趙王河流域天然徑流量估算與水環(huán)境變化

王會樂，張道長 ，聶慶林

（1.聊城水文水資源勘測局，山東 聊城 252000；2.煙臺水文水資源勘測局，山東 煙臺 264000）

受全球氣候變化的影響，黃河的來水呈現(xiàn)出遞減趨勢。有研究指出，與1956—1979年水文系列相比，1980—2000年黃河天然徑流量減少了18%，預(yù)計到2020年及2030年黃河徑流量將繼續(xù)減少15～20億m3。東昌湖作為聊城市城區(qū)以黃河為補水水源的人工湖泊，年生態(tài)補水需求量約1 000萬m3，未來將可能出現(xiàn)“有指標(biāo)、無水量”，生態(tài)用水得不到保障的局面。有關(guān)專家建議開發(fā)趙王河作為未來向東昌湖生態(tài)補水的第二水源，為此對趙王河流域徑流量與水變化趨勢進行分析，以探討該方案的可能性。

1 流域概況

趙王河發(fā)源于山東省陽谷縣趙升白村，流經(jīng)陽谷縣東部，于孟屯東穿過位山三干渠，在朱老莊鄉(xiāng)四甲李村東入東昌府區(qū)境內(nèi)，與小運河在趙樓村北匯合，至四河頭入徒駭河。河流呈南北向，控制陽谷縣東部和東昌府區(qū)南部地區(qū)，全長50.9 km，流域面積692.5 km2，是徒駭河主要支流之一。

南水北調(diào)東線工程黃河以北輸水干線貫穿該流域，渠道擴挖利用小運河、趙王河24.2 km，與位山三干渠、徒駭河倒虹吸立交，一期工程設(shè)計輸水流量50 m3/s。

趙王河屬于雨源性河流，主要排泄流域內(nèi)雨洪澇水，多年平均年降水量568.6 mm。降水特點：年際間豐、枯懸殊，最大年（1953年）降水量999 mm，最小年（2002年）降水量僅296.6 mm；年內(nèi)分布不均，6—9月降水量405.9 mm，占年降水的71.4%，且一般由幾次大暴雨形成。歷史上豐枯水年不僅交替出現(xiàn)，而且曾發(fā)生連續(xù)豐水或枯水年，呈現(xiàn)春季易旱、夏季易澇、晚秋又旱的自然特點。

趙王河主要排泄本流域雨洪徑流，汛后或春灌期間通過趙升白閘、張秋閘接納部分金堤河尾水，本水資源量分析僅限于流域內(nèi)雨洪徑流。

2 趙王河徑流量分析

趙王河來水量多少主要取決于流域內(nèi)降水量豐枯狀況。因流域內(nèi)沒有設(shè)置水文站，徑流量分析利用區(qū)域降雨-徑流量關(guān)系，采用區(qū)域年徑流系數(shù)和年徑流深等值線兩種方法推算。

2.1 利用區(qū)域年徑流系數(shù)推求徑流量

趙王河流域地處位山灌區(qū)，河網(wǎng)密度高，地下水埋深1～3 m，流域來水量分析首先根據(jù)流域內(nèi)實測降水量資料，分析不同保證率下年降水量，再依據(jù)分析區(qū)所在徒駭河流域的年降水量與徑流量實測資料，分析流域年徑流系數(shù)，并將成果應(yīng)用于設(shè)計流域推求不同水平年水資源量。

1）趙王河流域降水量分析。為分析流域不同保證率年降水量，選取流域內(nèi)具有代表性的陽谷、壽張、安樂鎮(zhèn)、聊城等雨量站，資料采用1953—2010年共58年系列。根據(jù)流域內(nèi)所選定的雨量站，用算術(shù)平均法計算面平均年雨量，組成1953—2010年降水量樣本系列，進行頻率計算。用矩法初估統(tǒng)計參數(shù)、Cv，取Cs=2Cv，采用皮爾遜Ⅲ型曲線進行適線，適線時既照顧到整個點群的分布，又側(cè)重中下部平、枯水年份雨量點據(jù)，求得流域不同水平年的設(shè)計面平均雨量。不同保證率設(shè)計年雨量成果見表1。

表1 年降水量設(shè)計成果表

2）趙王河流域徑流量分析。根據(jù)趙王河所在徒駭河流域氣候特點和下墊面條件，結(jié)合不同水平年設(shè)計年降水量，選取不同的年徑流系數(shù)，推求不同降水保證率年份區(qū)域徑流量。年徑流系數(shù)的選取，采用2005年聊城市水資源調(diào)查評價區(qū)域徑流量還原計算成果，由相應(yīng)降水量級實際年降水量與對應(yīng)年份徑流量分析確定，不同保證率年徑流系數(shù)采用與設(shè)計降水量接近的多個年份徑流系數(shù)均值，20%豐水年徑流系數(shù)0.076，50%平水年徑流系數(shù)0.057，75%枯水年徑流系數(shù)0.030，95%的特枯水年徑流系數(shù)0.005 2，計算不同水平年流域年徑流量見表2。

表2 年徑流量設(shè)計成果表

2.2 采用年徑流量等值線分析

綜合山東省水文圖集、聊城市水資源可持續(xù)利用規(guī)劃分析的年徑流量等值線圖，查圖得到趙王河流域多年平均徑流量（深）x=45 mm，變差系數(shù)Cv=1.20，取 Cs=2Cv，則保證率 20%豐水年,Kp=1.65；50%平水年,Kp=0.58；75%枯水年,Kp=0.18，流域面積692.5 km2，由式

