甘肃省渭河流域天然径流还原计算研究

孙栋元，王启优，牛最荣，牛琼燕，贾 玲，赵文琦，周 敏

(1.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省水文站，甘肃 兰州 730000)

正确评价水资源是合理开发利用、保护和统一管理水资源的基础[1- 3]。精准的水资源评价和水资源数量计算是实现水资源可持续发展和利用的重要前提和关键内容[4]。径流还原计算为水资源评价、分配、调度和生产服务等方面提供关键支撑[4- 5]。随着水利工程的不断修建和人类社会加速发展，取用水量不断增加是导致河川径流量锐减的主要原因之一，同时下垫面条件受人类建设活动不断影响，造成流域产汇流情况变化，从而影响径流状况，使得径流观测资料不能代表河流的天然状况，导致资料代表性和一致性出现一定偏差，因此，需要将观测径流还原为天然状况下的径流量[3- 6]。通过对径流的准确还原计算，摸清流域水资源状况，使得还原结果满足水资源评价、水利工程设计和规划要求，为区域水资源合理配置、高效利用提供技术保障。

众多学者针对不同区域、采用不同方法与模型开展了诸多径流还原方面的计算与分析，涉及有分项调查、降水径流关系等方法，各个方法各有其优缺点。乔云峰等将投影寻踪法应用于径流还原计算研究[2]；陈佳蕾等采用SWAT模型进行径流还原计算[3]；范辉等利用VIC模型研究了天然径流还原[7]；刘强等利用BP神经网络模型进行了径流量还原计算[8]；阿不力克木和宋星原对西北干旱地区径流量还原计算有关问题进行了探讨[4]；张洪波等探讨了地下水强扰动地区的径流还原计算方法[5]；夏传清对雅鲁藏布江中游径流还原计算方法进行了探析[6]；薛青和张亮还原计算了渭干河径流量[9]；吴英超等还原计算了抚河径流[10]，牛最荣等基于径流还现对洮河流域径流变化特征进行了研究[11]。尽管径流还原已有相关成果，但针对渭河流域等特定河流仍需进一步开展径流还原计算研究。牛最荣、黄维东、王海荣、聂文晶和卢路等分别对渭河流域水资源、地表径流、水沙演变、河流健康等方面进行了相关研究[12- 18]，而关于渭河流域径流还原计算依然薄弱，需要进一步加强该方面研究。因此，本文以甘肃省渭河流域为研究区域，开展流域天然径流还原计算研究，为流域科学调控和利用水资源提供技术支持。本文选取渭河流域武山、北道2个典型水文站，借助多年观测资料，利用分项调查和降水径流双累积方法，对渭河天然径流进一步进行还原研究，从而为流域水资源科学管理和优化配置提供科学依据。

1 研究区概况

渭河位于甘肃省中东部，省内渭河流域总面积5.91×104km2，其中渭河干流流域面积为2.56×104km2。

渭河源头在甘肃渭源县，干流由西向东，省内干流长297km，南北两岸有榜沙河、秦祁河等14条河流，水量南岸较丰，北岸较贫。榜沙河、大南河等5条支流多年平均径流量超过1.0×108m3。

2 资料与方法

2.1 资料来源与监测站点情况

数据资料来源于甘肃省水文部门。甘肃省渭河流域涉及到渭源、武山、甘谷、北道等10个水文站，本文主要选取武山和北道站，渭河水文站信息见表1。

表1 渭河水文站信息表

选用渭河及相邻流域社棠、天水等79个雨量站资料进行面雨量计算。资料系列长度不够或缺测的流量和降水量可以通过插补延长得到，并经过合理性检验后确定相应数值。

2.2 研究方法

利用径流还原完成对典型站径流还原计算。借助分项还原原理和过程[11，19- 20]，完成径流还原计算和合理性检验，其还原耗损量项目有农业、工业和生活用水等，跨区域引入(出)水量，水库蓄水变量等。采用降水与径流量双累积关系图进行径流修正，确定明确拐点年份，作为时间段划分依据，同时修正相应时间段径流量[11]。通过年径流深值和修正系数等指标，计算修正后天然径流结果。

3 径流还原计算与分析

3.1 径流还原计算

采用统计分析和分项还原方法，得出1956—2016年渭河流域武山、北道2站多年平均实测径流量、多年平均还原水量和还原后天然径流量分别为5.357×108、11.238×108m3，0.404×108、1.892×108m3和5.761×108、13.130×108m3。2站对比结果如图1所示，还原后径流量也呈现增加趋势，武山和北道站均呈现先增加后减小的径流量变化趋势，说明人类活动影响下径流量呈现减小的变化趋势。

图1 武山与北道水文站天然与实测多年径流量变化

3.2 径流一致性分析

通过对武山、北道站控制面积内的29个和79个雨量站分别进行合理性和一致性分析，绘制武山、北道2站面平均年降水量与径流量双累积图，发现两者关系突变拐点在1993年，以此将1993年作为分割点，将1956—1993年和1994—2016年作为2个划分时段，并完成一致性修正如图2—3所示。

图2 武山与北道水文站降水量-径流量双累积及修正曲线图

2站的径流修正系数根据降水量大小而确定，同时将降水与修正系数作为流域径流还原修正参考依据见表2。

图3 武山与北道站前后2个时段径流深-降水量关系图

表2 武山和北道站降水量与径流修正系数关系表

依据修正后2站降水量，借助确定的相对应修正系数，计算得到修正后两站径流量分别为3.893×108、8.403×108m3，其结果与还原后结果相比分别减少1.868×108、4.727×108m3。武山、北道站天然径流量与还原径流量对比结果如图4所示。

图4 武山与北道站天然与修正后多年径流量变化

4 结语

通过对渭河流域武山、北道径流量修正还原计算，客观反映流域水资源开发利用情况和新的变化规律。研究结果为流域水资源综合评价、科学管理与有效调配以及水利工程管理规划提供科学依据。径流还原结果受多方面因素影响，强人类活动使得区域下垫面状况更加趋于复杂，同时受人类活动引用水量的影响，其还原水量也受到一定影响，再加之还原方法的有限性，使得径流还原呈现更多多变性和复杂性。因此，为了提高还原计算的准确可靠，应进一步加强变化环境下多方法、多因素径流的还原计算研究，使得计算结果更精确地反映区域水资源动态变化规律。