白龙江调水工程可调水量及对下游影响分析

岳立恒，王亚变

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

白龙江调水工程是从甘肃省境内嘉陵江支流白龙江上游引水至泾渭河流域，旨在解决天水、平凉、庆阳3市20区县城乡生活用水，保障“关中—天水经济区”和陇东能源基地建设和发展的供水安全，改善生态环境，是解决甘肃省泾渭河流域缺水问题的重大战略工程，也是国家172项重大水利工程建设项目之一。根据对白龙江调水工程受水区供需分析计算可知，2040年受水区缺水量为9.6亿m3，而白龙江调水工程可调水量具体有多少？能否满足受水区的水量需求？是需要进一步解决的问题。并且调水工程的实施势必会导致白龙江干流水位下降、水量减少、流量变小等一系列变化，其变化有多大？会产生何种影响也需做更深入分析。

目前对可调水量及调水对下游影响方面的研究，多集中在南水北调工程和黄河流域调水工程，陈桂亚等分析了南水北调工程丹江口水库弃水可调水量[1]。麻蓉通过构建多目标模拟模型，迭代模拟优化算法确定了黄河上有梯级水库群的可调水量[2]。窦明等采用扣损法分析了中线调水对汉江下游水资源可利用量的影响[3]。王中敏等通过设置调水工况情景，定量分析了引调水工程对汉江中下游生态环境的累积叠加影响[4]。朱烨运用Mann-Kendall非参数检验法分析了南水北调中线调水对汉江中下游水文情势的影响[5]。本文综合考虑不同来水频率下天然径流量及调出区社会经济用水情景，对白龙江调水工程可调水量展开计算，并分析调水后对白龙江干流用水的影响，可为白龙江调水工程的实施提供借鉴和指导。

1 可调水量分析计算

对白龙江调水工程可调水量分析计算时，按照满足流域生活、生产、河道内外生态环境用水的前提下，计算从白龙江干流取水断面允许调走的最大水量。计算方法：优先满足水源点上下游生活、生产、河道外生态环境用水，下泄水量需满足水源点以下河道内生态环境需水要求，综合分析计算取水水源点的可调水量。

1.1 地理位置及数据来源

白龙江调水工程取水点为代古寺断面，位于甘南州境内，断面以上主要涉及四川省阿坝州若尔盖县、甘肃省甘南州迭部县和碌曲县，流域面积为7953km2，如图1所示。计算过程中收集了白龙江干流主要站点1956—2013年各月实测径流资料。社会经济等数据来源与四川省统计年鉴、阿坝州统计年鉴、甘肃省统计年鉴、甘南州统计年鉴等。在对三磊坝控制断面径流分析中，依据《嘉陵江流域水量分配方案》中的相关要求。

图1 白龙江调水工程地理位置

1.2 取水断面不同频率下典型年径流过程分析

根据对代古寺站点径流分析，采用典型年法选取25%、50%、75%、95%来水频率下的代表年分别为1962、1956、1995、2002年，通过计算获得其多年平均及不同来水频率下年径流量及月径流量，具体见表1，取水断面不同频率下径流过程如图2所示。

表1 代古寺断面不同频率下年径流量 单位：亿m3

图2 代古寺取水断面不同频率下径流过程

由表1可知，代古寺断面多年平均径流量为22.26亿m3，丰水年、枯水年径流量变化较大，丰水年年径流量为枯水年的1.35倍、特枯水年的1.71倍。年内径流分配不均，降水多集中在5～10月，多年平均情况下汛期总径流量是非汛期的2.96倍。从不同频率下年内径流过程来看，丰水年有2个径流峰值，分别为7、10月；平水年7月降水量最大；枯水年8月最大；特枯水年6月最大。不同频率下2月月径流都为最小。

1.3 河道内生态基流

河道内生态基流根据SL/Z 479—2010《河湖生态环境需水评估导则(试行)》，分别采用90%保证率最小月平均流量法(Q90)、95%保证率最小月平均流量法(Q95)、10年最小月平均流量法、多年平均流量的百分比法、多年平均流量大于80m3/s时按5%取用法、Tennant法、典型年最小月平均流量法计算1956—2013时段的各断面处河流生态需水流量[6- 11]，计算结果见表2。

表2 代古寺取水断面生态基流计算成果表 单位：m3/s

表2可知，代古寺断面生态基流在不同计算方法下相差较大。根据《嘉陵江流域水量分配方案》中要求的三磊坝控制断面最小流量控制指标90.3m3/s，经长系列调节计算与Q90法基本一致，本文采用90%保证率最小月平均流量法确定的生态基流流量21.2m3/s。

1.4 取水断面上下游耗水分析

根据调出区四川省、甘肃省相关地区发展规划报告及各省区域战略发展及相关民族地区政策的要求，采用定额分析法预测四川省、甘肃省相关地区2040年耗水量及耗水过程，见表3，不同频率下耗水量过程如图3所示。