式中：W為徑流量，萬m3；x為多年平均徑流深，mm；F 為流域面積，km2。

計算不同保證率年徑流量見表3。

表3 年徑流量分析成果表

2.3 流域徑流量推算成果分析

趙王河流域年徑流量具有年際變化大、連豐或連枯及豐枯交替等特點，年內(nèi)分配嚴(yán)重不均，徑流量的90%以上集中在汛期4～5個月內(nèi)，給徑流量的攔蓄利用帶來較大困難。由于年徑流量的大小除受降水量、蒸發(fā)量等氣象因素影響外，還受地表植被情況、土壤類別、地下水埋深等諸多下墊面因素的影響，準(zhǔn)確分析流域年徑流量難度較大。特別是缺乏實測流量資料條件下的徑流量分析，因降水量及其時空分布的隨機性和下墊面情況的復(fù)雜性，分析所得成果與實際可能出現(xiàn)偏差。本次采用流域年徑流系數(shù)法與等值線法推算成果進行對比，見表4。

表4 年徑流量分析成果比較對照表

對比兩種徑流量分析方法，徑流量等值線法是無資料地區(qū)年徑流量分析通常采用的基本方法，理論上比較成熟，但年徑流量（深）等值線、變差系數(shù)Cv等值線圖繪制建立在較大尺度流域降雨徑流關(guān)系基礎(chǔ)之上，應(yīng)用于小流域精度不高。其次，山東省年徑流量（深）、變差系數(shù)Cv等值線圖系采用1980年以前的資料分析得到，資料系列較短，且30年后現(xiàn)狀下墊面條件已發(fā)生較大變化，等值線圖應(yīng)用于現(xiàn)狀推求徑流量，影響分析成果可靠性。本次該方法推算結(jié)果僅用于對比分析。

相比較而言，年徑流系數(shù)法建立在設(shè)計流域?qū)崪y降水量資料基礎(chǔ)之上，年徑流系數(shù)直接由設(shè)計流域所在區(qū)域?qū)崪y流量資料、降水量資料分析確定，不同頻率年徑流系數(shù)采用與設(shè)計降水量接近的多個年份徑流系數(shù)均值，消除了降水時空分布差異對產(chǎn)流的影響，比較符合流域降雨徑流關(guān)系實際情況，分析方法具有合理性。

兩種方法設(shè)計徑流量分析結(jié)果顯示，20%豐水年、95%的特枯水年徑流量分析成果差別較大，50%平水年與75%的枯水年徑流量分析成果較為接近，綜合考慮兩種分析方法的合理性，認(rèn)為采用年徑流系數(shù)法徑流量分析成果，更具可靠性。

3 趙王河水質(zhì)現(xiàn)狀及變化趨勢

趙王河流域來水以流域內(nèi)雨洪徑流為主，除少量農(nóng)村生活污水、農(nóng)藥化肥殘留外，沒有工業(yè)污廢水排入，因此豐水期河流水質(zhì)以Ⅳ類或優(yōu)于Ⅳ類地表水水質(zhì)為主；枯水期當(dāng)?shù)貜搅髁亢苌?，來水以接納的金堤河尾水為主，水質(zhì)的優(yōu)劣取決于金堤河尾水的水質(zhì)狀況。

根據(jù)聊城市水環(huán)境監(jiān)測中心2003—2011年趙王河代表斷面水質(zhì)監(jiān)測資料分析，7—10月豐平水年份河流水質(zhì)一般為Ⅳ類或Ⅲ類水質(zhì)，枯水年份為Ⅴ類或輕度劣Ⅴ類水質(zhì)；11月—次年6月河流水質(zhì)受金堤河水質(zhì)影響波動較大。

趙王河2003—2011年豐、枯水期河流水質(zhì)狀況，見表 5、表 6。

表5 代表河段枯水期主要污染物超標(biāo)情況 mg/L

表6 代表河段豐水期主要污染物超標(biāo)情況 mg/L

從表5、表6可以看出，主要污染物超標(biāo)倍數(shù)2007年以前起伏變化較大，以后超標(biāo)倍數(shù)呈現(xiàn)逐年遞減趨勢，至2011年各類污染物含量趨于達(dá)標(biāo)，水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類或Ⅲ類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。河流主要污染物變化趨勢見圖1、圖2。

趙王河水環(huán)境質(zhì)量明顯改善，與南水北調(diào)東線配套工程實施關(guān)系密切。為保障調(diào)水工程沿線水質(zhì)不受污染，流域內(nèi)與工程配套建設(shè)的截污導(dǎo)流工程已經(jīng)建成運行，原導(dǎo)致河流污染的金堤河尾水自2011年起不再排入趙王河，客觀上保障了趙王河水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類或Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

從趙王河水天然徑流量分析成果來看，20%豐水年和50%平水年河道徑流量分別為3 597萬m3、2 180萬m3，具有向東昌湖年生態(tài)補水1 000萬m3的基礎(chǔ)條件；75%枯水年和95%的特枯水年徑流量分別為956萬m3、125萬m3，可部分解決東昌湖生態(tài)補水問題。南水北調(diào)配套工程的實施，改善了趙王河水環(huán)境質(zhì)量，2011年河流水體各類污染物含量趨于達(dá)標(biāo)，水體達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足向東昌湖生態(tài)補水水質(zhì)要求。鑒于趙王河徑流量主要集中在汛期7—9月份，可利用量受諸多因素影響，建議結(jié)合建設(shè)配套蓄水工程，對不同保證率年份可補水量進行更加細(xì)致的研究。