基于荷載均衡的喀斯特地區(qū)地表水資源可利用量研究
——以六沖河流域為例

趙禮濤，李析男，董前進

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550005）

某地水資源可利用量的多少在一定程度上支撐著當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，也是水資源承載力的一種體現(xiàn)，其影響因素較多，并隨時間及當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展而動態(tài)變化，從而表現(xiàn)為水資源負(fù)荷（如取用水量、污染物總量等）與承載力的動態(tài)平衡。

限于當(dāng)前對喀斯特地區(qū)水資源可利用量研究較少的現(xiàn)狀，研究基于荷載均衡條件下貴州省畢節(jié)市六沖河流域的水資源可利用量，以期為當(dāng)?shù)厮Y源可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟的長久發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

貴州省位于中國西南喀斯特地區(qū)的中心，喀斯特地貌占貴州全省面積的70%以上，形態(tài)復(fù)雜，縱橫交錯，存在許多巖石裂縫、洞穴，導(dǎo)致雨水滲漏到地下［5］，造成大量工農(nóng)業(yè)缺水，甚至部分地區(qū)居民生活用水難以保障，嚴(yán)重制約了社會經(jīng)濟發(fā)展。

選取貴州省畢節(jié)市六沖河流域作為研究對象。畢節(jié)市位于貴州省西北部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量為274.79億m3，多年平均徑流量為134.40億m3，喀斯特地貌占全市面積的73.34%左右。發(fā)源于貴州省畢節(jié)市赫章縣的六沖河是畢節(jié)市內(nèi)最大河流，流域面積為10 874 km2，幾乎全部在畢節(jié)市境內(nèi)。洪家渡水電站位于六沖河下游臨近烏江處，調(diào)節(jié)庫容為33.61億m3，是烏江11個梯級電站中惟一具有多年調(diào)節(jié)作用的電站，也是六沖河上惟一的大型水電站，控制了91%的六沖河流域面積。七星關(guān)水文站是六沖河上游流域控制站，距離洪家渡水電站直線距離約97 km（圖1）。

圖1 六沖河流域

2 研究方法

2.1 水資源荷載均衡分析

2.1.1 水資源生態(tài)足跡模型 水資源承載力是可預(yù)見的時期內(nèi)在滿足合理的水域生態(tài)環(huán)境保護和河流生態(tài)環(huán)境用水前提下，利用區(qū)域水資源量及其他資源和智力、技術(shù)等條件，水資源對經(jīng)濟社會能夠承載的最大負(fù)荷下所支撐的人口規(guī)模［6］。涉及不同地區(qū)、不同條件時，水資源承載力的定義、計算方法、評價體系也存在差異［7］。

生態(tài)足跡法是在區(qū)域水資源承載力計算中的常用方法，可適用于喀斯特地區(qū)［8］。生態(tài)足跡法主要包括生態(tài)足跡（負(fù)荷）和承載力2個部分，其中生產(chǎn)用水足跡、生活用水足跡和生態(tài)用水足跡是水資源生態(tài)足跡的3個主要部分。根據(jù)生態(tài)足跡法的理論和一般模型［9］，喀斯特地區(qū)的水資源生態(tài)足跡計算模型如下。

式中，E F為喀斯特地區(qū)水資源生態(tài)足跡（hm2）；N為地區(qū)人口數(shù)（人）；e f為喀斯特地區(qū)人均用水足跡即人均水資源生態(tài)足跡（hm2/人）；r w為水資源均衡因子（r w=5.19）；W p為人均生產(chǎn)用水總消耗量（m3）；W l為人均生活用水消耗量（m3）；W e為人均生態(tài)用水總消耗量（m3）；p w為世界水資源平均生產(chǎn)能力（pw=31.4萬m3/km2）。

2.1.2 水資源承載力計算模型 在生態(tài)足跡法中，計算水資源承載力要考慮水資源開發(fā)利用程度，取40%作為水資源可利用量的上限。計算公式如下。

在制定城市化進程政策時，要考慮到古建筑在其中所發(fā)揮的作用，切忌“先破壞，再保護”的思想，做到統(tǒng)籌兼顧、合理布局。為古建筑設(shè)立專門的保護區(qū)，杜絕因發(fā)展而隨意破壞古建筑的現(xiàn)象的發(fā)生。

式中，E C w為地區(qū)水資源承載力（hm2）；ec w為人均水資源承載力（hm2/人）；ψw為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子；W為人均水資源可利用量（m3）。N、r w、p w意義同式（1）。

2.2 水資源可利用量計算方法

水資源可利用總量包括地表水資源可利用總量和地下水資源可利用總量，考慮喀斯特地形地下水開發(fā)利用難度較大及貴州省多年地下供水僅占全省供水2%左右的情況，本研究僅對六沖河流域地表水資源可利用總量進行估算。估算公式如下。