表3 2040年不同频率下四川、甘肃相关地区年耗水量 单位：亿m3

图3 白龙江调出区四川、甘肃2040年不同频率下耗水量过程

由表3可知，不同频率下四川、甘肃相关地区2040年年耗水量相差不大，但年内耗水过程有明显区别，总体来看，不同基准年下四川省月耗水较为平均，变幅较小，而甘肃省各月耗水过程存在明显峰值，在5月达到最大，其中4—7月合计耗水量分别占全年的66%、54%。

1.5 预留经济社会发展水量

考虑到调出区未来社会经济发展用水需求，在可调水量分析过程中，需预留部分社会经济发展用水。遵循原则：代古寺断面以下产流较大的支流断面经济社会发展水量进行全部预留，该支流可完全满足支流汇口以下一定长度(最少为下一大的支流汇入前)内经济社会发展需求水量。

1.6 代古寺取水断面规划水平年可调水量

合理的调水规模是以断面的天然径流量扣除该断面上游地区生活、生产、河道内外生态环境用水的耗水量、该断面下游地区的预留水量及河道内生态环境用水量后的水量，作为该断面的可调水量。通过计算获得2040年代古寺断面不同频率下的可调水量，见表4。根据白龙江调水工程规划要求，调水工程调水量为9.6亿m3/s，2040年除95%来水频率不能满足外，其他条件下均可满足。考虑到代古寺水利工程具有6.2亿m3调节库容，在多年调节情况下能够满足调水工程的调水需求。

表4 2040年不同频率下可调水量 单位：亿m3

2 调水后对下游影响分析

2.1 对调出区水资源的影响

(1)对多年平均工况下水资源量的影响

代古寺断面：白龙江调水工程总调水规模9.60亿m3，占取水断面可调水量的比例为63.0%，占取水断面水量的43.2%。调水量占甘肃省白龙江总控制断面(出省断面)水量的10.95%，具体见表5。

表5 调水后取水断面水量变化

出省断面：实施白龙江调水工程后，白龙江干流段水量将减少，以下游出省断面控制，与调水工程实施前比较，多年平均情况下，调水量占出省断面水量的10.95%，50%来水频率下占11.13%，75%来水频率下占12.97%，95%来水频率下占16.40%。调水量占调水所在河流水量比例较小，调水前后出省断面水量变化见表6。

表6 调水后出省断面水量变化

(2)对下泄过程影响

代古寺坝址：根据长系列调节计算，调水前后多年平均来水及下泄水量过程见表7，出省断面调水前后下泄水量过程及变化如图4所示。调水工程未实施不引水工况下坝址多年平均下泄水量为22.05亿m3，实施引水工况下坝址多年平均下泄水量为12.36亿m3，水量减少9.69亿m3，相对于不引水工况下泄水量减少43.9%。就年内下泄过程而言，按照调水规则，12—3月白龙江来水全部下泄，因此这4个月无变化。其他月中，5—7月变化程度最大，最高达71.8%，代古寺断面下泄过程变化剧烈。从丰水段、枯水段来看，调水多集中在丰水段，因此受影响也更大，为56.3%；枯水段调水量较小，变换也小，仅为7%，在枯水段下泄过程变化较小。

表7 代古寺坝址多年平均下泄过程与来水过程对比表

出省断面：根据长系列调节计算，调水前后多年平均来水及下泄水量过程，见表8，出省断面调水前后下泄水量过程及变化如图5所示。在调水工程未实施不引水工况下出省断面多年平均下泄水量为86.36亿m3，实施引水工况下出省断面多年平均下泄水量为76.68亿m3，水量减少9.69亿m3，相对于不引水工况下泄水量减少11.2%。就年内下泄过程而言，如图5所示，12—3月下泄过程不变，5—7月变化幅度都超过了15%，最高达19.1%，出省断面流量出现较为明显的减少。从丰水段、枯水段来看，丰水段下泄水量减少13.5%，存在较明显减少；枯水段减少幅度仅为4.7%，下泄流量变化较小。

表8 出省断面多年平均下泄过程与来水过程对比表

图4 出省断面调水前后下泄水量过程及变化

图5 出省断面调水前后下泄水量过程及变化

2.2 调水后下游干流水情变化

(1)调水点及下游流量变化

代古寺断面：多年平均来水情况下，如图6(a)所示，代古寺断面流量变化为-66%～11%，受代古寺水利枢纽的调蓄作用影响，枯水期向下游补水，流量变大，其中2月增幅最大，达11%。受调水影响，从4月开始，流量大幅度下降，5月达到最大值，为-66%。枯水年，如图6(c)所示，流量变化范围为-74%～58%，2月补水量最大，径流增加了58%，5月径流量减小最大，为-74%，流量发生大幅度减少。特枯年份，如图6(e)所示，流量变化范围为-72%～36%，较枯水年份有所收敛，主要原因是特枯年分降水相对于枯水年较为平均。总结起来，白龙江调水工程对代古寺取水断面不同来水频率下的径流均有较大影响，但影响有利有弊，由于代古寺水利枢纽的调蓄作用，枯水期能够给下游补水，满足基本河道生态需水要求，但丰水期受调水影响，流量减少幅度较大，5月减少幅度最大。

