论高含沙河流汛期弃水确定分级最大值法

期刊目录网推荐论文2014-07-04 16:16关注(1)

　　摘 要：水资源可利用量是从资源的角度出发，为当地水资源可能被消耗利用的最大限度，具有动态性特征。水资源的开发利用只有在适度的范围内，才会对社会经济的发展起促进和保障作用[1]。水资源可利用量是水资源承载能力研究的基础和重要环节，为水资源开发利用潜力分析提供基础依据，对实现水资源可持续利用和社会经济的可持续发展具有重要的意义[2]。

　　关键词： 高含沙河流,汛期洪水弃水,分级最大值法,干旱半干旱区,泾河

　　0 引言

　　我国是一个农业大国，水资源对于我国农业的发展起着非常重要的作用，农业灌溉用水可占总用水量的70%以上[3-5]。由于水资源供需条件的复杂性和动态性，将来水资源可利用量的评价将变得愈发困难[6]。在中国北方干旱半干旱及生态环境脆弱地区，生态环境需水要求应得到优先保障，河道水资源可利用量的估算可采用从河道水资源量中扣除维护生态环境的最小需水量和汛期难以控制利用的下泄水量(汛期洪水弃水量)的方法实现。汛期洪水弃水量是指在可预见的时期内，不能被工程措施控制利用的汛期洪水量[7]，其为汛期洪水弃水系数与汛期天然径流量的乘积，是河道电励磁同步水资源量的重要组成部分。准确、有效的计算汛期弃水系数显得非常重要。

　　传统用于确定汛期弃水系数的方法一般有三种[8]：以每年月最大流量分别与月最小流量的比值、与多年平均月最小流量的比值和与多年平均月流量的比值为基准确定。由于要确定的是汛期的弃水系数，用包括非汛期在内的流量值来计算汛期弃水系数有不合理的地方。同时，上述的计算方法在高含沙河流并不适用。汛期弃水量是受到一定的工程调蓄能力的影响的，其与非汛期来水关系不是很紧密，汛期弃水系数的确定不应该基于汛期径流量与非汛期径流量之间的关系来确定。为此，本研究以黄河的二级支流泾河为例，以流域的控制站--张家山水文站为控制断面，基于泾河径流特征与水资源利用特点及其之间的内在联系，提出确定汛期洪水弃水系数的分级最大值法，并与传统方法进行比较，研究成果可为干旱半干旱缺水地区洪水资源的开发利用提供参考。

　　1 汛期洪水弃水系数计算的分级

　　最大值法对于干旱半干旱区径流泥沙含量高的河流，径流年内分配不均，汛期径流往往占年径流量的大部分，且汛期径流大都以洪水形式出现，由于径流含沙量高而难以被利用，这对于缺水地区，可造成很大的水资源浪费。因此，径流泥沙含量对径流引用水的影响很大，汛期弃水与径流泥沙含量有密切关系，如陕西的泾惠渠灌区由于泾河汛期径流泥沙含量过高，1949-2000 年平均每年停止引水达20 天，平均少引水(弃水)440 万m3，这对于灌区的发展造成很大的干扰。最严重的为1990 年，6-8 月共计停止引水38 天，平均弃水高达1267万m3，7 月和8 月分别停水达17 天之久，平均弃水为856 万m3，造成灌区水资源供需的极度紧张和区域社会经济发展的巨大压力。因此，汛期洪水弃水与径流泥沙含量、水资源利用率等具有密切的联系，通过分析它们之间的内在联系，得出汛期洪水弃水系数，从而计算得出汛期洪水的弃水量。分级最大值法的计算步骤如下：

　　(1)把流域某一控制断面的引水量与径流量的比值(称为引水率，用X 表示)和径流泥沙含量(以Y 表示)月序列资料由小到大划分成若干个等级，如当把引水率序列和径流泥沙含量序列划分为6 个等级时，分别记为x1，x2，x3，x4，x5，x6 和y1，y2，y3，y4，y5，y6，如下图1 所示。

　　图1 把样本资料划分成6 个等级示意图Fig.1 Sketch of six grades of sample data(2)把上述划分好等级的样本资料用表格表示，并统计样本在每一个对应等级所出现的月份，如表1 所示。表中aij (i,j=1,2,…,6)表示样本序列中引水率为xi 等级和径流泥沙含量为yj 等级时发生的月份数为aij 个。

