奎蘇溝渠首多年平均徑流量計(jì)算方法對比分析

王 凱

(哈密水文勘測局,新疆 哈密 839000)

1 流域概況

奎蘇溝地處哈密市巴里坤縣奎蘇鎮(zhèn)境內(nèi),奎蘇鎮(zhèn)地處巴里坤盆地東中部,距巴里坤城40 km。地理位置介于東經(jīng)93°23′30″～93°21′40″,北緯東43°23′28″～43°27′40″。該流域在巴里坤山北側(cè),東西南北四面分別為小溝流域、李家溝流域、巴里坤山山脊、奎蘇鎮(zhèn)。流域內(nèi)地勢由南向北遞減,最高峰海拔高程4 100 m,溝口渠首處海拔高程2 580 m,流域內(nèi)南北高差1 520 m?？K溝發(fā)源于巴里坤山北坡的冰川群,冰川面積0.96 km2,最高峰海拔4 100 m,自成獨(dú)立水系。河流走勢由西南向東北流出山口后一部分引入奎蘇溝干渠,一部分河水順天然河溝流向下游并逐漸參入地下,出山口以下河長約有5 km。流域特征值見表1。

表1 奎蘇溝流域特征值表

2 徑流分析

2.1 徑流組成

根據(jù)山溪性河流的特點(diǎn)及實(shí)際調(diào)查、訪問情況分析,研究流域的徑流補(bǔ)給來源主要為春季融雪水(4-6月)、夏季降雨和融冰水(7-9月)、泉水和裂隙水(10月至次年3月)。

2.2 參證站徑流的三性分析

2.2.1 參證站年徑流的還原計(jì)算

白吉水文站測驗(yàn)斷面實(shí)測多年平均年徑流量5 178萬 m3(1956-2020年),測驗(yàn)斷面上游有耕地4 200畝,因上游為山區(qū),可開發(fā)耕地少,近年來部分村民搬遷到哈密市,因而多年來耕地面積變化不大,建站之前在水文站以上就另有兩條引水渠,將部分河水引往斷面下游用于農(nóng)田灌溉,因此徑流系列需進(jìn)行還原計(jì)算。白吉水文站測驗(yàn)斷面還原水量采用面積定額法加引水水量方法進(jìn)行計(jì)算。農(nóng)業(yè)用水主要是估算歷年灌溉耗水量,而灌區(qū)區(qū)間農(nóng)作物又無引水及灌區(qū)回歸系數(shù)資料,可以凈灌溉用水量近似地作為灌溉耗損量[1]。所以,本次白吉水文站上游農(nóng)業(yè)用水量還原采用面積定額法計(jì)算,由于用于農(nóng)田灌溉引水渠為土渠,渠系利用系數(shù)較低,毛灌溉定額一般在1 000 m3/畝左右,年凈灌溉水定額為480 m3/畝。根據(jù)每年灌溉時(shí)間可計(jì)算各月灌溉耗水量見表2。用于下游灌溉的兩條引水渠灌溉時(shí)間主要在4-10月,其中5-7月各月平均流量為0.20 m3/s;4月、8月、9月、10月平均流量為0.10 m3/s。斷面實(shí)測徑流量加上上游耕地灌溉耗水量與下游引水量之和即為天然年徑流量,見表3,還原水量為466萬m3。由此推算出白吉水文站還原后1956-2020年的多年平均年徑流量為5 644萬 m3。

表2 故鄉(xiāng)河流域白吉水文站斷面以上農(nóng)業(yè)用水耗損量計(jì)算表

表3 故鄉(xiāng)河白吉水文站斷面以上各月還原水量統(tǒng)計(jì)表 m3/s

2.2.2 一致性分析

本次徑流分析計(jì)算選用的主要參證站為白吉水文站,該站具有65年實(shí)測徑流系列資料,建站以來上游主要有村民從事耕作,有兩條引水渠引水至下游灌溉,沒有其他工程,自然形成的河道下墊面產(chǎn)匯流規(guī)律未發(fā)生較大變化。所以,本次選用的站點(diǎn)天然徑流可不作系列修正。分析也表明,哈密水資源調(diào)度使用主要集中是在出山口以下區(qū)域,山區(qū)是徑流發(fā)育形成的主要區(qū)域,人類生產(chǎn)生活影響十分微弱,說明選用參證站50年代至今天然徑流的一致性較好。

