寒区流域地表水资源量的分析计算

周翠宁，王 宇 ，宋钦南

(1.黑龙江省水文水资源中心，哈尔滨 150001；2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150000)

0 引 言

水资源开发利用程度不断提高，使得分析评价流域水资源状况，特别是地表水资源[1-4]情况显得尤为重要。流域的地表水资源情况分析[5-6]是加强流域水资源开发利用管控、推进河湖生态保护修复的基本要求，受到各级水行政管理部门的高度重视，其成果是各级水行政部门开展流域水资源开发利用、保护、配置、调度管理等基础工作的重要依据。

文章以黑龙江省和东北地区重要的商品粮基地之一的呼兰河流域为例，论述寒区河流地表水资源分析计算方法及过程，摸清呼兰河流域地表水资源情况。分析成果可为呼兰河流域水资源开发利用、水量配置及调度、流域生态保护目标确立提供数据支撑，为流域特别是寒区河流地表水资源分析研究提出思路。

1 流域基本情况

呼兰河流发源于小兴安岭西侧铁力县境内炉坎山，北部以小兴安岭与汤旺河、逊毕拉河、讷谟尔河及乌裕尔河为界；南部以青山岭、松花江的岔林河、少凌河为界；西部与双阳河、明青坡地相接。呼兰河流域位置图，见图1。主要支流有通肯河、欧根河、泥河、努敏河、依吉密河及扎克河等。河源海拔580m，干流长523km，干支流总长6748km，流域面积31424km2。其中山岗地面积占11%；坡地面积占41%；平洼地面积占48%。

图1 呼兰河流域位置图

流域属寒温带大陆性季风气候，年降水量充沛。降水的时空分布极不均匀，时间分布上6-9月降水约占年降水量的78%；空间分布上平原区小、山区大，降水高值区在铁力县附近，低值区在望奎县附近。流域的径流补给方式为降雨、融雪结合型补给，但以降雨补给为主，年内径流变化规律和趋势均与降雨一致。春季主要是融雪，水量不大。夏、秋汛期(特别是6-9月)主要是降雨，径流量约占全年径流总量的75%～80%。

2 分析方法

2.1 站点选取

按照“干流及支流的控制站、水利工程节点站必选”的原则，本次选取兰西水文站等13个国家基本水文站作为分析计算站点，其中呼兰河干流3个，克音河1个，泥河1个，欧根河1个，通肯河3个，依吉密河1个，扎克河2个，呼兰河流域主要水文站基本信息及分布情况详，选用水文站基本情况表，见表1；呼兰河流域水系及水文站分布图， 见图2。

表1 选用水文站基本情况表

2.2 实测径流数据的查补与审核

本次分析计算选取的13个水文站，全部为国家基本测站，各测站具有专业且稳定的测量及资料整编技术团队，流量测验以流速仪法测量为主，量测频次分布均匀，测验精度满足水文相关规范要求，每年的径流资料满足《水文资料整编规范》整编要求，且成果刊印《中华人民共和国水文年鉴》。观测资料系列较长，资料系列可靠。

本次对所选代表水文站径流系列有缺测或系列长度不足的，进行了插补或延长，对断面迁移的水文站资料系列均按照目前断面所在位置进行相应换算，根据不同站资料系列长度、缺测、断面迁移等不同情况，分别采用了上下游站径流关系法(2个)、面积比法(6个)、直接移用法(3个)、相邻站径流关系法(2个)。

图2 呼兰河流域水系及水文站分布图

水文断面迁移前后集水面积变化<±3%时，资料直接合并统计。集水面积变化>±3%<15%时，径流资料按面积比进行改正。集水面积变化>±15%时，考虑区间自然地理条件的差异，选用降水参数或上下游站径流关系法、相邻站径流关系法等进行修正，有的按两个站单独处理。查补延长后资料为1956-2016年61a系列。

2.3 单站径流资料的还原

流域地表水资源量是天然情况下的流域产流状况，在整理、查补、分析各水文站实测径流资料基础上，综合考虑水文站断面以上受人类生产活动影响增减的水量进行逐站逐年逐月还原计算。当最近10a人类生产生活活动年平均耗水量小于同期平均实测年径流量的±5%，为减少还原计算工作量，不做该项水量的还原计算。

2.3.1 还原方法

采用传统的分项调查法[7-9]进行选取水文站的逐年逐月径流还原计算。还原计算的主要项目有：农业灌溉、工业和生活用水、生态环境的耗水量(含蒸发消耗和渗漏损失)，跨流域引入、引出水量、水库蓄水变量等。

W天然=W实测+W农灌+W工业及生活+
W生态耗水±W引水±W库蓄

(1)

式中：W天然为还原后的天然径流量；W实测为水文站实测径流量；W农灌为农业灌溉耗损量；W工业及生活为工业及生活用水耗损量；W生态耗水为生态用水耗损量；W引水为跨流域(或跨区间)引水量，引出为正，引入为负；W库蓄为大中型水库蓄水变量，增加为正，减少为负。

2.3.1.1 农业灌溉耗损量的计算方法

呼兰河流域是黑龙江省农业主产区，其农业灌溉地表水用水量占流域地表水总用水量的85%以上，农业耗水是还原计算的重点。根据省水利统计年鉴及水田面积核查逐年分别统计万亩以上灌区面积及万亩以下灌区面积，然后乘上本地亩均净灌溉用水量。净灌溉用水量确定时根据黑龙江省典型水田灌溉实验站资料及呼兰河流域每年农业用水总量、灌溉水有效利用系数典型型灌区净定额，结合灌区的水源条件、种植结构、土壤含水量及流域内农业灌溉的布局确定。