　　(3)一般情况下，X 序列会随着Y 的增加而呈现出递减趋势(即径流泥沙含量Y 越高，引水率X 越低。如不满足此规律时，不能应用本方法)，此时，对于某个径流泥沙含量等级，必存在着一个最大的引水率等级，大于此引水率等级，则引水的月份数为零，故通过合理的X 和Y 等级的划分，可使表1 中由左下方向右上方的对角线下方的引水月份数为零，因此，表1 可整理成表2 所示的左上三角形式。一般情况下，并不能保证左上三角形中的所有月份数大于零，也不能保证对角线处的值都大于零，如表2 中不能保证aij (i,j=1,2,…,6)同时大于零，可能存在为零的情况，这与样本序列的长短和性质以及等级间隔的划分有关。如假设对角线i、j 处(引水率等级为xi、径流泥沙含量等级为yj)的值aij 为零，但ai+1,j-1 和ai-1,j+1均不为零，且径流泥沙含量等级yj 下的最大非零引水率等级为xk (k

　　(4)把表3 中的洪水弃水系数等级和对应的径流泥沙含量等级区间值转化成点值，拟合出汛期洪水弃水系数和径流泥沙含量之间的函数关系，从而可非常方便的确定出任意径流泥沙含量值下的洪水弃水系数和汛期弃水量，给不同沙限下水资源的利用评价提供了非常便捷的方法。

　　2 应用实例

　　2.1 研究区概况泾河地处我国西北干旱半干旱区，为渭河的一级支流、黄河的二级支流，全长455.1km，流域面积45421km2。泾河流域地理位置及其水系如图2 所示。泾河流域地处黄河中游地区，是黄河泥沙和粗泥沙的重要来源区之一，水土流失十分严重。泾河流域多年平均(1964-1988年)产粗沙量3900 万t[9]，河流最大含沙量高达1570kg/m3，在中国北方是非常典型的高含沙河流，具有水沙异源的重要特征[10-11]。

　　泾河流域水资源的主要特点是水资源总量不足、时空分布极不均匀、汛期暴雨洪水集中。

　　通过1935-2005 年资料统计分析，5-9 月降水量占到年降水量的71%-87%，径流量占到年径流量的61.82%，洪水径流量占到年径流量的44.6%。流域人均水资源量仅为866m3/人，相当于全国平均水平的37.8%[12-13]。泾河流域中，用水量最大的是农业灌溉用水，1956-2004年张家山水文站以上流域农业灌溉用水平均为5.55 亿m3，工业用水量为0.68 亿m3，生活用水为0.38 亿m3，合计6.61 亿m3，占张家山站多年平均实测径流量17.69 亿m3 的37.37%，说明泾河流域水资源的开发利用已达到较高程度。随着流域环境演变和社会经济的快速发展，流域水资源短缺、供需矛盾、植被退化、环境污染、水土流失等问题日益突出，其中水资源短缺问题尤为突出，水污染进一步加剧了缺水形势，严重的水土流失又导致水沙关系恶化，在气候变化和人类活动的强烈影响下，汛期洪水弃水不确定性加大，造成防洪形势严峻，洪涝灾害严重，对洪水管理和水资源的开发利用造成极其不利的影响，制约了流域社会经济的可持续发展，影响西部大开发的进程。因此，准确有效地评价汛期洪水弃水量对流域可持续发展意义重大。

　　2.2 汛期弃水系数计算结果泾河流域张家山水文站(其地理位置如图2 所示)为流域的控制站，其控制面积为43216km2，占流域总面积的95.15%，该水文站1933-2001 年6-10 月的实测径流量、径流泥沙含量和河道引水量变化过程如图3 所示。

　　按以上提出的汛期洪水弃水系数计算方法，把泾惠渠灌区引水率序列X 和泾惠渠渠首径流泥沙含量序列Y 由小到大排列，各分为16 个等级，按这16 个等级对这两组序列进行统计并整理成上三角形形式，可获得如表4 所示的在不同径流泥沙含量等级和引水率等级下的月份数统计表。

　　表4 中各径流泥沙含量等级对角线所对应的引水率等级所对应的引水量表示在该种径流泥沙含量等级下可被控制的最大水量，如当径流泥沙含量等级为0.4%-2.4%时，此时对角线所对应的引水率等级为85%-90%，该断面处可控制的泾河水量最大可达到85%-90%，其余10%-15%的汛期水量就可认为是汛期弃水，因此，该泥沙含量等级下的汛期弃水系数等级可确定为10%-15%。依此类推，可确定出汛期弃水系数等级与引水率等级的对应关系，进而确定出汛期弃水系数等级与径流泥沙含量等级的对应关系，并把弃水系数等级和径流泥沙含量等级区间值转化成点值，如下表5 所示，依此可拟合汛期弃水系数(y)与径流泥沙含量(x)之间的函数关系y=0.0191x+0.1516 (R2=0.9738)。

