衡水湖水位影響因子機(jī)理分析與預(yù)測預(yù)警研究

王永亮

（河北省衡水水文水資源勘測局，河北 衡水053000）

衡水湖位于河北省東南部的桃城區(qū)和冀州區(qū)之間，坐標(biāo)范圍為東經(jīng)115°27′50″～115°42′51″，北緯37°31′40″～37°41′56″， 地處華北最缺水的干旱地區(qū)，是華北平原典型的淡水湖濕地之一， 也是衡水重要的水資源地，對(duì)區(qū)域內(nèi)防洪抗旱、調(diào)節(jié)氣候、降解環(huán)境污染及工農(nóng)業(yè)用水，發(fā)揮著重要作用［1］。 目前衡水湖濕地存在生態(tài)水量短缺、湖區(qū)滯澇能力偏低、湖區(qū)淤積與底泥污染、入湖河道過流能力不足、湖區(qū)內(nèi)村莊排污污染水質(zhì)等問題［2］。 為能持續(xù)長久地實(shí)現(xiàn)上述功能，本文研究在衡水湖漂浮蒸發(fā)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有監(jiān)測和調(diào)查資料，建立水位動(dòng)態(tài)預(yù)測模型，進(jìn)行水位預(yù)測預(yù)警， 對(duì)保護(hù)濕地資源和保障城鎮(zhèn)安全供水、開發(fā)利用湖面資源及維護(hù)湖區(qū)長期蓄水，對(duì)避免周邊生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)新的問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

衡水湖泊面積75km2，設(shè)計(jì)蓄水位21.00m，相應(yīng)蓄水量1.88億m3，以人工隔堤為界，將湖區(qū)分為東、西兩個(gè)湖區(qū)，東湖面積42.5km2，湖底高程18.00m，設(shè)計(jì)蓄 水 量1.23 億m3； 西 湖 面 積32.5km2， 湖 底 高 程19.00m，設(shè)計(jì)蓄水量0.65億m3［3］。 其中東湖又分大、小兩湖， 北部東大湖面積32.4km2， 南部東小湖面積10.1km2，目前只有東湖常年蓄水，現(xiàn)狀主要水源是衛(wèi)運(yùn)河、滏陽新河、滏東排河及汛期本流域的澇水和引黃河水。 本文以北部東大湖面積32.4km2作為研究水量平衡的區(qū)域。

2 資料監(jiān)測與收集

蒸發(fā)資料： 為了得到大水體在自然環(huán)境下的真實(shí)水面蒸發(fā)量，2018年7月建立了漂浮水面蒸發(fā)站，收集了2018年8月～2019年7月漂浮E601型蒸發(fā)器資料；同時(shí)收集到衡水水文實(shí)驗(yàn)站1985年1月～2019年7月不同型號(hào)蒸發(fā)器的蒸發(fā)量及氣象觀測資料。

其他水文資料： 收集到衡水湖水文站1994年1月～2019年7月水位資料；衡水湖站、冀州站、巨鹿站3站1974～2018年降水量資料；衡水湖站、王口閘站、南關(guān)閘站2003～2018年徑流量資料；衡水湖電廠取水口2003～2018年用水量資料。

3 衡水湖水位變化特征

近年來受人為蓄水影響， 衡水湖水位呈上升趨勢，1994～2017年系列多年平均水位為19.90m； 最高年均水位出現(xiàn)在2017年為20.51m； 最低年均水位出現(xiàn)在1994年為18.67m［4］；衡水湖年內(nèi)水位因受蒸發(fā)、滲漏、工農(nóng)業(yè)用水和人為蓄水影響，呈下降趨勢，春季水位最高、秋季最低。衡水湖逐月水位過程線如圖1。

圖1 衡水湖逐月水位過程線

4 影響水位變化因子分析

4.1 水面蒸發(fā)量

水庫（湖泊）水面蒸發(fā)量的數(shù)值正確與否，直接影響到水資源利用和水利水電工程的效益［5］。 漂浮蒸發(fā)器雖處于自然大水體中， 但因器內(nèi)水體仍與自然水體隔開，加上漂浮筏體的影響，所測蒸發(fā)量不能直接作為自然水體的蒸發(fā)量。因此，湖泊自然大水體蒸發(fā)量應(yīng)為漂浮E601型蒸發(fā)器蒸發(fā)量扣除暴雨濺水量和器壁耗水量后訂正而得［6］。

