地表水时空分布特性对可利用量影响分析

摘要:由于各流域地形、地貌、流域形状和流域面积、流域植被等多种因素的影响,河北省地表水资源无论是年际变化,还是年内分配上,存在较大的区域性和地域性。年际变化幅度大和年内分布不均制约了地表水的开发利用。分析和研究这些变化特征,掌握其变化规律,对合理利用地表水资源,提高地表水资源的利用率,有重要作用。

关键词:地表水资源;时空分布特征;地表水可利用量;河北省

中图分类号:TV214;TV882.1文献标识码:A 文章编号:1672-1683(2009)05-0076-04

Impact Analysis of Temporal and Spatial Distribution Characteristics of Surface Water on Its Available Volume

WANG Xi-cheng1,QIAO Guang-jian2

(1.Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hebei Province,Shijiazhuang 050031,China;

2.Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Xingtai,Xingtai 054000,China)

Abstract: As a result of topography, geomorphology, basin shape and drainage area, watershed vegetation and other factors, surface water resource in Hebei Province shows a big regional nature. Annual variation and unevenly distribution during the year limit the development and utilization of surface water. Analyzing, studying the characteristics of these changes and mastering the changes discipline play an important role in rationally using of surface water resources and improving its efficiency.

Key words: surface water; spatial and temporal distribution characteristics; the volume of surface water can be used;Hebei Province

地表水资源量是指河流、湖泊、冰川等地表水体中由当地降水形成的、可以逐年更新的动态水量,用天然河川径流量表示。地表水资源是支撑经济社会可持续发展和维系良好生态环境的重要资源。河北省背山面海,地势西北高,东南低,根据地貌成因及形态特征,可分为坝上高原、山地(包括山间盆地)和平原三大类型。由于地貌特征复杂,对水资源的产流、汇流过程等都会产生不同的影响,时空分布及变化特征受流域地形、地貌和植被的作用,形成具有地域性的特点。分析和研究地表水资源的时空分布和变化特征,根据变化特征采取相应的取水方法和工程措施,为合理开发利用地表水资源提供科学依据。

1 河北省地表水资源量

根据河北省的流域特点和降水特性,地表水资源量计算采用河北雨洪模型进行计算[1]。该模型通过对现状条件下的降水产流进行模拟,得到现状条件下年降水量产生的相应径流量(地表水资源量)与河川径流量之间的定量关系,为水资源量系列一致性处理及水量还原计算等探求相应的理论方法,并探讨用模型进行流域水资源精度,以克服常规方法必须进行还原大量调查的缺点。

根据河北雨洪模型方法进行的全省多年平均地表水资源量为120.38亿m³,折合年径流深64.1 mm。对全省地表水资源量系列频率计算,求得平水年(P=50%)地表水资源量为101.28亿m³,偏干旱年(P=75%)地表水资源量为69.71亿m³,干旱年(P=95%)地表水资源量为47.65亿m³。河北省流域分区地表水资源量成果见表1。

2 地表水资源年际变化

径流的多年变化规律受降水的多年变化规律及下垫面因素的影响,年际变化程度比降水更为剧烈,地区之间也有较大差别。径流量年际变化的大小,可用变差系数(Cv)或极值比(最大值与最小值之比)加以衡量。年径流系列变差系数值越大,极值比越大,径流量年际变化越不均匀。

对水文现象来说,变差系数的大小反映河川径流在多年中的变化情况[2]。根据河北省水资源评价结果分析,河北省地表水变差系数为0.58。各行政区地表水径流量系列变差

表1 河北省流域分区地表水资源量成果

行政区面积/km²

年径流量均值

年径流量深/mm年径流量/亿m³

参数

CvCs/Cv

不同频率年径流量/亿m³

20%50%75%95%

邯郸市12 04751.36.190.733.08.784.733.002.16

邢台市12 45644.65.561.102.58.443.221.611.11

石家庄市14 07770.49.901.022.515.066.243.171.98

保定市22 11271.715.850.862.523.7811.416.183.65

衡水市8 8158.30.7321.042.01.190.4900.1980.029

沧州市14 05642.05.901.062.09.623.841.480.18

廊坊市642941.02.640.922.04.171.950.8960.211

唐山市13 385109.314.630.702.521.3611.857.313.95

秦皇岛市7 750171.813.310.722.519.4410.656.523.56

张家口市36 96531.311.570.423.514.9310.417.986.02

承德市39 60186.134.100.562.547.7429.6720.1211.59

合计187693120.38165.98101.2869.7147.65

平均64.10.583.0

系数范围为0.42～1.10。张家口市变差系数最小,为0.42;邢台市变差系数最大,为1.10。按地形地貌分,海河北系山区变差系数为0.42,海河南系山区为0.84;平原区的徒骇马颊河变差系数为1.86,滦河、冀东沿海为0.82。

