基于降水径流原理的北河可供水资源量分析

夏卫兵，华 晨，胡尊乐，张鼎城，胡斯玮

(1.溧阳市水利局，江苏 常州 213300；2.江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏 常州 213022)

随着经济社会和城市化进程的飞速发展，溧阳市区域水质型缺水现象的加剧，溧阳市对河湖库的水资源需求越来越迫切。境内包括北河在内的南河水系，是贯穿溧阳市东西部的重要河流，更是溧阳市重要的供水源地，在保障溧阳市水资源需求，促进经济社会发展方面发挥了越来越重要的作用。北河位于溧阳市西北部丘陵山区，是溧阳市以南渡镇为核心的西北片区重要的供水源地，在减轻下游地区防洪压力的同时，在灌溉、工业供水、航运以及推动南渡、上兴等乡镇经济社会发展等方面发挥了重大作用，产生了显著的社会效益和经济效益。因此，开展北河的可供水量分析，为溧阳市西北片区经济社会的发展提供技术支撑也是必然[1-3]。

本文根据北河水系历史实测流量资料，利用降水径流原理计算和还原北河1978—2019年逐月径流量过程，进而分析北河在一定供水工况(不同的降水年型)、供水要求(不同的供水对象)下的最大可供水量，为区域水资源的开发利用提供了技术支撑。本文所提供的思路与方法也为分析和计算类似区域的可供水资源量提供参考。

1 北河基本情况

1.1 河道水文情势

北河属南河水系，是太湖流域湖西引排骨干工程之一。该河与南河、中河共同承泄南河地区上游西北部、西部和南部山丘区洪水，拦截西北部茅山山区洪水进入洮湖(长荡湖)，是溧阳市北山地区重要引排、通航骨干河道，西起上沛镇东塘桥三叉河，流经南渡、前马、绸缪、别桥四镇东至黄泥港入洮湖，全长26.45 km，汇水面积343.3 km2。

北河上接上兴河和上沛河，主要承接上游降水径流。汛期受上游影响暴雨径流影响，北河易出现明显的洪水过程，水位表现为陡涨陡落(最大实测流量为183 m3/s，2016年7月3日)。而在枯水季节，水位变化平缓，略受丹金溧漕河溯水影响，北河主要供沿线工农业生产用水需要，当上游汇水范围内的来水量不能满足河道用水需求时，可从下游丹金溧漕河补充水源，此时水位流量变化与丹金溧漕河基本一致。

1.2 供水现状

北河上游用水量主要分为农业灌溉用水、工业用水和生态用水。

(1)上游农业用水量

北河上游汇水区域内主要用水是农业灌溉用水，林牧渔业和生活用水较少，多年平均农业用水量为1 815.7万m3，最大农业用水量为1978年的4 107.3万m3(理论推算值)，最小农业用水量为2016年的353.1万m3，农业用水主要集中在5—9月。显然，农业用水量大小与降水年份关系密切。

(2)北河工业用水量

北河南渡(施)站附近共有3个工业取水口：江苏弘博热电有限公司取水口、江苏新旺混凝土有限公司取水口、江苏福泰建材有限公司取水口，其取水规模分别为：275万m3/a、1.7万m3/a、5万m3/a。其中，江苏弘博热电有限公司取水口在南渡(施)站上游，另两个取水口位于南渡(施)站下游。因此，南渡(施)站以上工业取水量为275万m3/a。

(3)生态用水

生态用水是指在特定的时空范围内，维持各类生态系统正常发育与相对稳定所必需消耗的、不作为社会和经济用水的、现存的水资源。经分析计算，北河年生态需水量为972.6 m3，月平均生态需水量为81.0 m3。

2 技术路线

本文的主要目的在于分析北河在一定供水工况(不同的降水年型)、供水要求(不同的供水对象)下的最大可供水量。主要技术路线与工作内容包括：

(1)根据北河水系实测流量资料，利用降水径流原理计算和还原北河1978—2019年逐月径流量过程。

(2)根据皮尔逊III型曲线，对北河的年径流量进行频率计算，得出相应年份的径流量，并对北河年径流量的特性(年际变化趋势，年内分配不均匀性)进行分析。

(3)根据北河的历史与现状供水，计算和分析北河水系不同降水年份的用水量(农业和工业用水量)，按月计算和分析北河的可供水量。

(4)根据丹金溧漕河实测流量资料，计算丹金溧漕河对北河的供水能力。

(5)根据北河的可供水量调节计算结果，确定相应的供水保证率和相应的可供水量，并评估对北河防汛防旱的影响，得出北河较优的供水方案和相应的水利工程建设建议。

3 降水径流原理

正常情况下，一定的降雨会产生地表径流。为了便于计算和使用，水文部门一般将降水量、产流量及其主要影响因素，通过一定的相关曲线或数学公式来表达降水径流之间的关系。1959—1965年期间，江苏省水文部门陆续编制《江苏省水文手册》和《江苏省水文计算参考资料》。1976年，江苏省水文总站在总结以往经验的基础上，采用了更多的水文资料(截至1974年)，并吸取了手册的若干应用经验，重新编制了《江苏省水文手册》，主要包括各种水文特征值的等值线图、分区成果表、关系曲线、计算公式及简要的计算、方法等，可为水利工程技术人员、农业科技人员、公路桥梁设计人员等提供水文计算方面的参考，也可为水利工程的设计和农田水利规划等提供特定的水文数据。其中，也收录了江苏省太湖流域湖西山丘区的降水径流关系。

