洋縣水文站旱警流量確定技術分析

巨阿迷,武永輝,舒元偉

(漢中水文水資源勘測中心,陜西 漢中 723000)

1 河流及站網概況

1.1 測站基本情況

洋縣水文站是漢江干流控制站,位于陜西省洋縣城關鎮漢江公路大橋頭,地理坐標:東經107°32′,北緯33°13′。集水面積14 484 km2,至河口距離1 316 km。該站在1953年6月由原陜西省水文總站設立于洋縣貫溪鋪,控制流域面積14 974 km2,1967年3月上遷9 km至朱家村,并改名為洋縣(朱家村)水文站,控制流域面積14 192 km2,1996 年1月又下遷2.8 km至洋縣縣城附近的公路大橋,并改名為洋縣水文站,控制流域面積14 484 km2。與洋縣(朱家村)水文站控制面積相差2.02%。本站基本水尺斷面設立在洋縣縣城漢江公路大橋下游10 m處,測流斷面位于公路大橋上。

洋縣位于陜西省西南部、漢中盆地東緣;北依秦嶺,南靠巴山,東接佛坪、石泉縣,南鄰西鄉縣,西毗城固縣,北界留壩縣、太白縣?？偯娣e3 206 km2,東西寬約56 km,南北長約76 km,縣內總人口44.5萬人,轄15個鎮、3個街道辦、271個行政村、16個社區。洋縣縣城位于漢江河漫灘一級階地,海拔高程在450 m左右,縣城城區范圍東到天寧寺河,西到五里園,南止張趙、楊灣、南壩,北止土門,建設總用地8.6 km2,居住人口6.9萬人。

1.2 洋縣水文站多年平均徑流量

洋縣水文站實測多年平均降雨量793.7 mm,多年平均蒸發量826.05 mm,多年平均流量171 m3/s,多年平均徑流量53.90×108m3。建站以來實測最大流量11 780 m3/s(1981年8月22日),實測最小流量2.80 m3/s(1986年2月26日)。洋縣站多年月平均徑流量的年內分配見表1。

表1 洋縣水文站多年平均徑流量及年內分配統計表 108m3

從表1中可知,洋縣水文站徑流量年內分配不均,1-4月、11、12月共6個月,徑流量占全年徑流量的19.3%;5-10月共6個月,徑流量占全年徑流量的80.7%。漢江屬于雨源性河流,河道來水量主要降雨形成,洪水過程由暴雨產生。

2 旱警流量確定的原則

(1) 依據用水類型及方式,選擇城鄉供水、企業生產、農業灌溉及環境生態等用水需求作為主要分析因子,結合河道特點,確定流量作為主要旱警指標。

(2)旱警流量采用城鄉供水、企業生產、農業灌溉、環境生態等分析因子的用水總量進行換算確定。

3 河道實測來水量和現狀用水量調查

按照水利部的總體部署,旱警流量確定工作由省水利廳統一安排協調,水文部門具體負責實施,市縣水利局和有關工程管理單位參與并協助工作調查。在漢中市和洋縣水利局的積極參與協助下,對洋縣水文站旱警水位(流量)的進行修訂,在原來1970-2012年歷時42 a資料的基礎上,資料系列延長至2021年,總歷時52 a。并在陜西省水文中心的統一指揮協調下,為本次方案的修訂和編制奠定了基礎。

3.1 水文站實測徑流過程

洋縣水文站1953年6月建站,實測資料系列較長,根據省水文中心《2022年陜西省江河水庫旱警水位(流量)確定工作方案》對資料系列的要求,采用1970-2021年系列長度52年。其中包括實測最大年徑流量142×108m3,出現在1981年;實測最小年徑流量18.3×108m3,出現在1997年;多年平均徑流量53.90×108m3。

3.2 分類用水現狀調查

洋縣水文站下游至小峽口9.5 km為漢江平川段,農業主要以水稻為主。再向下游漢江進入山區,期間人口稀少,沒有工礦企業在漢江取水,也農業灌溉用水量基本沒有。

(1)水文站以下河段水利工程

洋縣水文站斷面以下有“引漢濟渭”在建黃金峽引水樞紐工程。

(2)洋縣水文站斷面以下漢江平川段取水量:

居民城鎮生活生產用水:不直接從漢江河道取水。

工業生產用水:不直接從漢江河道取水。

農業灌溉用水:沿漢江兩岸建有20座中小型抽水站,用于農田灌溉用水,灌溉面積約1.9萬畝,根據多年《漢中市水資源公報》,洋縣農田灌溉用水量為723(m3/畝),年用水量約13.74×106m3。

3.3 徑流量資料“三性”分析

3.3.1 可靠性分析

洋縣水文站屬國家基本水文站,水文資料一直由專業技術人員按照相關規范規定觀測,觀測資料真實,整編方法正確。河道水位觀測、斷面測量、泥沙和流量測驗及推求計算方法符合《河道流量測驗規范》、《水文資料整編規范》,因此選用實測資料可靠。