2.2.1 河道內(nèi)需水估算方法 從河道功能出發(fā)，河道內(nèi)需水主要考慮與地下水相關(guān)的河道基流和水生生物保護水量。水生生物保護水量是維持水生生物生存和發(fā)展、河道中必須保持的最小生態(tài)環(huán)境需水量，可用一定比例的河道內(nèi)多年平均年徑流量估算，且比例不應(yīng)低于30%［10］。河道基流來自地下水補給和部分徑流，是河道徑流中相對比較穩(wěn)定的部分，有保持水體自凈能力、維持河床形態(tài)、防止河道斷流等基本功能。采用Lyne-Hollick濾波法對徑流進行分割［11-13］。分割公式如下。

式中，q t為t時刻地表徑流（m3/s）；Q t為t時刻河川實測徑流（m3/s）；Q bt為t時刻基流，0＜Q bt＜Q t；t為時間（d）；α、β為濾波參數(shù)（0＜α＜0.5，0＜β＜1）［14］。計算過程中，可將α固定為0.5，結(jié)合喀斯特地區(qū)實際情況，對β進行適當(dāng)調(diào)整，使基流分割達到比較好的效果。相關(guān)研究表明，要提高數(shù)據(jù)的計算精度，可對其進行一定次數(shù)的反復(fù)過濾，一般為3次過濾［12］。

2.2.2 汛期棄水計算 為了充分發(fā)揮洪家渡水電站的作用，減少棄水，增加發(fā)電效益，根據(jù)洪家渡水電站1952—2007年月流量數(shù)據(jù)和常規(guī)調(diào)度圖進行長系列模擬計算，可得汛期棄水量。洪家渡電站起調(diào)水位為1 076 m，在來水較豐時，調(diào)度最低水位定為年消落水位1 118 m，當(dāng)存在連續(xù)的枯水年時，水庫最低水位可消落至死水位1 076 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域荷載均衡狀況

3.1.1 生態(tài)足跡與承載力結(jié)果 根據(jù)貴州省水資源公報、畢節(jié)市2006—2018年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報以及水資源公報，由地區(qū)水資源總量除以地區(qū)面積可得水資源平均生產(chǎn)能力pw區(qū)為50.05萬m3/hm2，結(jié)合式（1）計算出畢節(jié)市（六沖河流域）水資源生態(tài)足跡和人均用水足跡；由畢節(jié)市水資源平均生產(chǎn)能力和世界水資源平均生產(chǎn)能力的比值可得區(qū)域水資源產(chǎn)量因子ψw為1.59，同時計算畢節(jié)市水資源承載力，結(jié)果見表1。

由表1可知，2006—2018年畢節(jié)市人均用水足跡年際變化較小。從用水量上分析，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，畢節(jié)市2006—2018年各部門用水需求量較大，同時近年來節(jié)水措施應(yīng)用及對水資源的保護，提高了水資源的利用效率；另一方面，畢節(jié)市發(fā)展速度較慢，沒有出現(xiàn)用水負(fù)荷的大幅度增加，由此水資源用水消耗年際變化較小。水資源承載力主要受當(dāng)年水資源總量影響較大，總體來說，畢節(jié)市2006—2018年水資源承載力年際變化不大。

3.1.2 水資源荷載均衡分析

1）生態(tài)足跡承載狀況。從表1可知，畢節(jié)市2006—2018年人均用水足跡變化幅度較小。人均承載力變化總體平穩(wěn)，局部出現(xiàn)波動，結(jié)合當(dāng)年來水情況分析，畢節(jié)市人均承載力最低的2年（2006年和2011年）為特枯年份，地表水資源可利用量偏少，對人均水資源承載力影響較大。

表1 畢節(jié)市人均水資源生態(tài)足跡與承載力計算結(jié)果

通過比較人均用水足跡和人均水資源承載力，可以確定水資源的荷載狀態(tài)，當(dāng)人均承載力大于人均用水足跡時，代表生態(tài)盈余，說明該地區(qū)水資源不超載。根據(jù)計算結(jié)果可認(rèn)為目前畢節(jié)市水資源荷載狀況處于盈余狀態(tài)，即水資源量可支撐畢節(jié)市社會經(jīng)濟發(fā)展。

2）綜合分析。六沖河幾乎全流域位于畢節(jié)市內(nèi)，因此，畢節(jié)市的水資源承載狀況結(jié)果也適用于六沖河流域。結(jié)合以上分析，認(rèn)為六沖河流域水資源承載狀況良好，在水資源承載范圍內(nèi)可對水資源進行合理的開發(fā)利用。

3.2 流域水資源可利用量

3.2.1 河道內(nèi)需水量 畢節(jié)市大部分地區(qū)為喀斯特地貌，下滲率高，地下水量相比一般流域大。依據(jù)參考文獻［15-17］，發(fā)現(xiàn)西南流域基流指數(shù)為0.4～0.6，結(jié)合國際河流開發(fā)利用程度經(jīng)驗，認(rèn)為六沖河流域基流指數(shù)在0.4左右較為合理。以六沖河七星關(guān)水文站1971—1993年系列資料進行式（4）中參數(shù)計算，確定六沖河流域的基流量，其基流分割計算參數(shù)為α=0.5、β=0.984。七星關(guān)水文站多年基流分割結(jié)果如圖2所示。