2.2.3 代表性分析

1)豐、枯分析

把白吉站還原后的年徑流系列資料以每5或10年分段進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析各時(shí)段年徑流量平均值與系列資料年徑徑流量平均值的相對偏差,白吉站1956-2020年系列資料中年徑流量均值的變化呈現(xiàn)偏枯→偏豐→平水的交替變化。

2)年徑流模比系數(shù)差積曲線分析

故鄉(xiāng)河是東天山喀爾里克山南坡各河流中年徑流量較為充沛的河流,將白吉水文站實(shí)測年徑流量系列資料經(jīng)過還原計(jì)算后天然年徑流量平均值為5 649萬 m3。從年徑流系列差積曲線圖分析可知白吉站豐水年有:①1956-1961②1978-2001③2015-2019;枯水年1961-1970年;正常年:有①1971-1977年②2001-2014(見圖1)。

圖1 白吉站年徑流量模比系數(shù)差積曲線圖

3)不同長度年徑流參數(shù)對比分析

把白吉站還原后的1956-2021年年徑流系列資料以每5年分段統(tǒng)計(jì)為短系列,并與該站長系列資料均值分析相對偏差,當(dāng)年數(shù)據(jù)系列長度≥55 a時(shí),該站短系列與長系列的均值相對偏差≤1.5%。即該流域多年平均徑流量計(jì)算在≥55 a時(shí)達(dá)到計(jì)算精度要求。白吉水文站長系列資料中有多個(gè)豐枯年際變化過程,年徑流系列的均值在系列資料長度≥55 a時(shí)基本趨于穩(wěn)定(見圖2)。

圖2 白吉站年徑流量模比系數(shù)累積平均曲線圖

4)年徑流樣本均值收斂性分析

年徑流量的有界性決定了年徑流樣本均值的收斂性[2],收斂速度快慢與各流域特性和氣象影響因素有關(guān)。依據(jù)白吉水文站年徑流模比系數(shù)累積平均曲線對白吉站年徑流系列穩(wěn)定性分析可知:隨著樣本分析年限的不斷加長,樣本均值收斂形態(tài)十分明顯,當(dāng)資料長度達(dá)≥55 a時(shí)樣本均值達(dá)到基本穩(wěn)定。

白吉站年徑流量的年際變化趨勢總體涵蓋了豐、平、枯水過程,隨年徑流量樣本統(tǒng)計(jì)年數(shù)的不斷增加,統(tǒng)計(jì)參數(shù)的變化趨勢逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此白吉水文站65 a的年徑流量統(tǒng)計(jì)系列資料具備比較好的代表性。

2.3 渠首斷面多年平均年徑流量計(jì)算

奎蘇溝屬無資料區(qū)域,為計(jì)算奎蘇溝渠首處多年平均年徑流量分別采用徑流深區(qū)域綜合法、徑流深等值線法、水文比擬法進(jìn)行徑流分析計(jì)算。

2.3.1 徑流深區(qū)域綜合法

根據(jù)分布在哈密天山南北坡的9個(gè)水文站的歷年實(shí)測徑流資料繪制徑流深和相應(yīng)流域的平均高程散點(diǎn)圖并分析發(fā)現(xiàn)流域平均高程好年徑流深相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.922(見圖3)。將流域平均高程3 434 m代入公式(1)計(jì)算奎蘇溝流域多年平均年徑流深R為398.9 mm,再將流域集水面積12.99 km2根據(jù)公式(2)計(jì)算出奎蘇溝多年平均年徑流量518.1萬 m3。

圖3 流域平均高程與徑流深相關(guān)圖

R=0.824 8e0.001 8H

(1)

(2)

