衡水湖水位影响因子机理分析与预测预警研究

2020-08-08王永亮

水科学与工程技术 2020年3期

王永亮

（河北省衡水水文水资源勘测局，河北衡水053000）

衡水湖位于河北省东南部的桃城区和冀州区之间，坐标范围为东经115°27′50″～115°42′51″，北纬37°31′40″～37°41′56″，地处华北最缺水的干旱地区，是华北平原典型的淡水湖湿地之一，也是衡水重要的水资源地，对区域内防洪抗旱、调节气候、降解环境污染及工农业用水，发挥着重要作用［1］。目前衡水湖湿地存在生态水量短缺、湖区滞涝能力偏低、湖区淤积与底泥污染、入湖河道过流能力不足、湖区内村庄排污污染水质等问题［2］。为能持续长久地实现上述功能，本文研究在衡水湖漂浮蒸发场监测的基础上，利用现有监测和调查资料，建立水位动态预测模型，进行水位预测预警，对保护湿地资源和保障城镇安全供水、开发利用湖面资源及维护湖区长期蓄水，对避免周边生态环境出现新的问题具有重要的现实意义。

1 研究区概况

衡水湖泊面积75km2，设计蓄水位21.00m，相应蓄水量1.88亿m3，以人工隔堤为界，将湖区分为东、西两个湖区，东湖面积42.5km2，湖底高程18.00m，设计蓄水量1.23 亿m3；西湖面积32.5km2，湖底高程19.00m，设计蓄水量0.65亿m3［3］。其中东湖又分大、小两湖，北部东大湖面积32.4km2，南部东小湖面积10.1km2，目前只有东湖常年蓄水，现状主要水源是卫运河、滏阳新河、滏东排河及汛期本流域的涝水和引黄河水。本文以北部东大湖面积32.4km2作为研究水量平衡的区域。

2 资料监测与收集

蒸发资料：为了得到大水体在自然环境下的真实水面蒸发量，2018年7月建立了漂浮水面蒸发站，收集了2018年8月～2019年7月漂浮E601型蒸发器资料；同时收集到衡水水文实验站1985年1月～2019年7月不同型号蒸发器的蒸发量及气象观测资料。

其他水文资料：收集到衡水湖水文站1994年1月～2019年7月水位资料；衡水湖站、冀州站、巨鹿站3站1974～2018年降水量资料；衡水湖站、王口闸站、南关闸站2003～2018年径流量资料；衡水湖电厂取水口2003～2018年用水量资料。

3 衡水湖水位变化特征

近年来受人为蓄水影响，衡水湖水位呈上升趋势，1994～2017年系列多年平均水位为19.90m；最高年均水位出现在2017年为20.51m；最低年均水位出现在1994年为18.67m［4］；衡水湖年内水位因受蒸发、渗漏、工农业用水和人为蓄水影响，呈下降趋势，春季水位最高、秋季最低。衡水湖逐月水位过程线如图1。

图1 衡水湖逐月水位过程线

4 影响水位变化因子分析

4.1 水面蒸发量

水库（湖泊）水面蒸发量的数值正确与否，直接影响到水资源利用和水利水电工程的效益［5］。漂浮蒸发器虽处于自然大水体中，但因器内水体仍与自然水体隔开，加上漂浮筏体的影响，所测蒸发量不能直接作为自然水体的蒸发量。因此，湖泊自然大水体蒸发量应为漂浮E601型蒸发器蒸发量扣除暴雨溅水量和器壁耗水量后订正而得［6］。

利用衡水湖和相距17.7km的衡水水文实验站蒸发资料，从气温、1.5m风速、水温3个方面对两站气象因子进行分对照，分析了漂浮E601型蒸发器分别与20m2蒸发池蒸发量、E601型蒸发器蒸发量、20cm口径蒸发皿蒸发量的相关性，相关系数分别为0.979，0.977，0.947，因此本文采用相关系数较好的20m2蒸发器蒸发量对漂浮E601型蒸发器蒸发量的资料进行系列延长。折算系数如表1。

表1 20m2蒸发器与漂浮E601型蒸发器折算系数

根据折算系数，计算出2003～2018年逐月漂浮E601蒸发量，与同时段衡水湖水面面积相乘，得出衡水湖多年平均水面蒸发量为2895万m3。水面蒸发量随季节变化而变化，其年内分配有着很大的差异［7］。年内变化规律表现为：冰期（12月至次年2月）多年平均蒸发量相应较小为216万m3，占多年年均蒸发量的7.5%；进入春灌用水期（3～5月），蒸发量急剧增大，多年平均蒸发量为903.6万m3，占多年年均蒸发量的31.2%；进入汛期6月份，初夏时期内，气候干燥多风且日照充足，饱和水气压差相应增大，蒸发量达到全年最大为447.1万m3；而到了7、8月份，虽然气温依然很高，但随着降水的增多，湿度增加，饱和水气压差减少，从而导致蒸发量逐渐减少，汛期（6～9月）多年平均蒸发量1460.3 万m3，占多年年均蒸发量的50.4%；汛后（10～11月），蒸发量平稳回落，多年平均蒸发量315.3万m3，占年均蒸发量的10.9%。衡水湖多年平均水面蒸发量年内月分配比例如图2。

