基于荷载均衡的喀斯特地区地表水资源可利用量研究——以六冲河流域为例

赵礼涛，李析男，董前进

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550005）

某地水资源可利用量的多少在一定程度上支撑着当地社会经济的持续发展，也是水资源承载力的一种体现，其影响因素较多，并随时间及当地社会经济发展而动态变化，从而表现为水资源负荷（如取用水量、污染物总量等）与承载力的动态平衡。

限于当前对喀斯特地区水资源可利用量研究较少的现状，研究基于荷载均衡条件下贵州省毕节市六冲河流域的水资源可利用量，以期为当地水资源可持续利用和社会经济的长久发展提供科学依据。

1 研究区概况

贵州省位于中国西南喀斯特地区的中心，喀斯特地貌占贵州全省面积的70%以上，形态复杂，纵横交错，存在许多岩石裂缝、洞穴，导致雨水渗漏到地下［5］，造成大量工农业缺水，甚至部分地区居民生活用水难以保障，严重制约了社会经济发展。

选取贵州省毕节市六冲河流域作为研究对象。毕节市位于贵州省西北部，属亚热带季风气候，多年平均降水量为274.79亿m3，多年平均径流量为134.40亿m3，喀斯特地貌占全市面积的73.34%左右。发源于贵州省毕节市赫章县的六冲河是毕节市内最大河流，流域面积为10 874 km2，几乎全部在毕节市境内。洪家渡水电站位于六冲河下游临近乌江处，调节库容为33.61亿m3，是乌江11个梯级电站中惟一具有多年调节作用的电站，也是六冲河上惟一的大型水电站，控制了91%的六冲河流域面积。七星关水文站是六冲河上游流域控制站，距离洪家渡水电站直线距离约97 km（图1）。

图1 六冲河流域

2 研究方法

2.1 水资源荷载均衡分析

2.1.1 水资源生态足迹模型 水资源承载力是可预见的时期内在满足合理的水域生态环境保护和河流生态环境用水前提下，利用区域水资源量及其他资源和智力、技术等条件，水资源对经济社会能够承载的最大负荷下所支撑的人口规模［6］。涉及不同地区、不同条件时，水资源承载力的定义、计算方法、评价体系也存在差异［7］。

生态足迹法是在区域水资源承载力计算中的常用方法，可适用于喀斯特地区［8］。生态足迹法主要包括生态足迹（负荷）和承载力2个部分，其中生产用水足迹、生活用水足迹和生态用水足迹是水资源生态足迹的3个主要部分。根据生态足迹法的理论和一般模型［9］，喀斯特地区的水资源生态足迹计算模型如下。

式中，E F为喀斯特地区水资源生态足迹（hm2）；N为地区人口数（人）；e f为喀斯特地区人均用水足迹即人均水资源生态足迹（hm2/人）；r w为水资源均衡因子（r w=5.19）；W p为人均生产用水总消耗量（m3）；W l为人均生活用水消耗量（m3）；W e为人均生态用水总消耗量（m3）；p w为世界水资源平均生产能力（pw=31.4万m3/km2）。

2.1.2 水资源承载力计算模型 在生态足迹法中，计算水资源承载力要考虑水资源开发利用程度，取40%作为水资源可利用量的上限。计算公式如下。

在制定城市化进程政策时，要考虑到古建筑在其中所发挥的作用，切忌“先破坏，再保护”的思想，做到统筹兼顾、合理布局。为古建筑设立专门的保护区，杜绝因发展而随意破坏古建筑的现象的发生。

式中，E C w为地区水资源承载力（hm2）；ec w为人均水资源承载力（hm2/人）；ψw为区域水资源产量因子；W为人均水资源可利用量（m3）。N、r w、p w意义同式（1）。

2.2 水资源可利用量计算方法

水资源可利用总量包括地表水资源可利用总量和地下水资源可利用总量，考虑喀斯特地形地下水开发利用难度较大及贵州省多年地下供水仅占全省供水2%左右的情况，本研究仅对六冲河流域地表水资源可利用总量进行估算。估算公式如下。

