寒區(qū)流域地表水資源量的分析計(jì)算

周翠寧，王 宇 ，宋欽南

(1.黑龍江省水文水資源中心，哈爾濱 150001；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150000)

0 引 言

水資源開(kāi)發(fā)利用程度不斷提高，使得分析評(píng)價(jià)流域水資源狀況，特別是地表水資源[1-4]情況顯得尤為重要。流域的地表水資源情況分析[5-6]是加強(qiáng)流域水資源開(kāi)發(fā)利用管控、推進(jìn)河湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)的基本要求，受到各級(jí)水行政管理部門的高度重視，其成果是各級(jí)水行政部門開(kāi)展流域水資源開(kāi)發(fā)利用、保護(hù)、配置、調(diào)度管理等基礎(chǔ)工作的重要依據(jù)。

文章以黑龍江省和東北地區(qū)重要的商品糧基地之一的呼蘭河流域?yàn)槔撌龊畢^(qū)河流地表水資源分析計(jì)算方法及過(guò)程，摸清呼蘭河流域地表水資源情況。分析成果可為呼蘭河流域水資源開(kāi)發(fā)利用、水量配置及調(diào)度、流域生態(tài)保護(hù)目標(biāo)確立提供數(shù)據(jù)支撐，為流域特別是寒區(qū)河流地表水資源分析研究提出思路。

1 流域基本情況

呼蘭河流發(fā)源于小興安嶺西側(cè)鐵力縣境內(nèi)爐坎山，北部以小興安嶺與湯旺河、遜畢拉河、訥謨爾河及烏裕爾河為界；南部以青山嶺、松花江的岔林河、少凌河為界；西部與雙陽(yáng)河、明青坡地相接。呼蘭河流域位置圖，見(jiàn)圖1。主要支流有通肯河、歐根河、泥河、努敏河、依吉密河及扎克河等。河源海拔580m，干流長(zhǎng)523km，干支流總長(zhǎng)6748km，流域面積31424km2。其中山崗地面積占11%；坡地面積占41%；平洼地面積占48%。

圖1 呼蘭河流域位置圖

流域?qū)俸疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年降水量充沛。降水的時(shí)空分布極不均勻，時(shí)間分布上6-9月降水約占年降水量的78%；空間分布上平原區(qū)小、山區(qū)大，降水高值區(qū)在鐵力縣附近，低值區(qū)在望奎縣附近。流域的徑流補(bǔ)給方式為降雨、融雪結(jié)合型補(bǔ)給，但以降雨補(bǔ)給為主，年內(nèi)徑流變化規(guī)律和趨勢(shì)均與降雨一致。春季主要是融雪，水量不大。夏、秋汛期(特別是6-9月)主要是降雨，徑流量約占全年徑流總量的75%～80%。

2 分析方法

2.1 站點(diǎn)選取

按照“干流及支流的控制站、水利工程節(jié)點(diǎn)站必選”的原則，本次選取蘭西水文站等13個(gè)國(guó)家基本水文站作為分析計(jì)算站點(diǎn)，其中呼蘭河干流3個(gè)，克音河1個(gè)，泥河1個(gè)，歐根河1個(gè)，通肯河3個(gè)，依吉密河1個(gè)，扎克河2個(gè)，呼蘭河流域主要水文站基本信息及分布情況詳，選用水文站基本情況表，見(jiàn)表1；呼蘭河流域水系及水文站分布圖， 見(jiàn)圖2。

表1 選用水文站基本情況表

2.2 實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)的查補(bǔ)與審核

本次分析計(jì)算選取的13個(gè)水文站，全部為國(guó)家基本測(cè)站，各測(cè)站具有專業(yè)且穩(wěn)定的測(cè)量及資料整編技術(shù)團(tuán)隊(duì)，流量測(cè)驗(yàn)以流速儀法測(cè)量為主，量測(cè)頻次分布均勻，測(cè)驗(yàn)精度滿足水文相關(guān)規(guī)范要求，每年的徑流資料滿足《水文資料整編規(guī)范》整編要求，且成果刊印《中華人民共和國(guó)水文年鑒》。觀測(cè)資料系列較長(zhǎng)，資料系列可靠。