3.3.2 一致性分析

漢江徑流量均由降雨形成,洋縣水文站斷面上游有石門水庫(屬大(Ⅰ)型水庫),繪制洋縣站歷年徑流量累計過程線見圖3,根據圖3可以看出,累計曲線沒有突出點群,斜率基本一致,說明石門水庫及人類活動對洋縣站歷年徑流量影響不大,因此該站實測年徑流系列一致性相對較好。

3.3.3 代表性分析

對洋縣站1970-2021年52年徑流資料系列,繪制洋縣水文站1970-2021年徑流量差積曲線和歷年均值過程曲線進行代表性分析。

由歷年徑流量過程曲線可以看出,52 a資料系列中年徑流量豐、枯交替出現,變幅較大,且出現了豐水段和枯水段,整個系列豐、平、枯變化周期明顯,其中在均值以上的年份有22 a,接近均值的年份有4年,小于均值的年份有26 a。豐、平、枯水年分布較對稱。

由差積曲線可以看出,年徑流量差積曲線可以反映徑流量的豐枯變化,曲線連續下降為枯水段,連續上升為豐水段,出現鋸齒則為平水段。因此,洋縣水文站1970-2021年共52 a徑流系列中包含了2個完整周期。

由年徑流量累積均值過程線可以看出,年徑流量累積均值逐漸趨于穩定。

通過上述分析,洋縣水文站徑流資料包含了多個豐、枯水時段,同時其累積統計參數已趨于穩定,由此說明洋縣水文站52 a徑流系列資料具有較好的代表性。

3.4 設計年徑流分析計算

3.4.1 徑流系列的確定

采用洋縣水文站年1970-2021年年徑流量資料系列進行設計年徑流計算。

3.4.2 設計年徑流的計算

根據洋縣水文站的1970-2021年逐年年徑流量資料,計算經驗頻率,并利用P-Ⅲ型曲線試線法計算得各個參數為:W均值=53.90×108m3,Cv=0.46,Cs/Cv=2.5,計算的75%設計頻率年徑流量為35.68×108m3、95%設計頻率的徑流量22.62×108m3,詳見洋縣水文站設計頻率分析統計表2。

3.4.3 徑流年內分配

代表年選取:以75%設計頻率年徑流量為35.68×108m3為依據,選1972年徑流量為35.90×108m3、1986年徑流量為36.1×108m3、1991年徑流量為34.61×108m3;以95%設計頻率的徑流量22.62×108m3為依據,選1995年徑流量為23.63×108m3、2002年徑流量為25.3×108m3,2016年徑流量為20.51×108m3,將接近設計頻率年徑流量的三年徑流量為基礎,選取以設計代表年相近最小徑流量的最不利組合的分配,為設計年內分配依據。選取75%設計頻率代表年為1991年,95%設計頻率代表年為1995年,各月來水量成果見表3、表4。

表3 洋縣站P=75%設計枯水年年內分配計算表

表4 洋縣站P=95%設計枯水年年內分配計算表

4 需水量分析

4.1 下游區間河段調查用水量分析

洋縣水文站斷面下游河段有“引漢濟渭”黃金峽水利樞紐的取水工程,其工業、農業、生活用水均不直接從漢江河道里取,只有微型提水工程用于農業灌溉。

4.2 需水量預測

(1)黃金峽水利樞紐工程壩址以上控制流域面積17 070 km2,多年平均徑流量63.5億 m3,多年平均流量為201.4 m3/s,壩高63 m,總庫容2.21億 m3,設計年引水量為10億 m3,平均取水量為31.7 m3/s。

(2)農業用水沿漢江兩岸建有20座中小型抽水站,用于農田灌溉用水,灌溉面積約1.9萬畝,根據農田用水量723 m3/畝,多年用水量約13.7×106m3。洋縣沿漢江兩岸農田灌溉用水量統計表見表5。

由表5中得6月份灌溉用水量最大平均每天抽水1.83 m3/s。

4.3 河道生態流量

河道生態需水量:采用實測系列水文資料能反映出斷面上游現狀開發利用情況下的用水水平,所以次來確定河道生態需水量(即河道生態流量)。河道生態流量有3種方法確定。

(1)選取斷面多年平均流量的10%～20%作為生態需水量。

(2)取P=90%枯水典型年連續最枯7天的平均流量。

(3)取逐年最小月平均流量的90%保證率流量。

我們根據以上三種計算方法選取3種以上,取值原則適當靠近計算值的中小值(即偏下限)。

方法1:選取斷面多年平均流量10%～20%作為生態需水量。

漢江洋縣站控制斷面多年平均流量(1970-2022年)為171 m3/s,按10%計算生態流量為17.1 m3/s。

方法2:取P=90%枯水典型年連續最枯7天的平均流量作為生態需水量。以此分析90%枯水典型年徑流量26.71×108m3為依據,將選與設計頻率年徑流量接近的三個年份徑流量為基礎,選取與其徑流量差值最小的1999年作為枯水典型年,連續最枯7天的平均流量16.3 m3/s為生態需水量。