式中:R為多年平均年徑流深(mm); H為流域平均高程(m);W為多年平均年徑流量(萬m3); F為流域集水面積(km2);

2.3.2 徑流深等值線法

根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)年徑流深等值線圖(1956-2016年),測量計(jì)算出奎蘇溝渠首以上流域平均年徑流量為277萬 m3(1956-2016年)。白吉水文站1956-2016年、1956-2020年還原后天然年徑流量平均值分別為5 569萬 m3、5 644萬 m3,通過長短系列訂正計(jì)算出奎蘇溝渠首以上流域平均年徑流量為281萬 m3(1956-2020年)。

2.3.3 水文比擬法

1)白吉站作參證站

水文比擬法是資料短缺河流推算多年平均年徑流量的有效辦法之一。巴里坤山北坡各條河流徑流補(bǔ)給來源與天山南坡的故鄉(xiāng)河相似,徑流補(bǔ)給來源為融冰雪水和夏季降水,奎蘇溝是有冰川補(bǔ)給的河流,因此選用白吉水文站作為參證站推算研究區(qū)域的多年平均年徑流量。白吉站1956-2020年還原后的天然徑流量5 644萬 m3,集水面積431 km2,用公式(3)推求奎蘇溝多年平均年徑流量為170.1萬 m3。

(3)

式中:W設(shè)計(jì)、W參證為設(shè)計(jì)流域與參證流域多年平均年徑流量(萬m3);F設(shè)計(jì)、F參證為設(shè)計(jì)流域與參證流域集水面積(km2);

2)紅山口站作參證站

流域西側(cè)的紅山口流域其地理、地貌、氣候、徑流及洪水的產(chǎn)流特性都類同與奎蘇溝,集水面積45 km2,紅山口水文站有1980-1988年連續(xù)9 a的短期實(shí)測徑流資料,9 a的平均年徑流量為1 847萬 m3;故鄉(xiāng)河白吉水文站1957-2020年實(shí)測年徑流量為5 178萬 m3,1980-1988年實(shí)測年經(jīng)量為6 306萬 m3,經(jīng)過長短系列訂正后紅山口水文站常系列多年平均徑流量為1 517萬 m3,利用公式(3)推求奎蘇溝多年平均年徑流量為437.9萬 m3。

2.3.4 采用成果

以上幾種方法計(jì)算的奎蘇溝渠首處多年平均徑流量成果見表4。不同方法計(jì)算的成果相差較大,其中,徑流深區(qū)域綜合法與以白吉為參證的水文比擬法推算的成果相差近100萬 m3,紅山口站與徑流深區(qū)域綜合法相差近100萬 m3,紅山口站的資料系列較短,長系列資料也是用參證站白吉水文站的長系列資料進(jìn)行訂正而得,代表性有限,所以用這兩種方法推算的成果僅供參考;白吉水文站由于位于天山南坡,年降水量沒有地處天山北坡的奎蘇溝豐沛,推算的成果明顯偏小,此成果不予采用;徑流深等值線圖為計(jì)算無資料區(qū)域地表水資源量的基礎(chǔ)圖件[2],該方法選用的參證站白吉水文站流域與奎蘇溝流域分別處于天山南北坡,采用該方法的計(jì)算成果較為可靠。

表4 奎蘇溝渠首處多年平均年徑流量成果表

3 結(jié)語

奎蘇溝渠首處多年平均年徑流量采用三種方法推算了四個(gè)成果,經(jīng)分析比較,推薦采用徑流深等值線法計(jì)算的成果,雖然奎蘇溝流域周邊幾處流域的水文資料系列較短,但都通過長系列訂正法將短系列資料訂正為長系列,這樣資料系列都達(dá)到了60 a,再進(jìn)行徑流深等值線圖的繪制,2016年版等值線圖是最新版經(jīng)自治區(qū)水文局統(tǒng)一制作,精度較高。在徑流深等值線圖上量算出奎蘇溝渠首處多年平均徑流量值再經(jīng)過與參證站長短系列訂正,成果較為可靠。