2.2.1 河道内需水估算方法 从河道功能出发，河道内需水主要考虑与地下水相关的河道基流和水生生物保护水量。水生生物保护水量是维持水生生物生存和发展、河道中必须保持的最小生态环境需水量，可用一定比例的河道内多年平均年径流量估算，且比例不应低于30%［10］。河道基流来自地下水补给和部分径流，是河道径流中相对比较稳定的部分，有保持水体自净能力、维持河床形态、防止河道断流等基本功能。采用Lyne-Hollick滤波法对径流进行分割［11-13］。分割公式如下。

式中，q t为t时刻地表径流（m3/s）；Q t为t时刻河川实测径流（m3/s）；Q bt为t时刻基流，0＜Q bt＜Q t；t为时间（d）；α、β为滤波参数（0＜α＜0.5，0＜β＜1）［14］。计算过程中，可将α固定为0.5，结合喀斯特地区实际情况，对β进行适当调整，使基流分割达到比较好的效果。相关研究表明，要提高数据的计算精度，可对其进行一定次数的反复过滤，一般为3次过滤［12］。

2.2.2 汛期弃水计算 为了充分发挥洪家渡水电站的作用，减少弃水，增加发电效益，根据洪家渡水电站1952—2007年月流量数据和常规调度图进行长系列模拟计算，可得汛期弃水量。洪家渡电站起调水位为1 076 m，在来水较丰时，调度最低水位定为年消落水位1 118 m，当存在连续的枯水年时，水库最低水位可消落至死水位1 076 m。

3 结果与分析

3.1 流域荷载均衡状况

3.1.1 生态足迹与承载力结果 根据贵州省水资源公报、毕节市2006—2018年国民经济和社会发展统计公报以及水资源公报，由地区水资源总量除以地区面积可得水资源平均生产能力pw区为50.05万m3/hm2，结合式（1）计算出毕节市（六冲河流域）水资源生态足迹和人均用水足迹；由毕节市水资源平均生产能力和世界水资源平均生产能力的比值可得区域水资源产量因子ψw为1.59，同时计算毕节市水资源承载力，结果见表1。

由表1可知，2006—2018年毕节市人均用水足迹年际变化较小。从用水量上分析，随着社会经济发展的需要，毕节市2006—2018年各部门用水需求量较大，同时近年来节水措施应用及对水资源的保护，提高了水资源的利用效率；另一方面，毕节市发展速度较慢，没有出现用水负荷的大幅度增加，由此水资源用水消耗年际变化较小。水资源承载力主要受当年水资源总量影响较大，总体来说，毕节市2006—2018年水资源承载力年际变化不大。

3.1.2 水资源荷载均衡分析

1）生态足迹承载状况。从表1可知，毕节市2006—2018年人均用水足迹变化幅度较小。人均承载力变化总体平稳，局部出现波动，结合当年来水情况分析，毕节市人均承载力最低的2年（2006年和2011年）为特枯年份，地表水资源可利用量偏少，对人均水资源承载力影响较大。

表1 毕节市人均水资源生态足迹与承载力计算结果

通过比较人均用水足迹和人均水资源承载力，可以确定水资源的荷载状态，当人均承载力大于人均用水足迹时，代表生态盈余，说明该地区水资源不超载。根据计算结果可认为目前毕节市水资源荷载状况处于盈余状态，即水资源量可支撑毕节市社会经济发展。

2）综合分析。六冲河几乎全流域位于毕节市内，因此，毕节市的水资源承载状况结果也适用于六冲河流域。结合以上分析，认为六冲河流域水资源承载状况良好，在水资源承载范围内可对水资源进行合理的开发利用。

3.2 流域水资源可利用量

3.2.1 河道内需水量 毕节市大部分地区为喀斯特地貌，下渗率高，地下水量相比一般流域大。依据参考文献［15-17］，发现西南流域基流指数为0.4～0.6，结合国际河流开发利用程度经验，认为六冲河流域基流指数在0.4左右较为合理。以六冲河七星关水文站1971—1993年系列资料进行式（4）中参数计算，确定六冲河流域的基流量，其基流分割计算参数为α=0.5、β=0.984。七星关水文站多年基流分割结果如图2所示。