从各河年径流最大与最小的比值来看,内陆河张北站为31.5;滦河、河北沿海、潮白蓟运河、永定河分别为15.5、20.7、13.0、30.9;漳河刘家庄-匡门口区间比值为13.9。滹沱河和滏阳河径流量年际变化更大,有相当一部分流域或区间枯水年份流量很少甚至不产流,因此其最大与最小年径流量比值很大。滹沱河王岸站比值为208.5,滏阳河西台峪站比值为88.7。

岩溶发育的地区,径流年际变化也较为悬殊。如漏水区的滏阳河临洺关站,年径流最大与最小的比值为375.4;而在泉水出露地区,径流的年际变化比较平缓,如滏阳河东武仕站,年径流最大与最小的比值为11.2。

多年平均年径流系数的地区分布与年径流深相似。在太行山、燕山迎风坡,呈现一条与山脉弧形走向一致的年径流系数大于0.2的高值地带。年径流系数的最高值为0.39,出现在冀东沿海水系石河水库上游的住曹营一带。年径流系数,由高值带两侧向西北和东南逐渐减小。在张家口北部的内陆河流域出现了山区低值区,最低值约0.01,这是由于流域下垫面覆盖层较厚,流域内多为丘陵和草滩,不利于产流所致。太行山前平原区和其它相邻的中部平原区的大部分年径流系数在0.05以下。其中,冀县、辛集、宁晋一带年径流系数为0.01,为平原区最低值。

在漏水严重的岩溶地区,年径流系数也较小,如滏阳河临洺关站,多年平均径流系数为0.08;而在外流域地下水补给的地区,年径流系数很大,如滏阳河东武仕站,多年平均年径流系数为2.08.

河北省多年平均年径流系数为0.12,山区和平原多年平均年径流系数分别为0.17和0.05。

3 地表水资源年内分配

径流年内分配的特点与降水年内变化规律基本一致,但由于下垫面因素的影响,使径流年内分配与降雨又有所不同。全年连续最大四个月水量一般出现在7月-10月份,由于各河径流的补给形式和流域调蓄能力的差异,使各河水量的集中程度有所不同,一般为50%～80%。山区河流的汛期水量(6月-9月)可占全年水量的60%左右。一些源短流急、植被较差的小河,汛期水量可占全年水量的80%~90%;平原地区河流,全年水量几乎产生于汛期几场甚至一两场暴雨。个别以泉水补给为主的河流,年内分配比较均匀,汛期水量占全年水量的35%左右。部分代表站径流量年内分配见表2。

由于各河径流的补给形式和流域调蓄能力的差异,使各河水量集中程度有所不同。根据各河径流补给来源、流域调蓄能力及气候特征的差异,径流量的年内分配可划分为以下几种类型。

第一类,发源于燕山、太行山迎风区的河流,如卫河、滏阳河、大清河、北运河、蓟运河、冀东沿河诸河,漳河、滹沱河、永定河、潮白河、滦河中的中下游各支流,以及背山区一些无泉水补给的小河,源短流急,水量集中,汛期径流一般占全年的65%～75%;冬季只占全年的10%～15%。如滦河山区滦县站年内分配柱状图见图1。

图1 滦县站多年平均年内分配柱状图

第二类,发源于黄土高原的永定河、滹沱河和漳河,河源流长,流域调蓄能力强,并有相当比重的泉水补给,径流集中程度较低,汛期径流一般占全年的45%～55%,冬季径流占全年的15%～25%。如子牙河山区滹沱河黄壁庄站年内分配柱状图见图2。

表2 河北省部分径流代表站多年平均天然径流量月分配

月份

滦河山区滦县站

径流量/万m³占全年比例(%)

滹沱河黄壁庄站

径流量/万m³占全年比例(%)

永定河石匣里站

径流量/万m³占全年比例(%)

滦河石河站

径流量/万m³占全年比例(%)