利用衡水湖和相距17.7km的衡水水文實(shí)驗(yàn)站蒸發(fā)資料，從氣溫、1.5m風(fēng)速、水溫3個(gè)方面對(duì)兩站氣象因子進(jìn)行分對(duì)照， 分析了漂浮E601型蒸發(fā)器分別與20m2蒸發(fā)池蒸發(fā)量、E601型蒸發(fā)器蒸發(fā)量、20cm口徑蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關(guān)性， 相關(guān)系數(shù)分別為0.979，0.977，0.947， 因此本文采用相關(guān)系數(shù)較好的20m2蒸發(fā)器蒸發(fā)量對(duì)漂浮E601型蒸發(fā)器蒸發(fā)量的資料進(jìn)行系列延長。 折算系數(shù)如表1。

表1 20m2蒸發(fā)器與漂浮E601型蒸發(fā)器折算系數(shù)

根據(jù)折算系數(shù)， 計(jì)算出2003～2018年逐月漂浮E601蒸發(fā)量，與同時(shí)段衡水湖水面面積相乘，得出衡水湖多年平均水面蒸發(fā)量為2895萬m3。 水面蒸發(fā)量隨季節(jié)變化而變化，其年內(nèi)分配有著很大的差異［7］。 年內(nèi)變化規(guī)律表現(xiàn)為：冰期（12月至次年2月）多年平均蒸發(fā)量相應(yīng)較小為216萬m3， 占多年年均蒸發(fā)量的7.5%；進(jìn)入春灌用水期（3～5月），蒸發(fā)量急劇增大，多年平均蒸發(fā)量為903.6萬m3， 占多年年均蒸發(fā)量的31.2%；進(jìn)入汛期6月份，初夏時(shí)期內(nèi)，氣候干燥多風(fēng)且日照充足，飽和水氣壓差相應(yīng)增大，蒸發(fā)量達(dá)到全年最大為447.1萬m3；而到了7、8月份，雖然氣溫依然很高，但隨著降水的增多，濕度增加，飽和水氣壓差減少，從而導(dǎo)致蒸發(fā)量逐漸減少，汛期（6～9月）多年平均蒸發(fā)量1460.3 萬m3， 占多年年均蒸發(fā)量的50.4%；汛后（10～11月），蒸發(fā)量平穩(wěn)回落，多年平均蒸發(fā)量315.3萬m3，占年均蒸發(fā)量的10.9%。 衡水湖多年平均水面蒸發(fā)量年內(nèi)月分配比例如圖2。

圖2 衡水湖多年平均水面蒸發(fā)量年內(nèi)月分配比例

4.2 入湖徑流量

由于流域內(nèi)水資源不足， 衡水湖成為依靠人工調(diào)水來保證蓄水的湖泊。多年來，衡水湖水源主要有黃河水、岳城水庫水、衛(wèi)運(yùn)河水，靠“衛(wèi)千引水”“引黃入冀”工程來引蓄水量，經(jīng)計(jì)算衡水湖多年平均引水量為5147.5萬m3，隨著地下水的壓采和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的高度重視，衡水湖近年來引水量呈增加趨勢，引水時(shí)機(jī)也由原來的冬季定時(shí)引水， 變?yōu)殡S著湖內(nèi)水位變化不定期引水。

4.3 出湖徑流量

衡水湖北岸大趙退水閘為衡水湖水文站基本監(jiān)測斷面，從1978年建站至今一直監(jiān)測泄水量；其中對(duì)2015年6月王口閘向鹽河故道泄水量232.1萬m3進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，從每年統(tǒng)計(jì)情況看，由于衡水湖湖內(nèi)本身水量就不足， 其下泄量很少， 近幾年中只有2015年和2017年進(jìn)行了下泄，其余年份均未進(jìn)行下泄。

4.4 工業(yè)用水量

衡水湖工業(yè)用水量主要為衡水電廠用水， 每年用水量相差不大，各月用水量呈季節(jié)性變化，夏季用水量最多，冬季用水量較少，與用電量呈正比，經(jīng)計(jì)算多年平均用水量為1531.6萬m3。

4.5 降水量

利用衡水湖邊際成三角狀的衡水湖站、冀州站、巨鹿站3站降水量資料，采用算術(shù)平均法計(jì)算區(qū)域面平均降水量， 然后根據(jù)衡水湖月均水位所對(duì)應(yīng)的水面面積，計(jì)算降落在湖面的降水量，經(jīng)計(jì)算衡水湖水面多年平均降水量為1411.4萬m3。 其中汛期6～9月多年平均水面降水量為989.2萬m3， 占全年降水量的70%。

