基于降水徑流原理的北河可供水資源量分析

夏衛(wèi)兵，華 晨，胡尊樂，張鼎城，胡斯瑋

(1.溧陽市水利局，江蘇 常州 213300；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局常州分局，江蘇 常州 213022)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)和城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，溧陽市區(qū)域水質(zhì)型缺水現(xiàn)象的加劇，溧陽市對(duì)河湖庫的水資源需求越來越迫切。境內(nèi)包括北河在內(nèi)的南河水系，是貫穿溧陽市東西部的重要河流，更是溧陽市重要的供水源地，在保障溧陽市水資源需求，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面發(fā)揮了越來越重要的作用。北河位于溧陽市西北部丘陵山區(qū)，是溧陽市以南渡鎮(zhèn)為核心的西北片區(qū)重要的供水源地，在減輕下游地區(qū)防洪壓力的同時(shí)，在灌溉、工業(yè)供水、航運(yùn)以及推動(dòng)南渡、上興等鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等方面發(fā)揮了重大作用，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，開展北河的可供水量分析，為溧陽市西北片區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供技術(shù)支撐也是必然[1-3]。

本文根據(jù)北河水系歷史實(shí)測(cè)流量資料，利用降水徑流原理計(jì)算和還原北河1978—2019年逐月徑流量過程，進(jìn)而分析北河在一定供水工況(不同的降水年型)、供水要求(不同的供水對(duì)象)下的最大可供水量，為區(qū)域水資源的開發(fā)利用提供了技術(shù)支撐。本文所提供的思路與方法也為分析和計(jì)算類似區(qū)域的可供水資源量提供參考。

1 北河基本情況

1.1 河道水文情勢(shì)

北河屬南河水系，是太湖流域湖西引排骨干工程之一。該河與南河、中河共同承泄南河地區(qū)上游西北部、西部和南部山丘區(qū)洪水，攔截西北部茅山山區(qū)洪水進(jìn)入洮湖(長(zhǎng)蕩湖)，是溧陽市北山地區(qū)重要引排、通航骨干河道，西起上沛鎮(zhèn)東塘橋三叉河，流經(jīng)南渡、前馬、綢繆、別橋四鎮(zhèn)東至黃泥港入洮湖，全長(zhǎng)26.45 km，匯水面積343.3 km2。

北河上接上興河和上沛河，主要承接上游降水徑流。汛期受上游影響暴雨徑流影響，北河易出現(xiàn)明顯的洪水過程，水位表現(xiàn)為陡漲陡落(最大實(shí)測(cè)流量為183 m3/s，2016年7月3日)。而在枯水季節(jié)，水位變化平緩，略受丹金溧漕河溯水影響，北河主要供沿線工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水需要，當(dāng)上游匯水范圍內(nèi)的來水量不能滿足河道用水需求時(shí)，可從下游丹金溧漕河補(bǔ)充水源，此時(shí)水位流量變化與丹金溧漕河基本一致。

1.2 供水現(xiàn)狀

北河上游用水量主要分為農(nóng)業(yè)灌溉用水、工業(yè)用水和生態(tài)用水。

(1)上游農(nóng)業(yè)用水量

北河上游匯水區(qū)域內(nèi)主要用水是農(nóng)業(yè)灌溉用水，林牧漁業(yè)和生活用水較少，多年平均農(nóng)業(yè)用水量為1 815.7萬m3，最大農(nóng)業(yè)用水量為1978年的4 107.3萬m3(理論推算值)，最小農(nóng)業(yè)用水量為2016年的353.1萬m3，農(nóng)業(yè)用水主要集中在5—9月。顯然，農(nóng)業(yè)用水量大小與降水年份關(guān)系密切。

(2)北河工業(yè)用水量

北河南渡(施)站附近共有3個(gè)工業(yè)取水口：江蘇弘博熱電有限公司取水口、江蘇新旺混凝土有限公司取水口、江蘇福泰建材有限公司取水口，其取水規(guī)模分別為：275萬m3/a、1.7萬m3/a、5萬m3/a。其中，江蘇弘博熱電有限公司取水口在南渡(施)站上游，另兩個(gè)取水口位于南渡(施)站下游。因此，南渡(施)站以上工業(yè)取水量為275萬m3/a。