入嘉陵江交汇断面：自代古寺取水断面之后，白龙江干流有岷江、拱坝河、白水江等较大支流汇入，使得白龙江调水工程对径流的影响减弱。多年平均情况下，如图6(b)所示，交汇断面的径流变化范围为-11%～-6%，年内变化较为均匀；枯水年，如图6(d)所示，径流变化为-18%～-5%，年内变化幅度变大，降幅最大月为9月；特枯水年，如图6(f)所示，径流变化为-28%～-5%，除9、10月发生较为明显的减小外，其他月变化在-10%～-5%之间，较为平稳，而9、10月流量急剧减少，反映出调水工程在这2个月调水量较大，对下游径流的影响也较为明显。

(2)调水点及下游水位变化

代古寺断面：受白龙江调水工程及代古寺水利枢纽的综合影响，代古寺断面调水后年内河道水位变化较调水之前平缓，1—3月代古寺水利枢纽对白龙江干流补水，水位较调水前有所抬升，4月之后，虽降水增多，但受调水影响，水位抬升较调水前幅度变小。具体来看，多年平均情况下，如图7(a)所示，调水前后水位变化幅度为-1.31～0.08m，呈单峰单谷式波动；枯水年，如图7(c)所示，调水前后水位变化幅度为-1.61～0.42，波动变化总体呈先增后减规律，但7月降幅较前后月有所减小，呈现一小峰的波动；特枯水年，如图7(e)所示，调水前后水位变化幅度为-1.43～0.26，水位变化幅度规律也基本遵循先增后减的总体趋势，但5月受降水量小的原因，水位降幅较其他年份有所减小。

图6 不同频率下代古寺断面、入嘉陵江交汇断面调水前后各月径流及变化

图7 不同频率下代古寺断面、三磊坝断面调水前后各月水位及变化

三磊坝断面：自代古寺断面之后，白龙江干流有岷江，岷江、拱坝河、白水江等较大支流汇入，汇入水量较大，白龙江调水工程的实施对白龙江下游控制断面三磊坝断面的影响有限，河道水位在调水前后变化较小。具体来看，多年平均情况下，如图7(b)所示，三磊坝断面水位变化幅度为-0.14～-0.04m，7月降幅最大，变化规律呈双峰双谷式；枯水年，如图7(d)所示，水位变化波动更为明显，呈三峰三谷式，变化幅度为-0.16～-0.03m，7、9两月降幅较大；特枯水年，如图7(f)所示，调水前后水位变化波动性变小，呈单峰单谷式变化规律，但水位降幅变化较大，变化范围为-0.23～-0.04m，10月降幅最大。

2.3 调水对下游水质影响

根据代古寺上游迭部水质监测数据可知，白龙江代古寺来流化学需氧量小于10mg/L，氨氮小于0.5mg/L。由于支流缺乏长系列同步水质监测资料，因此本模拟预测的水质浓度未考虑本底浓度影响。

通过对白龙江现状负荷条件下四个水文年(丰水、平水、枯水、特枯)，引水前后的水质指标浓度的模拟，初步得出如下结论：不同典型水文年(丰水、平水、枯水、特枯)下，由于上游来流量的减少，总体上污染物浓度会上升，水质变差。受代古寺水库调节作用的影响，1—3月水质变化最小；不同典型年下，分析引水对白龙江上游立节断面、中游拱坝河断面、下游嘉陵江汇口断面的影响可知，引水对离代古寺坝址较近断面水质的影响大于离坝址较远的断面，在嘉陵江汇口断面处影响最小，1—3月水质甚至不发生变化；现状负荷、不同典型年下，叠加本底浓度后COD均满足水功能区水质III类管理目标，现状负荷下水质模拟工况见9，引水工程不会对水功能区造成影响。

表9 现状负荷下水质模拟工况

3 结论

跨流域调水工程可调水量以及对下游的影响是调水工程设计的关键环节，是评价项目可行性和合理确定工程调水规模的直接制约因素。本文通过长系列径流调节计算，分析了不同来水频率条件下白龙江调水工程的可调水量，以及在调水工程实施后，对下游水资源、干流水清和下游水质的影响。通过分析，在新建代古寺水利枢纽的前提下，可满足白龙江调水工程9.6亿m3的年调水需求；调水工程实施后，对代古寺断面径流量影响较大，对出省断面径流量的影响较小；调水后年内河道水位变化较调水之前平缓，影响较小；工程不会对水功能区水质造成影响。通过上述分析成果，可为白龙江调水工程的项目决策和确定工程规模提供重要的参考依据。