图2 衡水湖多年平均水面蒸发量年内月分配比例

4.2 入湖径流量

由于流域内水资源不足，衡水湖成为依靠人工调水来保证蓄水的湖泊。多年来，衡水湖水源主要有黄河水、岳城水库水、卫运河水，靠“卫千引水”“引黄入冀”工程来引蓄水量，经计算衡水湖多年平均引水量为5147.5万m3，随着地下水的压采和生态环境保护的高度重视，衡水湖近年来引水量呈增加趋势，引水时机也由原来的冬季定时引水，变为随着湖内水位变化不定期引水。

4.3 出湖径流量

衡水湖北岸大赵退水闸为衡水湖水文站基本监测断面，从1978年建站至今一直监测泄水量；其中对2015年6月王口闸向盐河故道泄水量232.1万m3进行了统计，从每年统计情况看，由于衡水湖湖内本身水量就不足，其下泄量很少，近几年中只有2015年和2017年进行了下泄，其余年份均未进行下泄。

4.4 工业用水量

衡水湖工业用水量主要为衡水电厂用水，每年用水量相差不大，各月用水量呈季节性变化，夏季用水量最多，冬季用水量较少，与用电量呈正比，经计算多年平均用水量为1531.6万m3。

4.5 降水量

利用衡水湖边际成三角状的衡水湖站、冀州站、巨鹿站3站降水量资料，采用算术平均法计算区域面平均降水量，然后根据衡水湖月均水位所对应的水面面积，计算降落在湖面的降水量，经计算衡水湖水面多年平均降水量为1411.4万m3。其中汛期6～9月多年平均水面降水量为989.2万m3，占全年降水量的70%。

4.6 蓄水变量

衡水湖蓄水变量为次月1日8时与当月1日8时的水位相应的蓄水量差值，增加为正值，减少为负值，由于各月蓄水变量与人为蓄水量、工农业用水量、降水量等因素有关，造成每月蓄水变量不等，经计算衡水湖多年平均蓄变量为679.9万m3。

4.7 渗漏量

利用Mann-Kendall法对1994～2018年衡水湖历年水位数据进行趋势检验和突变检验；在受人类影响的现状条件下，对影响衡水湖水位变化的工业用水量、降水量、蒸发量、蓄水变量、入出湖径流量因子进行分析，创建了气象因子为参数的衡水湖月均水位与渗漏量的相关关系，如图3，图4，建立了平原湖泊渗漏量的计算公式：Ws=47.19×Z-837.3（适用3～10月）；Ws=17.65×Z-304.1（适用11～2月）。由公式计算出，衡水湖多年平均年渗漏量为1109.8万m3，其中最小月份渗漏量为11月份的48.2万m3、最大月份为3月份的123.2万m3。根据衡水湖逐月渗漏量和逐月平均水面面积，计算得衡水湖多年平均单位面积渗漏量为37.5万m3/（km2·a）。

图3 3～10月衡水湖月均水位与渗漏量相关

图4 11～次年2月衡水湖月均水位与渗漏量相关

4.8 农业灌溉及其他用水量

农业灌溉及其他用水量主要包括农业灌溉及西湖池塘用水量、降水后坡地汇流及未控入湖量。各月水量变化受有效降水影响，通过资料分析和调查得衡水湖农业灌溉及其他水量多年平均为1090.6万m3。

5 水位预测预警研究

5.1 降水丰平枯分析

降水一般可看作是独立的随机变量，故本次丰、平、枯水年的划分采用数理统计的方法进行分析。将研究区内衡水湖、冀州、巨鹿3个降水量站45年（1974～2018年）整编后的成果，采用算术平均法计算系列面平均年降水量，然后对面平均年降水量系列进行频率计算，利用皮尔逊Ⅲ型曲线进行配线。经适线调整确定，1974～2018年多平均降水量为464.5mm；频率P =20% 50% 75% 对应的降水量分别为566.0，454.4，375.4mm，分别作为丰、平、枯水年的设计值。衡水湖年均降水量频率计算成果如表2。

表2 衡水湖年均降水量频率计算成果

5.2 典型年的确定

目前常用的方法是先从实测年、月降水量资料中，按一定原则选择代表年，然后依据代表年的月降水量过程，将设计年降水量按一定方法进行缩放，求得所需的设计年降水量的月分配［8］。代表年的选择除了要求年降水量接近设计年保证率的年降水量，同时要求其月分配对农业、生态需水和径流调节等也较不利［9］。