方法3:取逐年最小月平均流量的90%保證率流量,1970-2021年洋縣逐年最小月平均流量的90%保證率流量為17.57 m3/s為生態需水量。

將上述三種方法計算成果進行統計分析,分析見表6。

表6 洋縣水文站生態流量綜合分析確定表 m3/s

從表6可知,典型年連續最枯7天的日平均流量偏小,多年平均流量10%和保證率90%年最小月平均流量較為一致,生態流量綜合確定為17.5 m3/s。

5 旱警流量確定

5.1 旱警流量確定原則

旱警流量指標是指在維持河流生態系統運轉基本流量的基礎上,綜合考慮斷面下游區間生產、生活用水要求而確定的斷面下泄流量。該指標作為正常年份的斷面流量控制要求,遇特枯年份,按照水量調度指標管理,并及時啟動應急預案。

在確定旱警流量控制斷面時,根據斷面所在流域面積情況,斷面所在流域地市經濟社會發展狀況及斷面所在流域水資源開發利用情況,主要考慮斷面下游的用水需求;同時既考慮斷面現狀的用水需求,又考慮斷面未來的用水需求。

5.2 旱警流量的確定

本次確定旱警水位(流量)計算方法主要包括典型干旱年法和水量疊加法。

5.2.1 典型干旱年法

典型干旱年法是以干旱期間江(河)段各月月均流量的最大值作為旱警流量。

經資料分析,95%設計頻率典型干旱年為1995年,分析歷史旱情資料,1995年是春夏連續干旱,各月月均流量成果見表7。

表7 洋縣站1995年各月月均流量成果統計表 m3/s

從表7可知,依據漢中農業灌溉特點,一般4-8月是農業灌溉期,用水量最大時期為6月,4-6月河道月均流量的最大值為56.1 m3/s,因此典型干旱年法確定的旱警流量為56.1 m3/s。

5.2.2 水量疊加法

將江(河)段對應的生態流量和取水流量進行疊加,作為該江(河)段的旱警流量。

按照上述預測分析,洋縣站斷面下游河段有在建“引漢濟渭”的黃金峽水利樞紐工程,本次考慮黃金峽水利工程設計年取水量為10億 m3,平均取水量為31.7 m3/s。洋縣站斷面河道生態流量確定為17.5 m3/s;洋縣下游河道泵站6月份農業灌溉最大用水量為1.83 m3/s。對其用水量進行疊加為51.03 m3/s,因此水量疊加法確定的旱警流量為51.03 m3/s。

經上述分析,(1)典型干旱年法確定的旱警流量為56.1 m3/s。(2)水量疊加法確定的旱警流量為51.03 m3/s。兩種方法的平均流量為53.6 m3/s,經綜合各方因素分析并考慮一定的安全量,最終確定洋縣水文站旱警流量為55.0 m3/s。

5.3 合理性分析

5.3.1 干旱預警區間分析

漢中地區主要種植農作物為油菜和水稻,4-9月為水稻灌溉供水期;4-6月為水稻關鍵用水期,因此干旱預警區間設為4-6月份較為合理。

5.3.2 重現期分析

統計1970-2021年52年中最小月平均流量值小于等于旱警流量統計表,見表8。經分析52 a中根據用水量需求,4-6月份小于旱警流量,4、6月出現頻次最多,占統計年的28.8%,約3.4 a一遇?；痉蠞h中地區的氣候特征及工農業生產實際。

表8 1970-2021年52年中最小月平均流量值小于等于旱警流量統計表

5.3.3 與歷史旱情進行比較

根據《洋縣志》1928-1985年旱災統計表中,57 a間洋縣旱情出現18次,頻次為31.6%,重現期約3 a一遇。從1970-2021年52 a間漢江洋縣水文站4-6月有15 a月平均流量低于旱警流量,約3.4 a一遇,與《洋縣志》1982-1985年旱災統計重現期約3 a一遇基本一致。因此,本次復核漢江洋縣水文站旱警流量確定為55.0 m3/s。綜合評定為基本合理。

6 結語

本文在調查洋縣水文站流域現狀的基礎上,結合洋縣水文站實際情況,選取2種計算方法,采用典型干旱年法、水量疊加法確定洋縣水文站旱警流量。結果表明,兩種計算方法所得的結果雖然不盡一致,但都有理有據,最終綜合分析確定洋縣水文站旱警流量為55.0 m3/s,綜合評定基本合理。