4.6 蓄水變量

衡水湖蓄水變量為次月1日8時(shí)與當(dāng)月1日8時(shí)的水位相應(yīng)的蓄水量差值，增加為正值，減少為負(fù)值，由于各月蓄水變量與人為蓄水量、工農(nóng)業(yè)用水量、降水量等因素有關(guān)，造成每月蓄水變量不等，經(jīng)計(jì)算衡水湖多年平均蓄變量為679.9萬m3。

4.7 滲漏量

利用Mann-Kendall法對(duì)1994～2018年衡水湖歷年水位數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)； 在受人類影響的現(xiàn)狀條件下， 對(duì)影響衡水湖水位變化的工業(yè)用水量、降水量、蒸發(fā)量、蓄水變量、入出湖徑流量因子進(jìn)行分析， 創(chuàng)建了氣象因子為參數(shù)的衡水湖月均水位與滲漏量的相關(guān)關(guān)系，如圖3，圖4，建立了平原湖泊滲漏量的計(jì)算公式：Ws=47.19×Z-837.3（適用3～10月）；Ws=17.65×Z-304.1（適用11～2月）。 由公式計(jì)算出， 衡水湖多年平均年滲漏量為1109.8萬m3，其中最小月份滲漏量為11月份的48.2萬m3、最大月份為3月份的123.2萬m3。根據(jù)衡水湖逐月滲漏量和逐月平均水面面積， 計(jì)算得衡水湖多年平均單位面積滲漏量為37.5萬m3/（km2·a）。

圖3 3～10月衡水湖月均水位與滲漏量相關(guān)

圖4 11～次年2月衡水湖月均水位與滲漏量相關(guān)

4.8 農(nóng)業(yè)灌溉及其他用水量

農(nóng)業(yè)灌溉及其他用水量主要包括農(nóng)業(yè)灌溉及西湖池塘用水量、降水后坡地匯流及未控入湖量。 各月水量變化受有效降水影響，通過資料分析和調(diào)查得衡水湖農(nóng)業(yè)灌溉及其他水量多年平均為1090.6萬m3。

5 水位預(yù)測預(yù)警研究

5.1 降水豐平枯分析

降水一般可看作是獨(dú)立的隨機(jī)變量，故本次豐、平、枯水年的劃分采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行分析。將研究區(qū)內(nèi)衡水湖、 冀州、 巨鹿3個(gè)降水量站45年（1974～2018年）整編后的成果，采用算術(shù)平均法計(jì)算系列面平均年降水量， 然后對(duì)面平均年降水量系列進(jìn)行頻率計(jì)算，利用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行配線。經(jīng)適線調(diào)整確定，1974～2018年多平均降水量為464.5mm；頻率P =20% 50% 75% 對(duì)應(yīng)的降水量分別為566.0，454.4，375.4mm，分別作為豐、平、枯水年的設(shè)計(jì)值。 衡水湖年均降水量頻率計(jì)算成果如表2。

表2 衡水湖年均降水量頻率計(jì)算成果

5.2 典型年的確定

目前常用的方法是先從實(shí)測年、 月降水量資料中，按一定原則選擇代表年，然后依據(jù)代表年的月降水量過程，將設(shè)計(jì)年降水量按一定方法進(jìn)行縮放，求得所需的設(shè)計(jì)年降水量的月分配［8］。 代表年的選擇除了要求年降水量接近設(shè)計(jì)年保證率的年降水量，同時(shí)要求其月分配對(duì)農(nóng)業(yè)、生態(tài)需水和徑流調(diào)節(jié)等也較不利［9］。

年內(nèi)分配計(jì)算采用同倍比法， 用設(shè)計(jì)年降水量與代表年的年降水量的比值， 對(duì)整個(gè)代表年的月分配進(jìn)行縮放，分別求得豐、平、枯3種年型的設(shè)計(jì)年內(nèi)分配，計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 衡水湖設(shè)計(jì)年降水量月分配計(jì)算

5.3 不同典型年降水量與灌溉及其他水量關(guān)系分析

依據(jù)2003～2018年共16年降水量和灌溉及其他水量系列資料進(jìn)行相關(guān)分析， 可以看出隨著降水量的變化，農(nóng)業(yè)灌溉用水量變化差異較大。降水量大的年份，灌溉及其他水量減??；降水量小的年份，灌溉及其他水量增大， 說明降水量和灌溉及其他水量關(guān)系較密切，如圖5。

圖5 降水量與灌溉及其他水量相關(guān)分析

根據(jù)降水量豐、平、枯水年的設(shè)計(jì)值，利用降水量與灌溉及其他水量相關(guān)公式， 推算P=20%，50%，75%設(shè)計(jì)年灌溉及其他水量分別為529.5萬，1063.3萬，1368.0萬m3。設(shè)計(jì)年內(nèi)分配，同樣選擇典型年，然后用同倍比法進(jìn)行縮放求得，如表4。