1月8 8542.18 6494.32 9933.71300.85

2月8 6172.08 3924.23 6054.51100.72

3月15 3963.713 3166.710 02612.51601.05

4月15 7653.79 9415.06 3828.01721.13

5月8 5392.08 2914.14 3295.41781.17

6月19 0264.58 2434.15 6387.06514.27

7月102 67524.423 74011.910 63713.36 10640.09

8月134 52832.055 73727.913 10416.45 39035.39

9月51 01412.124 25012.18 57910.71 4409.45

10月27 5406.517 2468.66 7898.54262.8

11月17 9334.313 1446.64 7295.92921.92

12月11 1772.78 8444.43 2774.11300.85

合计421 064100199 793100.080 088100.01100.72

图2 黄壁庄站多年平均年内分配柱状图

第三类,以泉水补给为主的河段,径流年内分配较均匀,汛期径流一般占全年的40%～50%,枯季径流占全年的25%～30%,如永定河石匣里站年内分配柱状图见图3。

图3 石匣里站多年平均年内分配柱状图

第四类,平原地区的河流及集水面积主要分布在漏水区的山区性河流,绝大多数属间歇性河流,全年水量几乎全部集中在汛期。如滦河山前小流域的石河站年内分配柱状图见图4。

图4 石河水库站多年平均年内分配柱状图

通过上述四种情况分析,在降水过程基本一致的情况下,通过流域调节、植被复杂的拦蓄过程,对降水量进行重新分配,改变了地表水与地下水的比例,增加地下净流量,改变径流分配过程,使河流水量变化缓和稳定,水源常年不断。

4 地表水时空分布特性对可利用量影响分析

河北省主要有滦河及冀东沿海、潮白蓟运、永定、大清、子牙、南运6大水系。不同的下垫面情况、众多的水利工程设施,构成了一个复杂的供水、用水系统。根据地表水年际变化特征及年内时空分布规律,不同区域采取相应的工程措施,提高水资源的利用率。

4.1 地表水资源可利用量特性

地表水资源可利用量是指在经济合理、技术可能及满足河道内用水并顾及下游用水的前提下,通过蓄、引、提等地表水工程措施可能控制利用的河道外一次性最大水量(不包括回归水的重复利用)[3]。据此分析,地表水资源可利用量有如下特性。

相对独立性:流域产汇流和上下游水力联系的独立完整性决定其计算应该按流域水系进行,在同一流域或水系内,上下游、干支流之间水资源开发利用相互影响、相互联系,但不同流域和水系的地表水资源可利用量相对独立。

动态性:地表水可利用量不表示某一具体水平年的数量,而仅代表中远期宏观的平均可利用极限,其计算不需要通过各种地表径流利用工程直接调节计算,只需着重考虑未来区域发展对水资源的需求。由于不同时期生态环境需水(河道内和河道外)的不同,生态环境需水对地表水可利用量的约束也不同,并且随着经济实力和技术水平的提高,人们获得增加地表水可利用量的措施和手段不断增强和更新。因此,地表水资源可利用量在不同的时期内,有不同的可利用资源量,即具有动态性。

水平年与频率:地表水可利用量在时间尺度上具有模糊性。由于丰、平、枯不同典型年份的区域自产水量和区域外流入量不同,地表水可利用量也有所不同,因此地表水可利用量具有频率概念。不同水平年的地表水蓄、引、提工程措施不同、管理水平也有差异,因而地表水资源可利用量具有水平年的概念[4]。合理的地表水可利用量评价时间尺度,应兼顾不同频率河流来水和不同水平年河道外控制利用水量,并根据河流的水文特性和研究解决实际问题的目的确定一组合理的计算时段,从而确定相应一组合理的地表水可利用量。

4.2 河北省地表水可利用量计算

地表水可利用量影响因素主要有:①自产年径流量;②入境水量;③出境水量;④同样的地表水蓄、引、提工程措施,采用不同的调度运用方案,可以控制利用的地表水量;⑤河道内生态用水。河北省恢复生态环境目标涉及面多,情况复杂,本次地表水可利用量计算没有考虑生态环境用水。

河北省地表水开发利用程度很高,现状平水年地表水的供应量达到自产水量的60%左右,偏枯年可以达到80%左右。经过蓄、引、提等工程措施控制,地表水的供应量基本上能够反映相应频率的自产水量和相应年份的区外流入量,以及兼顾下游地区用水情况下的河道外一次性最大用水情况。分析不同频率的自产水量和相应年份的区外流入量及兼顾下游地区用水量与本省地表水供水量之间的关系,建立经验公式,计算不同保证率的地表水供水系数,地表水资源可利用量经验公式为:

β=W供水量W自产+W入境-W出境(1)

式中:β─地表水利用系数;W供水量─不同保证率的地表水供水量(亿m³);W入境─不同保证率的地表水入境水量(亿m³);W出境─兼顾下游地区用水的出境水量(亿m³);W自产─不同保证率的地表水自产水量(亿m³)。