图2 七星关基流分割结果

用参数α=0.5、β=0.984对洪家渡2005—2008年日流量资料进行基流分割。得到洪家渡水电站4年平均年基流量为16.29亿m3，年平均基流指数为0.39，基流分割结果如图3所示。

图3 洪家渡水电站基流分割结果

对比两处基流分割结果，七星关站多年平均基流指数为0.37，洪家渡站多年平均基流指数为0.39，对比认为六冲河流域内基流指数变化不大，变化范围为0.37～0.39。由此，根据六冲河洪家渡站处多年平均水资源总量（约为46.24亿m3）和基流分割情况，计算得到六冲河流域多年平均河道基流量为18.03亿m3。

基流计算结果达到了河道多年平均径流量的30%，符合水生生物保护水量要求。因此，本研究计算取六冲河流域多年平均河道内需水量约为18.03亿m3。

3.2.2 汛期难以控制利用水量 以5月为起始月，将六冲河洪家渡水电站1952—2007年天然入库径流资料按水文年排列，根据调度图计算，得到每年的弃水量；假设每月河道内需水量均匀，则汛期弃水量扣除弃水中满足河道内需水量部分，即为难以控制水量。

由于洪家渡水电站是多年调节水电站，各年弃水量因前一年蓄水状况和本年度来水情况不同而存在差异，计算结果中，1954年弃水量最多，为30.41亿m3，当年难以控制水量为26.68亿m3，可利用水量为18.82亿m3；最终可计算得多年平均弃水量为5.56亿m3，多年平均难以控制利用水量为3.69亿m3，多年平均地表水资源可利用量为24.51亿m3。

3.2.3 丰平枯年际变化分析 根据国家标准《水文基本术语和符号标准》［18］，计算上述水文年资料经验频率，并划分为丰、平、枯3种情况，整理得到径流在丰、平、枯不同状态转移的频数矩阵，结果见表2。由表2可知，整体来看，连续的丰水年和连续的枯水年占比较多。

表2 频数矩阵

根据频数矩阵，计算洪家渡水电站在不同丰、平、枯状态变化下的弃水量以及六冲河流域的水资源可利用量，结果见表3。由表3可知，水电站在丰水年弃水偏多，平水年产生弃水较少，枯水年基本不会产生弃水。前一年为丰水年或平水年时，天然径流基本可以满足水电站保证出力要求，水库充分蓄水，使得下一年更容易产生弃水，以至于部分枯水年，在汛期水量较大时也会产生弃水。前一年为枯水年时，水库往往需要放水，以满足发电要求，年末水位较低，库容可以容纳下一年汛期较多水量，从而减少弃水。在洪家渡水电站调节作用下，虽然丰水年汛期会产生较多弃水，但天然来水量充足，水资源可利用量较为可观；枯水期整体水量偏少，虽然几乎没有弃水，但年度水资源可利用量相对较少。

表3 径流丰平枯转移情况下六冲河流域弃水和水资源可利用量 （单位：亿m3）

六冲河是乌江最大的一级支流，天然径流量大，在洪家渡水电站的调蓄作用下，流域汛期弃水较少，同时，六冲河流域用水需求量还不大，因此流域水资源可利用量比较丰富。经上述分析并计算，六冲河流域多年平均地表水资源总量为46.24亿m3，流域多年平均地表水资源可利用量为24.51亿m3。

4 小结

1）近几十年来六冲河流域水资源承载状况较好，在该区域水资源承载范围内可对水资源进行合理的开发和利用。

2）经测算，六冲河流域多年平均河道内需水量为18.03亿m3，水资源可利用量为24.51亿m3。

3）由多年平均和考虑径流丰平枯变化情况下的水资源可利用量可知，六冲河流域水资源比较丰富，除部分特枯年份外，水资源可利用量相对富足，由此认为六冲河流域水资源开发利用潜力较大。