本次對(duì)所選代表水文站徑流系列有缺測(cè)或系列長(zhǎng)度不足的，進(jìn)行了插補(bǔ)或延長(zhǎng)，對(duì)斷面遷移的水文站資料系列均按照目前斷面所在位置進(jìn)行相應(yīng)換算，根據(jù)不同站資料系列長(zhǎng)度、缺測(cè)、斷面遷移等不同情況，分別采用了上下游站徑流關(guān)系法(2個(gè))、面積比法(6個(gè))、直接移用法(3個(gè))、相鄰站徑流關(guān)系法(2個(gè))。

圖2 呼蘭河流域水系及水文站分布圖

水文斷面遷移前后集水面積變化<±3%時(shí)，資料直接合并統(tǒng)計(jì)。集水面積變化>±3%<15%時(shí)，徑流資料按面積比進(jìn)行改正。集水面積變化>±15%時(shí)，考慮區(qū)間自然地理?xiàng)l件的差異，選用降水參數(shù)或上下游站徑流關(guān)系法、相鄰站徑流關(guān)系法等進(jìn)行修正，有的按兩個(gè)站單獨(dú)處理。查補(bǔ)延長(zhǎng)后資料為1956-2016年61a系列。

2.3 單站徑流資料的還原

流域地表水資源量是天然情況下的流域產(chǎn)流狀況，在整理、查補(bǔ)、分析各水文站實(shí)測(cè)徑流資料基礎(chǔ)上，綜合考慮水文站斷面以上受人類生產(chǎn)活動(dòng)影響增減的水量進(jìn)行逐站逐年逐月還原計(jì)算。當(dāng)最近10a人類生產(chǎn)生活活動(dòng)年平均耗水量小于同期平均實(shí)測(cè)年徑流量的±5%，為減少還原計(jì)算工作量，不做該項(xiàng)水量的還原計(jì)算。

2.3.1 還原方法

采用傳統(tǒng)的分項(xiàng)調(diào)查法[7-9]進(jìn)行選取水文站的逐年逐月徑流還原計(jì)算。還原計(jì)算的主要項(xiàng)目有：農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和生活用水、生態(tài)環(huán)境的耗水量(含蒸發(fā)消耗和滲漏損失)，跨流域引入、引出水量、水庫(kù)蓄水變量等。

W天然=W實(shí)測(cè)+W農(nóng)灌+W工業(yè)及生活+
W生態(tài)耗水±W引水±W庫(kù)蓄

(1)

式中：W天然為還原后的天然徑流量；W實(shí)測(cè)為水文站實(shí)測(cè)徑流量；W農(nóng)灌為農(nóng)業(yè)灌溉耗損量；W工業(yè)及生活為工業(yè)及生活用水耗損量；W生態(tài)耗水為生態(tài)用水耗損量；W引水為跨流域(或跨區(qū)間)引水量，引出為正，引入為負(fù)；W庫(kù)蓄為大中型水庫(kù)蓄水變量，增加為正，減少為負(fù)。

2.3.1.1 農(nóng)業(yè)灌溉耗損量的計(jì)算方法

呼蘭河流域是黑龍江省農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，其農(nóng)業(yè)灌溉地表水用水量占流域地表水總用水量的85%以上，農(nóng)業(yè)耗水是還原計(jì)算的重點(diǎn)。根據(jù)省水利統(tǒng)計(jì)年鑒及水田面積核查逐年分別統(tǒng)計(jì)萬(wàn)畝以上灌區(qū)面積及萬(wàn)畝以下灌區(qū)面積，然后乘上本地畝均凈灌溉用水量。凈灌溉用水量確定時(shí)根據(jù)黑龍江省典型水田灌溉實(shí)驗(yàn)站資料及呼蘭河流域每年農(nóng)業(yè)用水總量、灌溉水有效利用系數(shù)典型型灌區(qū)凈定額，結(jié)合灌區(qū)的水源條件、種植結(jié)構(gòu)、土壤含水量及流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉的布局確定。