利用河北省1990年-2006年地表水自产水量、入境水量、出境水量和地表水供水量,计算出河北省地表水平均利用系数为0.591。但受河北省降水年际变化特征影响,地表水利用系数最小的年份为0.229(1996年),最大的年份为0.931(1999年),可利用系数年际变化悬殊较大。河北省地表水可利用系数计算成果见表3。

表3 河北省地表水可利用系数计算成果

年份利用系数

年份利用系数

年份利用系数

19900.45319960.22920020.903

19910.56119970.84720030.545

19920.69019980.53320040.459

19930.72619990.93120050.539

19940.32620000.56320060.724

19950.27420010.753平均0.591

4.3 地表水时空分布特性对可利用量影响

地表水年际变化幅度较大,不利于地表水资源的利用。主要受水利工程容量的限制,在丰水年大量弃水,降低了地表水资源的利用率。利用1990年-2006年地表水自产水量和利用进行相关分析,相关系数为0.82,并且呈负相关关系,自产水量越大,利用率越低。如1996年,自产水量为206.5亿m³,地表水供水量56.23亿m³,地表水利用系数为0.229;2002年,自产水量为38.8亿m³,地表水供水量39.42亿m³,利用系数为0.931。

植被比较好的流域,植被对径流的调节作用比较明显,径流量年内分配相对比较均匀。除拦截降水和消除侵蚀动能外,还能增加糙率、阻延流速、减少径流与冲刷量,对减少土壤侵蚀,保护水生态环境都发挥积极作用。

从地表水利用的角度分析,第三类年内分配情况最有利于直接利用,可以直接在河道旁建设取水设施。根据山区浅水河流的特性,浅水河流取水构筑物的型式有:低坝取水、底栏栅取水、渗渠取水、开渠引水等[5]。低坝取水构筑物有固定坝和活动坝两种型式:活动式低坝枯水期能够挡水和抬高上游水位,洪水期可以开启,减少上游淹没的面积。并能冲走坝前沉积的泥沙;底栏栅取水构筑物通过坝顶带栏栅的引水廊道取水,由拦河低坝、底栏栅、引水廊道、沉沙池、取水泵房等部分组成。

对于第四类年内分配的情况,需要建立水利工程才能利用,如利用坑塘蓄水,在河道上建立节制闸拦蓄汛期雨水等措施。该情况使得水资源利用的投资大,利用率低。因此,地表径流的年内分配形式,对水资源的利用量和利用效率均有影响。

同样的地表水蓄、引、提工程措施,采用不同的调度运行方案,可以控制利用的地表水量有所不同。合理调度是提高水资源利用率的有效措施。地表水资源时空分布比较集中的地区,应采用较大的水利工程拦蓄雨水;水资源时空分布较均匀的区域可用较小的工程蓄水,或直接利用。掌握其变化规律,是提高水资源利用率的前提。

5 结论

河北省地表水资源受地形、地貌和地理位置的影响,并与降水时空分布有关,年际变化幅度较大。滦河、河北沿海、潮白蓟运河、永定河的极值比分别为15.5、20.7、13.0、30.9,最大的滹沱河王岸站比值为208.5。

地表水年内时空分布,不同的地域和不同的下垫面条件差别很大,第一类汛期径流一般占全年的65%～75%,冬季只占全年的10%～15%;第二类区域汛期径流一般占全年的45%～55%,冬季径流占全年的15%～25%;第三类区域汛期径流一般占全年的40%～50%,冬季径流占全年的25%～30%;第四类区域全年水量几乎全部集中在汛期。

河北省地表水资源多年平均可利用系数为0.591 4,最小值与最大值变化幅度较大,分别为0.229 1和0.931 3,自产水量越大,利用系数越低。

流域植被较好的区域,径流年内分配较均匀,汛期径流一般占全年的40%～50%,枯季径流占全年的25%～30%,有利于地表水资源的利用。

根据地表水年际变化特征及年内时空分布规律,不同区域采取相应的工程措施,提高水资源的利用率。水资源时空分布比较集中的地区,应采用较大的水利工程拦蓄雨水;水资源时空分布较均匀的区域可用较小的工程蓄水,或直接利用。

参考文献:

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[2] 詹道江,叶守泽.工程水文学[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[3] SL/T 238-1999,水资源评价导则[S].

[4] 井 涌,秦大庸,王建华.地表水可利用量计算方法研究[J].水文,2006,(增刊):35-38.

[5] 刘玲花,周怀东,金 旸.农村安全供水技术手册[K].北京:化学工业出版社,2005.

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