億m3，實施引水工況下出省斷面多年平均下泄水量為76.68億m3，水量減少9.69億m3，相對于不引水工況下泄水量減少11.2%。就年內下泄過程而言，如圖5所示，12—3月下泄過程不變，5—7月變化幅度都超過了15%，最高達19.1%，出省斷面流量出現較為明顯的減少。從豐水段、枯水段來看，豐水段下泄水量減少13.5%，存在較明顯減少；枯水段減少幅度僅為4.7%，下泄流量變化較小。

表8 出省斷面多年平均下泄過程與來水過程對比表

圖4 出省斷面調水前后下泄水量過程及變化

圖5 出省斷面調水前后下泄水量過程及變化

2.2 調水后下游干流水情變化

(1)調水點及下游流量變化

代古寺斷面：多年平均來水情況下，如圖6(a)所示，代古寺斷面流量變化為-66%～11%，受代古寺水利樞紐的調蓄作用影響，枯水期向下游補水，流量變大，其中2月增幅最大，達11%。受調水影響，從4月開始，流量大幅度下降，5月達到最大值，為-66%。枯水年，如圖6(c)所示，流量變化范圍為-74%～58%，2月補水量最大，徑流增加了58%，5月徑流量減小最大，為-74%，流量發生大幅度減少。特枯年份，如圖6(e)所示，流量變化范圍為-72%～36%，較枯水年份有所收斂，主要原因是特枯年分降水相對于枯水年較為平均。總結起來，白龍江調水工程對代古寺取水斷面不同來水頻率下的徑流均有較大影響，但影響有利有弊，由于代古寺水利樞紐的調蓄作用，枯水期能夠給下游補水，滿足基本河道生態需水要求，但豐水期受調水影響，流量減少幅度較大，5月減少幅度最大。

入嘉陵江交匯斷面：自代古寺取水斷面之后，白龍江干流有岷江、拱壩河、白水江等較大支流匯入，使得白龍江調水工程對徑流的影響減弱。多年平均情況下，如圖6(b)所示，交匯斷面的徑流變化范圍為-11%～-6%，年內變化較為均勻；枯水年，如圖6(d)所示，徑流變化為-18%～-5%，年內變化幅度變大，降幅最大月為9月；特枯水年，如圖6(f)所示，徑流變化為-28%～-5%，除9、10月發生較為明顯的減小外，其他月變化在-10%～-5%之間，較為平穩，而9、10月流量急劇減少，反映出調水工程在這2個月調水量較大，對下游徑流的影響也較為明顯。

(2)調水點及下游水位變化

代古寺斷面：受白龍江調水工程及代古寺水利樞紐的綜合影響，代古寺斷面調水后年內河道水位變化較調水之前平緩，1—3月代古寺水利樞紐對白龍江干流補水，水位較調水前有所抬升，4月之后，雖降水增多，但受調水影響，水位抬升較調水前幅度變小。具體來看，多年平均情況下，如圖7(a)所示，調水前后水位變化幅度為-1.31～0.08m，呈單峰單谷式波動；枯水年，如圖7(c)所示，調水前后水位變化幅度為-1.61～0.42，波動變化總體呈先增后減規律，但7月降幅較前后月有所減小，呈現一小峰的波動；特枯水年，如圖7(e)所示，調水前后水位變化幅度為-1.43～0.26，水位變化幅度規律也基本遵循先增后減的總體趨勢，但5月受降水量小的原因，水位降幅較其他年份有所減小。

圖6 不同頻率下代古寺斷面、入嘉陵江交匯斷面調水前后各月徑流及變化

圖7 不同頻率下代古寺斷面、三磊壩斷面調水前后各月水位及變化

三磊壩斷面：自代古寺斷面之后，白龍江干流有岷江，岷江、拱壩河、白水江等較大支流匯入，匯入水量較大，白龍江調水工程的實施對白龍江下游控制斷面三磊壩斷面的影響有限，河道水位在調水前后變化較小。具體來看，多年平均情況下，如圖7(b)所示，三磊壩斷面水位變化幅度為-0.14～-0.04m，7月降幅最大，變化規律呈雙峰雙谷式；枯水年，如圖7(d)所示，水位變化波動更為明顯，呈三峰三谷式，變化幅度為-0.16～-0.03m，7、9兩月降幅較大；特枯水年，如圖7(f)所示，調水前后水位變化波動性變小，呈單峰單谷式變化規律，但水位降幅變化較大，變化范圍為-0.23～-0.04m，10月降幅最大。

2.3 調水對下游水質影響

根據代古寺上游迭部水質監測數據可知，白龍江代古寺來流化學需氧量小于10mg/L，氨氮小于0.5mg/L。由于支流缺乏長系列同步水質監測資料，因此本模擬預測的水質濃度未考慮本底濃度影響。

通過對白龍江現狀負荷條件下四個水文年(豐水、平水、枯水、特枯)，引水前后的水質指標濃度的模擬，初步得出如下結論：不同典型水文年(豐水、平水、枯水、特枯)下，由于上游來流量的減少，總體上污染物濃度會上升，水質變差。受代古寺水庫調節作用的影響，1—3月水質變化最小；不同典型年下，分析引水對白龍江上游立節斷面、中游拱壩河斷面、下游嘉陵江匯口斷面的影響可知，引水對離代古寺壩址較近斷面水質的影響大于離壩址較遠的斷面，在嘉陵江匯口斷面處影響最小，1—3月水質甚至不發生變化；現狀負荷、不同典型年下，疊加本底濃度后COD均滿足水功能區水質III類管理目標，現狀負荷下水質模擬工況見9，引水工程不會對水功能區造成影響。

表9 現狀負荷下水質模擬工況

3 結論

跨流域調水工程可調水量以及對下游的影響是調水工程設計的關鍵環節，是評價項目可行性和合理確定工程調水規模的直接制約因素。本文通過長系列徑流調節計算，分析了不同來水頻率條件下白龍江調水工程的可調水量，以及在調水工程實施后，對下游水資源、干流水清和下游水質的影響。通過分析，在新建代古寺水利樞紐的前提下，可滿足白龍江調水工程9.6億m3的年調水需求；調水工程實施后，對代古寺斷面徑流量影響較大，對出省斷面徑流量的影響較小；調水后年內河道水位變化較調水之前平緩，影響較小；工程不會對水功能區水質造成影響。通過上述分析成果，可為白龍江調水工程的項目決策和確定工程規模提供重要的參考依據。