2.3.1.2 工業(yè)用水、城鎮(zhèn)生活用水耗損量的計(jì)算

根據(jù)水利統(tǒng)計(jì)年鑒查得，包括鐵力、青岡、明水、海倫、望奎、北林區(qū)及蘭西等縣的工業(yè)和生活用水，較大的工業(yè)取水口和生活供水企業(yè)有鐵力市宇祥熱電有限公司取水口和蘭西縣供水公司，其他取水口或用水戶統(tǒng)一合并計(jì)算，工業(yè)耗損系數(shù)0.30-0.50，生活耗損系數(shù)0.2～0.4。

2.3.1.3 生態(tài)用水耗損量估算

生態(tài)用水量中的城鎮(zhèn)環(huán)境用水全部損耗，湖泊、濕地用水耗損量只分析計(jì)算蒸發(fā)和蒸騰量。

2.3.1.4 水庫(kù)蓄水變量的估算

根據(jù)年末與年初蓄水量的差值，分析各水庫(kù)蓄水變量。一般中型水庫(kù)只有汛期有實(shí)測(cè)流量、水位資料，非汛期水庫(kù)蓄水變量不大，可只算汛期水庫(kù)蓄水變量。小型水庫(kù)年蓄水變量根據(jù)東方紅水庫(kù)，采用比擬法推求，采用聯(lián)豐水庫(kù)作為代表水庫(kù)進(jìn)行小水庫(kù)年內(nèi)分配計(jì)算。

2.4 流域還原徑流成果的合理性分析

徑流數(shù)據(jù)是分析流域地表水資源的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是準(zhǔn)確性決定流域分析成果的精準(zhǔn)度。因此，應(yīng)對(duì)實(shí)測(cè)徑流系列進(jìn)行可靠性、一致性(系列已經(jīng)還原)和代表性分析與審查[10-12]。

2.4.1 可靠性

所選取的13個(gè)水文站均為國(guó)家基本水文站，實(shí)測(cè)資料的觀測(cè)及整編方法和精度符合國(guó)家相關(guān)測(cè)驗(yàn)和資料整編規(guī)范精度要求。采用的插補(bǔ)延長(zhǎng)方法傳統(tǒng)、適當(dāng)且可行，資料系列可靠。在具有可靠性的長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)分項(xiàng)調(diào)查法這一傳統(tǒng)的還原方法進(jìn)行徑流還原，方法可行，因此還原成果是可靠的。

2.4.2 代表性

所選13個(gè)代表站其集水面積390～27736km2，從上游到下游分布均勻，涵蓋干流及主要支流，系列長(zhǎng)度65a。計(jì)算徑流系列模比系數(shù)，并繪制模比系數(shù)差積曲線[11-16]，選用水文站模比系數(shù)差積曲線，見(jiàn)圖3。通過(guò)圖3差積曲線進(jìn)行61a系列豐枯性分析，可以看出，呼蘭河各水文站豐枯變化趨一致，1956-1959年，1968-1973年、1985-1997和2008-2011年是平水年，1959-1963年、1982-1985年、2011-2014、2017-2020年是豐水年，1963-1968年、1973-1982年、1997-2008年及2014-2016年為枯水年，系列基本反映了本流域豐枯變化規(guī)律，代表性較好。