年内分配计算采用同倍比法，用设计年降水量与代表年的年降水量的比值，对整个代表年的月分配进行缩放，分别求得丰、平、枯3种年型的设计年内分配，计算结果如表3。

表3 衡水湖设计年降水量月分配计算

5.3 不同典型年降水量与灌溉及其他水量关系分析

依据2003～2018年共16年降水量和灌溉及其他水量系列资料进行相关分析，可以看出随着降水量的变化，农业灌溉用水量变化差异较大。降水量大的年份，灌溉及其他水量减小；降水量小的年份，灌溉及其他水量增大，说明降水量和灌溉及其他水量关系较密切，如图5。

图5 降水量与灌溉及其他水量相关分析

根据降水量丰、平、枯水年的设计值，利用降水量与灌溉及其他水量相关公式，推算P=20%，50%，75%设计年灌溉及其他水量分别为529.5万，1063.3万，1368.0万m3。设计年内分配，同样选择典型年，然后用同倍比法进行缩放求得，如表4。

表4 衡水湖设计年灌溉及其他水量月分配计算

5.4 水位动态模拟分析及验证

5.4.1 水位动态模拟分析

根据水量平衡原理对衡水湖水位进行动态模拟，将入出衡水湖的径流量、工农业及其他水量、渗漏量、降水量、蒸发量折算成相应的水位高度与初始水位建立平衡关系，推求设计年时段末水位，计算公式如下：

式中 Z末为设计年时段末水位（m）；Z初为初始时水位（m）；HQ入为时段内引水量（万m3）；HQ出为时段内出湖水量（万m3）；H工业为时段内工业取水量（万m3）；H农灌及其他为时段内农灌及其他用水量（万m3），根据丰平枯水年分别采用不同频率设计值；H渗漏为时段内渗漏水量（万m3），计算3月至10月渗漏量时，采用公式：Ws=47.19×Z-837.3推求；计算11月至2月渗漏量时，采用公式：Ws=17.65×Z-304.1推求；A为相应湖面面积（km2）；P为时段内降落在湖面内的水量（mm），根据丰平枯水年分别采用不同频率设计值；E为单位时段内水体蒸发量（mm），因蒸发量年际变化相对较小，与降水关系不大，采用系列平均值计算。

5.4.2 模拟验证

根据水位动态模型分别对2013，2017，2018年丰平枯代表年逐月水位进行模拟验证，如表5。根据GB/T22482—2008《水文情报预报规范》相关规定进行精度评定，按规范要求预报许可误差采用预见期内实测变幅的20%，经模拟验证丰、平、枯水平年合格率分别为91.7%，100%，83.3%，预报精度除枯水年为乙级外，其余水平年均为甲级。按照规范要求，当一个预报方案包括多个预报项目时，预报方案的合格率为各预报项目合格率的算术平均值，因此预测总合格率为91.7%；预报精度达到甲级大于或等于85%的要求，说明该模型可应用于未来水位预测预警，为生态保护和水量调度提供技术支撑。

表5 衡水湖不同水平年模拟验证统计

5.5 不同典型年水位预测预警分析

为了与国民经济和社会发展规划、流域和区域水资源规划等水平年相协调，本次预测分别对近期2020年降水量频率20%，50%，75%所对应的丰、平、枯水年进行预测预警，在水位低于相应标准之前，有计划地对衡水湖进行引水调度。

5.5.1 水位预测

该预测是在不考虑人工调水的天然状态下进行分析，预测初始水位采用现状平水年水位；降雨量、农灌及其他水量分别采用不同频率设计值；蒸发量因主要与温度、湿度和风速有关，年际变化不大，采用2003～2018年各月平均值；渗漏量在考虑季节性等因素对其影响的情况下分阶段采用相关公式进行计算；工业用水量因电厂取用南水北调水源，故不再考虑工业用水情况。

假定2020年初始水位为20.32m，经预测，P=20%丰水年时次年1月水位19.42m，下降0.90m；P=50%平水年时次年1月水位19.13，水位下降1.19m；P=75%枯水年时次年1月水位18.95m，水位下降1.37m，可见随着降水量的丰、平、枯变化，水位下降变化呈逐渐增大的趋势。预测情况如表6。

5.5.2 水位预警

根据《河北省衡水市水情预警发布管理办法（试行）》的通知，衡水湖湖内水位达到或低于19.50m，为蓝色预警；达到或低于19.00m，为黄色预警；达到或低于18.65m，为橙色预警；达到或低于18.30m，为红色预警。

经预测2020年P=20%丰水年衡水湖水位从11月开始处于蓝色预警阶段，到次年1月初水位下降至19.42m，预测到达蓝色预警水位19.50m要求，需引水量232.3万m3；P=50%平水年湖内水位从7月开始处于处于蓝色预警阶段，到次年1月初下降至19.13m，预测到达蓝色预警水位19.50m要求，需引水量1049.3万m3；P=75%枯水年湖内水位从7月开始处于蓝色预警阶段、至次年1月初下降至18.95m，预测到达蓝色预警水位19.50m要求，需引水量1544.4万m3。不同水平年水位预测预警逐月过程线如图6。