　　2.3 泾河汛期洪水弃水量计算根据汛期弃水系数和径流泥沙含量关系计算出汛期弃水系数，把该弃水系数与对应月的天然径流量相乘即可求得该月汛期的弃水量，把当年汛期各月的汛期弃水量相加，即可获得全年汛期弃水量。如已知1957 年6-9 月泾惠渠渠首各月径流泥沙含量分别为1.24%、22.35%、4.01%和0.16%，当河道水资源利用的沙限为10%时，那么由于7 月份泥沙含量超过了水资源利用沙限10%，故该月弃水系数取为1，而6、8、9 三个月的弃水系数由汛期弃水系数和径流泥沙含量关系确定，分别为0.18、0.23、0.16，因而，弃水系数与对应月的天然径流量相乘可得6-9 月的汛期弃水量分别为0.20、4.64、0.23 和0.11 亿m3，故1957 年的汛期弃水量为0.20+4.64+0.23+0.11=5.19(亿m3)。其它年份的计算类似。计算所得的泾河多年平均(1957-2001 年)汛期弃水量为8.40 亿m3，占天然径流量的42.25%。

　　2.4 结果分析

　　2.4.1 传统方法计算结果用于计算汛期弃水量的传统方法为[14-16]：根据汛期用水消耗量确定出汛期控制利用洪水的最大水量，然后对长序列汛期水量进行逐年计算得出多年平均汛期弃水量。计算过程如下：

　　(1)计算各年汛期的用水消耗量把泾河泾惠渠渠首样本数据近10 年(1992-2001 年)6-9 月天然径流量和实测径流量相减，获得各年汛期的用水消耗量，如下表6 所示。

　　(2)确定汛期控制利用洪水的最大水量Wm选取上表计算的汛期用水消耗量的最大者为汛期控制利用洪水的最大水量。上表中1997 年值最大，为2.81 亿m3，经分析得知该年实际供用水量较正常合理，故选取2.81 亿m3 为汛期控制利用洪水的最大水量Wm。

　　(3)计算多年平均汛期洪水弃水量对泾惠渠渠首处的1957-2001 年汛期天然径流系列逐年计算汛期下泄水量，对汛期水量中大于Wm 的部分累加并求其平均值，结果即为多年平均汛期洪水弃水量，结果为7.91 亿m3。

　　2.4.2 结果比较与分析本研究提出的分级最大值法计算所得的汛期洪水弃水量是在河道水资源利用沙限为10%下的值，该值较传统方法的大0.49 亿m3。

　　从传统方法的计算过程可以看出，汛期难控制利用的洪水量的计算是利用近十年所能控制利用的最大洪水量对整个序列进行计算得出来的，人们所能控制利用的洪水量是一个定值，计算结果是以该定值为基础的，但是在以前或以后的时间里，能保证人们所能控制利用的最大洪水量不变吗?随着社会经济和科学技术的发展和工程非工程措施的实施，在整个时间序列里人们所能控制利用的最大洪水量不应该是一个定值，而应该是变化的，从这一点上看，传统方法的计算结果无法反映出水资源可利用量的动态性特征。分级最大值法计算所得的汛期弃水量是基于汛期径流泥沙含量和水资源利用率的关系得出来的，在来水的泥沙含量变化的情况下，汛期弃水量也随之发生变化，随着社会经济的发展和技术水平的提高，如果可以提高河道水资源利用的沙限值，那么将会减少汛期洪水弃水量，提高河道水资源可利用量，这是符合河道水资源可利用量的发展特点的。因此，认为分级最大值法的计算结果较为合理。

　　3 结论

　　本论文以北方干旱半干旱区径流特征和水资源开发利用均具有典型性的泾河流域为例，根据汛期径流量、径流泥沙含量和引水量之间内在的联系，提出确定汛期洪水弃水系数的新方法――分级最大值法，可以有效便捷地确定出不同沙限下的河道汛期洪水弃水量，通过与传统计算方法进行比较，结果表明本文提出的分级最大值法结果更为合理，为流域洪水资源开发利用以及评价提供参考。

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　　[参考文献]

　　[1] 王建生.水资源可利用量、开发利用潜力与承载能力[A].水资源及水环境承载能力学术研讨会论文集[C].

　　北京:中国水利水电出版社,2002.

　　[2] 钟华平,王建生,徐澎波,等.地表水资源可利用量计算原则[J].水利水电技术,2004,35(2):9-11.

　　[3] FISCHER G, TUBIELLO F N, VAN VELTHUIZEN H, et al. Climate change impacts on irrigation waterrequirement: effects of mitigation, 1990-2080 [J]. Technological Forecasting & Social Change, 2007, 74:1083-1107.

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