圖3 選用水文站模比系數(shù)差積曲線

2.4.3 一致性

通過(guò)徑流、降雨周期性變化是否一致的方法，進(jìn)行流域主要水文站天然徑流系列的資料的一致性檢驗(yàn)。文章呈現(xiàn)蘭西水文站降水、徑流過(guò)程線圖，蘭西水文站降水、徑流過(guò)程線圖，見(jiàn)圖4。由圖4可知，蘭西水文站的降水和徑流過(guò)程線十分相似，變化規(guī)律一致。同時(shí)對(duì)蘭西水文站1956-2000年、2000-2020年和1956-2020年資料系列進(jìn)行一致性分析，繪制蘭西水文站長(zhǎng)、短系列降雨徑流關(guān)系圖，蘭西水文站長(zhǎng)、短系列降雨徑流相關(guān)圖，見(jiàn)圖5。由圖5可知，長(zhǎng)、短系列降雨徑流相關(guān)關(guān)系較好且無(wú)明顯偏離，長(zhǎng)短系列合并后降雨徑流相關(guān)關(guān)系相關(guān)系數(shù)R>0.8，說(shuō)明水文站資料一致性較好。

圖4 蘭西水文站降水、徑流過(guò)程線圖

圖5 蘭西水文站長(zhǎng)、短系列降雨徑流相關(guān)圖

3 流域地表水徑流量

采用以上方法將2020年呼蘭河流域水文站徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，結(jié)合以上1956-2016年多年平均數(shù)據(jù)，分別分析量算呼蘭河流域多年平均和2020年地表水徑流量。

3.1 徑流深等值線圖繪制

在呼蘭河流域各水文站單站徑流還原、數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合臨近流域徑流等線圖趨，繪制流域多年平均(1956-2016年)和2020年徑流深等值線圖，呼蘭河流域多年平均年徑流深等值線圖，見(jiàn)圖6；蘭河流域 2020年年徑流深等值線圖，見(jiàn)圖7。勾繪等值線時(shí)，將選取水文站落在水文站控制流域面中心，考慮降水量分布的總趨勢(shì)，充分注意地理位置、地形、地貌等因素對(duì)降水的影響，根據(jù)點(diǎn)據(jù)進(jìn)行勾繪，精度控制在±5%之內(nèi)。

圖6 呼蘭河流域多年平均年徑流深等值線圖

圖7 呼蘭河流域 2020年年徑流深等值線圖

3.2 地表水徑流量算成果

徑流等值線法分析呼蘭河多年平均地表水資源量為40.12億m3，折合徑流深為127.7mm。2020年平均地表水資源量為80.97億m3，折合徑流深257.7mm。

3.3 成果合理性分析

采用蘭西水文站徑流放大的方法復(fù)核呼蘭河流域2020年和多年平均地表水徑流量算成果的準(zhǔn)確性。蘭西水文站是呼蘭河流域的把口站，按照面積比法放大估算流域地表水徑流量，兩種方法成果比較，見(jiàn)表2。

表2 兩種方法成果比較

由表2可知，采用蘭西水文站天然徑流量放大至河口計(jì)算的呼蘭河流域2020年和多年平均地表水資源量均大于等值線法量算結(jié)果，兩種方法計(jì)算的成果相差均<10%，滿足要求，結(jié)果合理。

4 結(jié) 論

對(duì)實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，利用上下游站徑流關(guān)系法、面積比法、直接移用法、相鄰站徑流關(guān)系法等查補(bǔ)延長(zhǎng)了呼蘭河主要水文斷面缺測(cè)或系列長(zhǎng)度不足的徑流數(shù)據(jù)，采用分項(xiàng)調(diào)查法對(duì)1956-2016年系列和2020年進(jìn)行了逐站逐年徑流還原，繪制1956-2016年系列多年平均和2020年呼蘭河流域徑流等值線并量算其多年平均和2020年地表水資源量，量算結(jié)果與采用把口水文站斷面天然徑流放大至河口的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，相差均<10%。分析得出，呼蘭河多年平均地表水資源量為40.12億m3，2020年平均地表水資源量為80.97億m3，計(jì)算結(jié)果合理。可用于防汛抗旱、工程建設(shè)、科研及其它領(lǐng)域作為指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的重要科學(xué)依據(jù)。