4 可供水量分析

4.1 北河来水量

为了便于计算，本文根据北河流域范围内东岳庙和上沛雨量站月降雨资料，采用算术平均法计算北河水系的面平均月降水量，得出北河上游的月来水量。北河多年平均年径流量为6 484万m3，产水模数为33.8 m3/km2，产流系数为0.29。相比降水量而言，年际变化更大，变差系数为0.58，最大年径流量为2016年的21 944万m3，最小年径流量为1978年的830.0万m3，前者是后者的26.4倍。年内分配与降水量年内分配比较相似，也不均匀，5—9月径流量为5 056万m3，约占全年径流量的78.0%，最大月产流量为1999年6月的7 141万m3。

4.2 水量平衡分析

本文根据水量平衡原理，推算北河的可供水量：

W可供水量=W北河来水-W农业取水-W上游工业取水-W生态用水

其中：W可供水量为北河来水减去农业用水、上游工业取水量和生态用水之差(万m3)；W北河来水为南渡(施)站上游北河集水范围内的降雨径流(万m3)；W农业用水为南渡(施)站上游区域内的农业用水(万m3)。农业用水量仅计算水稻田和菜田的灌溉用水量。在不同降水年份下，农业用水略有变化。根据溧阳农作物灌溉制度，灌溉时段为5—9月灌溉用水分配比例为5%，30%，20%，25%，20%；W上游取水为南渡(施)站上游其他工业取水量(万m3)；W生态用水为南渡(施)站上游生态用水量(万m3)。

根据水量平衡原理，南渡(施)站处北河可供水量应为上游区域内的来水量与上游农业用水量、工业取水量及生态用水之和的差，从而推算不同年份余水量情况：1978—2019年间，其中上游余水量小于0的月份共计有179个，占总月份的36%；汛期共计有210个月，其中上游余水量小于0的月份共计有92个，占汛期总月份的44%。汛期主要受农业取水影响，非汛期主要受降水量不足影响，导致上游来水量不足，需依靠下游丹金溧漕河补给(北河出现逆流)。

4.3 补水分析

上述计算说明，北河部分月份存在来水量不足的问题，需要丹金溧漕河来水补充。根据实测降水资料，本文选取平水年为2012年(P=50%)，枯水年为2019年(P=75%)，特枯年为1997年(P=75%)。将北河上游余水量、下游来水量、下游用水量以及丹金溧漕河可供水量代入各典型年计算。计算结果表明，在考虑丹金溧漕河过水能力增强的状况下，平水年北河总余水量由17 293.9万m3增加到了19 105.7万m3，月最小余水量由378.4万m3增加到了482.5万m3；特殊干旱年北河总余水量由16 331.4万m3增加到了18 574.4万m3，月最小余水量由698.8万m3增加到了947.8万m3。

5 结 语

(1)北河多年平均年径流量为6 484万m3，产水模数为33.8 m3/km2，产流系数为0.29。相比降水量而言，年际变化更大，变差系数为0.58，最大年径流量为2016年的21 944万m3，最小年径流量为1978年的830万m3，前者是后者的26.4倍。年内分配与降水量年内分配比较相似，也不均匀，5—9月径流量为5 056万m3，约占全年径流量的78.0%。

(2)北河沿线用水以农业用水为主，用水主要集中在5—9月，多年平均农业用水量年为1 815.7万m3，最大农业用水量为1978年的4 107.3万m3，最小农业用水量为2016年的353.1万m3。工业用水为辅(年用水量为275万m3)，总体取用水量较大，建议加强北河沿线工农业用水管理，提高农业灌溉效率和工业用水效率，增加北河的可供水量。

(3)仅考虑上游来水情况下，1978—2019年间，北河上游余水量小于0的月份共计有179个，占总月份的36%；汛期上游余水量小于0的月份共计有92个，占汛期总月份的44%。汛期余水量不足，主要受农业取水影响，非汛期余水量不足主要受降雨稀少影响。考虑丹金溧漕河的补水能力，北河各典型年余水量均充足：多年平均月最小余水量发生在2月，为848.8万m3；平水年(2012年)月最小余水量发生在9月，为482.5万m3；中等干旱年(2019年)月最小余水量发生在9月，为450.7万m3；特殊干旱年(1997年)月最小余水量发生在6月，为947.8万m3。建议继续拓浚北河水系，进一步增加北河过水能力，疏浚相关河道，加强北河和中河、南河之间的沟通。