(3)生態(tài)用水

生態(tài)用水是指在特定的時(shí)空范圍內(nèi)，維持各類生態(tài)系統(tǒng)正常發(fā)育與相對(duì)穩(wěn)定所必需消耗的、不作為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)用水的、現(xiàn)存的水資源。經(jīng)分析計(jì)算，北河年生態(tài)需水量為972.6 m3，月平均生態(tài)需水量為81.0 m3。

2 技術(shù)路線

本文的主要目的在于分析北河在一定供水工況(不同的降水年型)、供水要求(不同的供水對(duì)象)下的最大可供水量。主要技術(shù)路線與工作內(nèi)容包括：

(1)根據(jù)北河水系實(shí)測(cè)流量資料，利用降水徑流原理計(jì)算和還原北河1978—2019年逐月徑流量過程。

(2)根據(jù)皮爾遜III型曲線，對(duì)北河的年徑流量進(jìn)行頻率計(jì)算，得出相應(yīng)年份的徑流量，并對(duì)北河年徑流量的特性(年際變化趨勢(shì)，年內(nèi)分配不均勻性)進(jìn)行分析。

(3)根據(jù)北河的歷史與現(xiàn)狀供水，計(jì)算和分析北河水系不同降水年份的用水量(農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水量)，按月計(jì)算和分析北河的可供水量。

(4)根據(jù)丹金溧漕河實(shí)測(cè)流量資料，計(jì)算丹金溧漕河對(duì)北河的供水能力。

(5)根據(jù)北河的可供水量調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果，確定相應(yīng)的供水保證率和相應(yīng)的可供水量，并評(píng)估對(duì)北河防汛防旱的影響，得出北河較優(yōu)的供水方案和相應(yīng)的水利工程建設(shè)建議。

3 降水徑流原理

正常情況下，一定的降雨會(huì)產(chǎn)生地表徑流。為了便于計(jì)算和使用，水文部門一般將降水量、產(chǎn)流量及其主要影響因素，通過一定的相關(guān)曲線或數(shù)學(xué)公式來表達(dá)降水徑流之間的關(guān)系。1959—1965年期間，江蘇省水文部門陸續(xù)編制《江蘇省水文手冊(cè)》和《江蘇省水文計(jì)算參考資料》。1976年，江蘇省水文總站在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用了更多的水文資料(截至1974年)，并吸取了手冊(cè)的若干應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，重新編制了《江蘇省水文手冊(cè)》，主要包括各種水文特征值的等值線圖、分區(qū)成果表、關(guān)系曲線、計(jì)算公式及簡(jiǎn)要的計(jì)算、方法等，可為水利工程技術(shù)人員、農(nóng)業(yè)科技人員、公路橋梁設(shè)計(jì)人員等提供水文計(jì)算方面的參考，也可為水利工程的設(shè)計(jì)和農(nóng)田水利規(guī)劃等提供特定的水文數(shù)據(jù)。其中，也收錄了江蘇省太湖流域湖西山丘區(qū)的降水徑流關(guān)系。

4 可供水量分析

4.1 北河來水量

為了便于計(jì)算，本文根據(jù)北河流域范圍內(nèi)東岳廟和上沛雨量站月降雨資料，采用算術(shù)平均法計(jì)算北河水系的面平均月降水量，得出北河上游的月來水量。北河多年平均年徑流量為6 484萬m3，產(chǎn)水模數(shù)為33.8 m3/km2，產(chǎn)流系數(shù)為0.29。相比降水量而言，年際變化更大，變差系數(shù)為0.58，最大年徑流量為2016年的21 944萬m3，最小年徑流量為1978年的830.0萬m3，前者是后者的26.4倍。年內(nèi)分配與降水量年內(nèi)分配比較相似，也不均勻，5—9月徑流量為5 056萬m3，約占全年徑流量的78.0%，最大月產(chǎn)流量為1999年6月的7 141萬m3。