2.3.1.2 工业用水、城镇生活用水耗损量的计算

根据水利统计年鉴查得，包括铁力、青冈、明水、海伦、望奎、北林区及兰西等县的工业和生活用水，较大的工业取水口和生活供水企业有铁力市宇祥热电有限公司取水口和兰西县供水公司，其他取水口或用水户统一合并计算，工业耗损系数0.30-0.50，生活耗损系数0.2～0.4。

2.3.1.3 生态用水耗损量估算

生态用水量中的城镇环境用水全部损耗，湖泊、湿地用水耗损量只分析计算蒸发和蒸腾量。

2.3.1.4 水库蓄水变量的估算

根据年末与年初蓄水量的差值，分析各水库蓄水变量。一般中型水库只有汛期有实测流量、水位资料，非汛期水库蓄水变量不大，可只算汛期水库蓄水变量。小型水库年蓄水变量根据东方红水库，采用比拟法推求，采用联丰水库作为代表水库进行小水库年内分配计算。

2.4 流域还原径流成果的合理性分析

径流数据是分析流域地表水资源的基础数据，是准确性决定流域分析成果的精准度。因此，应对实测径流系列进行可靠性、一致性(系列已经还原)和代表性分析与审查[10-12]。

2.4.1 可靠性

所选取的13个水文站均为国家基本水文站，实测资料的观测及整编方法和精度符合国家相关测验和资料整编规范精度要求。采用的插补延长方法传统、适当且可行，资料系列可靠。在具有可靠性的长系列实测资料的基础上，通过分项调查法这一传统的还原方法进行径流还原，方法可行，因此还原成果是可靠的。

2.4.2 代表性

所选13个代表站其集水面积390～27736km2，从上游到下游分布均匀，涵盖干流及主要支流，系列长度65a。计算径流系列模比系数，并绘制模比系数差积曲线[11-16]，选用水文站模比系数差积曲线，见图3。通过图3差积曲线进行61a系列丰枯性分析，可以看出，呼兰河各水文站丰枯变化趋一致，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年是丰水年，1963-1968年、1973-1982年、1997-2008年及2014-2016年为枯水年，系列基本反映了本流域丰枯变化规律，代表性较好。

图3 选用水文站模比系数差积曲线

2.4.3 一致性

通过径流、降雨周期性变化是否一致的方法，进行流域主要水文站天然径流系列的资料的一致性检验。文章呈现兰西水文站降水、径流过程线图，兰西水文站降水、径流过程线图，见图4。由图4可知，兰西水文站的降水和径流过程线十分相似，变化规律一致。同时对兰西水文站1956-2000年、2000-2020年和1956-2020年资料系列进行一致性分析，绘制兰西水文站长、短系列降雨径流关系图，兰西水文站长、短系列降雨径流相关图，见图5。由图5可知，长、短系列降雨径流相关关系较好且无明显偏离，长短系列合并后降雨径流相关关系相关系数R>0.8，说明水文站资料一致性较好。

图4 兰西水文站降水、径流过程线图

图5 兰西水文站长、短系列降雨径流相关图

3 流域地表水径流量

采用以上方法将2020年呼兰河流域水文站径流数据进行还原，结合以上1956-2016年多年平均数据，分别分析量算呼兰河流域多年平均和2020年地表水径流量。

3.1 径流深等值线图绘制

在呼兰河流域各水文站单站径流还原、数据分析的基础上，结合临近流域径流等线图趋，绘制流域多年平均(1956-2016年)和2020年径流深等值线图，呼兰河流域多年平均年径流深等值线图，见图6；兰河流域 2020年年径流深等值线图，见图7。勾绘等值线时，将选取水文站落在水文站控制流域面中心，考虑降水量分布的总趋势，充分注意地理位置、地形、地貌等因素对降水的影响，根据点据进行勾绘，精度控制在±5%之内。

图6 呼兰河流域多年平均年径流深等值线图

图7 呼兰河流域 2020年年径流深等值线图

3.2 地表水径流量算成果

径流等值线法分析呼兰河多年平均地表水资源量为40.12亿m3，折合径流深为127.7mm。2020年平均地表水资源量为80.97亿m3，折合径流深257.7mm。

3.3 成果合理性分析

采用兰西水文站径流放大的方法复核呼兰河流域2020年和多年平均地表水径流量算成果的准确性。兰西水文站是呼兰河流域的把口站，按照面积比法放大估算流域地表水径流量，两种方法成果比较，见表2。

表2 两种方法成果比较

由表2可知，采用兰西水文站天然径流量放大至河口计算的呼兰河流域2020年和多年平均地表水资源量均大于等值线法量算结果，两种方法计算的成果相差均<10%，满足要求，结果合理。

4 结 论

对实测径流数据，利用上下游站径流关系法、面积比法、直接移用法、相邻站径流关系法等查补延长了呼兰河主要水文断面缺测或系列长度不足的径流数据，采用分项调查法对1956-2016年系列和2020年进行了逐站逐年径流还原，绘制1956-2016年系列多年平均和2020年呼兰河流域径流等值线并量算其多年平均和2020年地表水资源量，量算结果与采用把口水文站断面天然径流放大至河口的结果进行对比分析，相差均<10%。分析得出，呼兰河多年平均地表水资源量为40.12亿m3，2020年平均地表水资源量为80.97亿m3，计算结果合理。可用于防汛抗旱、工程建设、科研及其它领域作为指导生产实践的重要科学依据。