表4 衡水湖設(shè)計(jì)年灌溉及其他水量月分配計(jì)算

5.4 水位動(dòng)態(tài)模擬分析及驗(yàn)證

5.4.1 水位動(dòng)態(tài)模擬分析

根據(jù)水量平衡原理對(duì)衡水湖水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，將入出衡水湖的徑流量、工農(nóng)業(yè)及其他水量、滲漏量、降水量、蒸發(fā)量折算成相應(yīng)的水位高度與初始水位建立平衡關(guān)系，推求設(shè)計(jì)年時(shí)段末水位，計(jì)算公式如下：

式中 Z末為設(shè)計(jì)年時(shí)段末水位 （m）；Z初為初始時(shí)水位（m）；HQ入為時(shí)段內(nèi)引水量（萬m3）；HQ出為時(shí)段內(nèi)出湖水量（萬m3）；H工業(yè)為時(shí)段內(nèi)工業(yè)取水量（萬m3）；H農(nóng)灌及其他為時(shí)段內(nèi)農(nóng)灌及其他用水量（萬m3），根據(jù)豐平枯水年分別采用不同頻率設(shè)計(jì)值；H滲漏為時(shí)段內(nèi)滲漏水量（萬m3），計(jì)算3月至10月滲漏量時(shí)，采用公式：Ws=47.19×Z-837.3推求； 計(jì)算11月至2月滲漏量時(shí)，采用公式：Ws=17.65×Z-304.1推求；A為相應(yīng)湖面面積 （km2）；P為時(shí)段內(nèi)降落在湖面內(nèi)的水量（mm），根據(jù)豐平枯水年分別采用不同頻率設(shè)計(jì)值；E為單位時(shí)段內(nèi)水體蒸發(fā)量（mm），因蒸發(fā)量年際變化相對(duì)較小，與降水關(guān)系不大，采用系列平均值計(jì)算。

5.4.2 模擬驗(yàn)證

根據(jù)水位動(dòng)態(tài)模型分別對(duì)2013，2017，2018年豐平枯代表年逐月水位進(jìn)行模擬驗(yàn)證，如表5。根據(jù)GB/T22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行精度評(píng)定， 按規(guī)范要求預(yù)報(bào)許可誤差采用預(yù)見期內(nèi)實(shí)測變幅的20%，經(jīng)模擬驗(yàn)證豐、平、枯水平年合格率分別為91.7%，100%，83.3%，預(yù)報(bào)精度除枯水年為乙級(jí)外，其余水平年均為甲級(jí)。 按照規(guī)范要求，當(dāng)一個(gè)預(yù)報(bào)方案包括多個(gè)預(yù)報(bào)項(xiàng)目時(shí)， 預(yù)報(bào)方案的合格率為各預(yù)報(bào)項(xiàng)目合格率的算術(shù)平均值， 因此預(yù)測總合格率為91.7%；預(yù)報(bào)精度達(dá)到甲級(jí)大于或等于85%的要求，說明該模型可應(yīng)用于未來水位預(yù)測預(yù)警，為生態(tài)保護(hù)和水量調(diào)度提供技術(shù)支撐。

表5 衡水湖不同水平年模擬驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)

5.5 不同典型年水位預(yù)測預(yù)警分析

為了與國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃、 流域和區(qū)域水資源規(guī)劃等水平年相協(xié)調(diào)， 本次預(yù)測分別對(duì)近期2020年降水量頻率20%，50%，75%所對(duì)應(yīng)的豐、 平、枯水年進(jìn)行預(yù)測預(yù)警，在水位低于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)之前，有計(jì)劃地對(duì)衡水湖進(jìn)行引水調(diào)度。

5.5.1 水位預(yù)測

該預(yù)測是在不考慮人工調(diào)水的天然狀態(tài)下進(jìn)行分析，預(yù)測初始水位采用現(xiàn)狀平水年水位；降雨量、農(nóng)灌及其他水量分別采用不同頻率設(shè)計(jì)值； 蒸發(fā)量因主要與溫度、濕度和風(fēng)速有關(guān)，年際變化不大，采用2003～2018年各月平均值；滲漏量在考慮季節(jié)性等因素對(duì)其影響的情況下分階段采用相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算；工業(yè)用水量因電廠取用南水北調(diào)水源，故不再考慮工業(yè)用水情況。