圖2 七星關(guān)基流分割結(jié)果

用參數(shù)α=0.5、β=0.984對洪家渡2005—2008年日流量資料進行基流分割。得到洪家渡水電站4年平均年基流量為16.29億m3，年平均基流指數(shù)為0.39，基流分割結(jié)果如圖3所示。

圖3 洪家渡水電站基流分割結(jié)果

對比兩處基流分割結(jié)果，七星關(guān)站多年平均基流指數(shù)為0.37，洪家渡站多年平均基流指數(shù)為0.39，對比認(rèn)為六沖河流域內(nèi)基流指數(shù)變化不大，變化范圍為0.37～0.39。由此，根據(jù)六沖河洪家渡站處多年平均水資源總量（約為46.24億m3）和基流分割情況，計算得到六沖河流域多年平均河道基流量為18.03億m3。

基流計算結(jié)果達到了河道多年平均徑流量的30%，符合水生生物保護水量要求。因此，本研究計算取六沖河流域多年平均河道內(nèi)需水量約為18.03億m3。

3.2.2 汛期難以控制利用水量 以5月為起始月，將六沖河洪家渡水電站1952—2007年天然入庫徑流資料按水文年排列，根據(jù)調(diào)度圖計算，得到每年的棄水量；假設(shè)每月河道內(nèi)需水量均勻，則汛期棄水量扣除棄水中滿足河道內(nèi)需水量部分，即為難以控制水量。

由于洪家渡水電站是多年調(diào)節(jié)水電站，各年棄水量因前一年蓄水狀況和本年度來水情況不同而存在差異，計算結(jié)果中，1954年棄水量最多，為30.41億m3，當(dāng)年難以控制水量為26.68億m3，可利用水量為18.82億m3；最終可計算得多年平均棄水量為5.56億m3，多年平均難以控制利用水量為3.69億m3，多年平均地表水資源可利用量為24.51億m3。

3.2.3 豐平枯年際變化分析 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《水文基本術(shù)語和符號標(biāo)準(zhǔn)》［18］，計算上述水文年資料經(jīng)驗頻率，并劃分為豐、平、枯3種情況，整理得到徑流在豐、平、枯不同狀態(tài)轉(zhuǎn)移的頻數(shù)矩陣，結(jié)果見表2。由表2可知，整體來看，連續(xù)的豐水年和連續(xù)的枯水年占比較多。

表2 頻數(shù)矩陣

根據(jù)頻數(shù)矩陣，計算洪家渡水電站在不同豐、平、枯狀態(tài)變化下的棄水量以及六沖河流域的水資源可利用量，結(jié)果見表3。由表3可知，水電站在豐水年棄水偏多，平水年產(chǎn)生棄水較少，枯水年基本不會產(chǎn)生棄水。前一年為豐水年或平水年時，天然徑流基本可以滿足水電站保證出力要求，水庫充分蓄水，使得下一年更容易產(chǎn)生棄水，以至于部分枯水年，在汛期水量較大時也會產(chǎn)生棄水。前一年為枯水年時，水庫往往需要放水，以滿足發(fā)電要求，年末水位較低，庫容可以容納下一年汛期較多水量，從而減少棄水。在洪家渡水電站調(diào)節(jié)作用下，雖然豐水年汛期會產(chǎn)生較多棄水，但天然來水量充足，水資源可利用量較為可觀；枯水期整體水量偏少，雖然幾乎沒有棄水，但年度水資源可利用量相對較少。

表3 徑流豐平枯轉(zhuǎn)移情況下六沖河流域棄水和水資源可利用量 （單位：億m3）

六沖河是烏江最大的一級支流，天然徑流量大，在洪家渡水電站的調(diào)蓄作用下，流域汛期棄水較少，同時，六沖河流域用水需求量還不大，因此流域水資源可利用量比較豐富。經(jīng)上述分析并計算，六沖河流域多年平均地表水資源總量為46.24億m3，流域多年平均地表水資源可利用量為24.51億m3。

4 小結(jié)

1）近幾十年來六沖河流域水資源承載狀況較好，在該區(qū)域水資源承載范圍內(nèi)可對水資源進行合理的開發(fā)和利用。

2）經(jīng)測算，六沖河流域多年平均河道內(nèi)需水量為18.03億m3，水資源可利用量為24.51億m3。

3）由多年平均和考慮徑流豐平枯變化情況下的水資源可利用量可知，六沖河流域水資源比較豐富，除部分特枯年份外，水資源可利用量相對富足，由此認(rèn)為六沖河流域水資源開發(fā)利用潛力較大。