4.2 水量平衡分析

本文根據(jù)水量平衡原理，推算北河的可供水量：

W可供水量=W北河來水-W農(nóng)業(yè)取水-W上游工業(yè)取水-W生態(tài)用水

其中：W可供水量為北河來水減去農(nóng)業(yè)用水、上游工業(yè)取水量和生態(tài)用水之差(萬m3)；W北河來水為南渡(施)站上游北河集水范圍內(nèi)的降雨徑流(萬m3)；W農(nóng)業(yè)用水為南渡(施)站上游區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)用水(萬m3)。農(nóng)業(yè)用水量?jī)H計(jì)算水稻田和菜田的灌溉用水量。在不同降水年份下，農(nóng)業(yè)用水略有變化。根據(jù)溧陽農(nóng)作物灌溉制度，灌溉時(shí)段為5—9月灌溉用水分配比例為5%，30%，20%，25%，20%；W上游取水為南渡(施)站上游其他工業(yè)取水量(萬m3)；W生態(tài)用水為南渡(施)站上游生態(tài)用水量(萬m3)。

根據(jù)水量平衡原理，南渡(施)站處北河可供水量應(yīng)為上游區(qū)域內(nèi)的來水量與上游農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)取水量及生態(tài)用水之和的差，從而推算不同年份余水量情況：1978—2019年間，其中上游余水量小于0的月份共計(jì)有179個(gè)，占總月份的36%；汛期共計(jì)有210個(gè)月，其中上游余水量小于0的月份共計(jì)有92個(gè)，占汛期總月份的44%。汛期主要受農(nóng)業(yè)取水影響，非汛期主要受降水量不足影響，導(dǎo)致上游來水量不足，需依靠下游丹金溧漕河補(bǔ)給(北河出現(xiàn)逆流)。

4.3 補(bǔ)水分析

上述計(jì)算說明，北河部分月份存在來水量不足的問題，需要丹金溧漕河來水補(bǔ)充。根據(jù)實(shí)測(cè)降水資料，本文選取平水年為2012年(P=50%)，枯水年為2019年(P=75%)，特枯年為1997年(P=75%)。將北河上游余水量、下游來水量、下游用水量以及丹金溧漕河可供水量代入各典型年計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，在考慮丹金溧漕河過水能力增強(qiáng)的狀況下，平水年北河總余水量由17 293.9萬m3增加到了19 105.7萬m3，月最小余水量由378.4萬m3增加到了482.5萬m3；特殊干旱年北河總余水量由16 331.4萬m3增加到了18 574.4萬m3，月最小余水量由698.8萬m3增加到了947.8萬m3。

5 結(jié) 語

(1)北河多年平均年徑流量為6 484萬m3，產(chǎn)水模數(shù)為33.8 m3/km2，產(chǎn)流系數(shù)為0.29。相比降水量而言，年際變化更大，變差系數(shù)為0.58，最大年徑流量為2016年的21 944萬m3，最小年徑流量為1978年的830萬m3，前者是后者的26.4倍。年內(nèi)分配與降水量年內(nèi)分配比較相似，也不均勻，5—9月徑流量為5 056萬m3，約占全年徑流量的78.0%。

(2)北河沿線用水以農(nóng)業(yè)用水為主，用水主要集中在5—9月，多年平均農(nóng)業(yè)用水量年為1 815.7萬m3，最大農(nóng)業(yè)用水量為1978年的4 107.3萬m3，最小農(nóng)業(yè)用水量為2016年的353.1萬m3。工業(yè)用水為輔(年用水量為275萬m3)，總體取用水量較大，建議加強(qiáng)北河沿線工農(nóng)業(yè)用水管理，提高農(nóng)業(yè)灌溉效率和工業(yè)用水效率，增加北河的可供水量。

(3)僅考慮上游來水情況下，1978—2019年間，北河上游余水量小于0的月份共計(jì)有179個(gè)，占總月份的36%；汛期上游余水量小于0的月份共計(jì)有92個(gè)，占汛期總月份的44%。汛期余水量不足，主要受農(nóng)業(yè)取水影響，非汛期余水量不足主要受降雨稀少影響。考慮丹金溧漕河的補(bǔ)水能力，北河各典型年余水量均充足：多年平均月最小余水量發(fā)生在2月，為848.8萬m3；平水年(2012年)月最小余水量發(fā)生在9月，為482.5萬m3；中等干旱年(2019年)月最小余水量發(fā)生在9月，為450.7萬m3；特殊干旱年(1997年)月最小余水量發(fā)生在6月，為947.8萬m3。建議繼續(xù)拓浚北河水系，進(jìn)一步增加北河過水能力，疏浚相關(guān)河道，加強(qiáng)北河和中河、南河之間的溝通。