假定2020年初始水位為20.32m，經(jīng)預(yù)測，P=20%豐水年時(shí)次年1月水位19.42m，下降0.90m；P=50%平水年時(shí)次年1月水位19.13，水位下降1.19m；P=75%枯水年時(shí)次年1月水位18.95m，水位下降1.37m，可見隨著降水量的豐、平、枯變化，水位下降變化呈逐漸增大的趨勢。 預(yù)測情況如表6。

5.5.2 水位預(yù)警

根據(jù)《河北省衡水市水情預(yù)警發(fā)布管理辦法（試行）》的通知，衡水湖湖內(nèi)水位達(dá)到或低于19.50m，為藍(lán)色預(yù)警；達(dá)到或低于19.00m， 為黃色預(yù)警；達(dá)到或低于18.65m，為橙色預(yù)警； 達(dá)到或低于18.30m，為紅色預(yù)警。

經(jīng)預(yù)測2020年P(guān)=20%豐水年衡水湖水位從11月開始處于藍(lán)色預(yù)警階段，到次年1月初水位下降至19.42m， 預(yù)測到達(dá)藍(lán)色預(yù)警水位19.50m要求， 需引水量232.3萬m3；P=50%平水年湖內(nèi)水位從7月開始處于處于藍(lán)色預(yù)警階段， 到次年1月初下降至19.13m，預(yù)測到達(dá)藍(lán)色預(yù)警水位19.50m要求，需引水量1049.3萬m3；P=75%枯水年湖內(nèi)水位從7月開始處于藍(lán)色預(yù)警階段、至次年1月初下降至18.95m，預(yù)測到達(dá)藍(lán)色預(yù)警水位19.50m要求，需引水量1544.4萬m3。 不同水平年水位預(yù)測預(yù)警逐月過程線如圖6。

表6 不同水平年預(yù)測成果

圖6 不同水平年水位預(yù)測預(yù)警逐月過程線

6 結(jié)語

基于衡水湖和實(shí)驗(yàn)站相關(guān)系列資料， 采用線性回歸分析法、Man-Kendall趨勢檢驗(yàn)法和突變檢驗(yàn)法等多種分析方法， 分析了影響衡水湖水位變化的相關(guān)因子；根據(jù)水量平衡原理，建立了衡水湖現(xiàn)狀條件下衡水湖水位動(dòng)態(tài)預(yù)測模型，并進(jìn)行水位預(yù)測預(yù)警。結(jié)果表明：

（1）分析了衡水漂浮E601型蒸發(fā)器與20m2蒸發(fā)池蒸發(fā)量、E601型蒸發(fā)器蒸發(fā)量、20cm口徑蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關(guān)性， 得出漂浮E601型蒸發(fā)器與20m2蒸發(fā)器蒸發(fā)量相關(guān)系數(shù)為0.979， 優(yōu)于其他蒸發(fā)器，計(jì)算其折算系數(shù)年均為1.10， 多年平均湖面蒸發(fā)水量為2895萬m3。

（2）根據(jù)3～10月、11～2月兩個(gè)時(shí)段，分別建立了衡水湖月均水位與滲漏量的經(jīng)驗(yàn)公式為Ws=47.19×Z-837.3、Ws=17.65×Z-304.1。經(jīng)計(jì)算衡水湖多年平均年滲漏量為1109.8萬m3，多年平均單位面積滲漏量為37.5萬m3/（km2·a）。

（3）建立了水位動(dòng)態(tài)預(yù)測模型，預(yù)報(bào)精度達(dá)到甲級(jí)要求， 對(duì)2020年不同水平年水位以月為單位進(jìn)行了預(yù)測， 得出各水平年水位均低于藍(lán)色預(yù)警水位19.50m要求； 同時(shí)預(yù)測了豐平枯水平年要達(dá)到藍(lán)色預(yù)警水位，分別需引進(jìn)水量232.3萬，1049.3萬，1544.4萬m3，為生態(tài)保護(hù)和水量調(diào)度提供數(shù)據(jù)參考。

因衡水湖漂浮蒸發(fā)觀測時(shí)間太短， 需要繼續(xù)觀測延長資料系列， 同時(shí)提高對(duì)E601器壁浸潤圈高度觀測方法，及對(duì)湖面和蒸發(fā)器內(nèi)的水溫觀測精度，并開展衡水湖蘆葦、蒲草等植物的蒸騰量觀測研究，以期更為準(zhǔn)確地進(jìn)行水位動(dòng)態(tài)預(yù)測， 為科學(xué)指導(dǎo)衡水湖生態(tài)保護(hù)和水量調(diào)度提供技術(shù)支撐。