友谊水库旱警水位分析及对该区域农业干旱情况影响

张 健

(河北省张家口水文勘测研究中心，河北 张家口 075000)

1 背景及意义

受全球气候变化影响，降水时空分布不均匀，极端降水、干旱情况出现得更加频繁，总体出现了气温升高、空气相对湿度降低的趋势，对农业发展极为不利。近年来我国干旱频次增加、范围扩大，农业生产和生态环境都受到了一定程度的损害，干旱灾害对我国农业生产的影响令人忧心并具有重要研究意义，找到其应对措施，对可持续发展极为重要。华北地区是干旱发生频率和强度较高的地区之一，水文行业对旱情的监测、预警等工作也在不断进行优化，力争为抗旱决策部署提供有力的技术支撑。旱警水位可以作为确定江河湖库干旱预警的重要指标，为启动抗旱应急响应提供重要依据，确定旱警水位、建立江河湖库干旱预警指标体系，可以有力推动抗旱预警工作的开展，更好地辅助调度决策服务于农业生产和人民生活，具有重大意义。

2 流域概况

友谊水库位于河北省尚义县与内蒙古自治区兴和县的交界处，控制永定河水系东洋河的主要支流二道河，该河发源于内蒙古兴和县境内，有5条支流。该流域地处长城以北，全部为丘陵地区，海拔高度为1200～1400m。内蒙古兴和县和河北尚义县南壕堑镇属坝上丘陵区，地形较平缓，相对高差小，兴和附近为盆地，沿河两侧有较开阔的平川地带，兴和以下水库附近的上游是丘陵和山区接壤地带，山势较陡，相对高差较大。该地区风多雨少，十年九旱。砂壤土为流域内土壤类型，黄土和黄砂土为二道河主要构成土壤，前河大部分土壤为黑土和黑砂土。流域植被稀少，无森林，大部分地面为草原和耕地。流域多年平均降雨量为394mm，多年平均水面蒸发量为860mm(蒸发器为E601型)。历史最大洪峰流量1810m3·s-1，发生在1911年(调查洪水)。流域主河道长80.6km，河道纵坡为3.34‰，流域平均宽度为34.7km。

友谊水库是永定河水系东洋河上游一座防洪、灌溉为主综合利用的大(Ⅱ)型水利枢纽工程，水库控制流域面积2250km2，其中内蒙古境内约占80%，总库容1.16亿m3。2001年进行除险加固，2005年完工。汛限水位1194.0m，死水位1185.6m，死库容549万m3。水库用水主要为怀安县、万全县农业灌溉用。

3 旱警水位的分析确定

水库旱警水位的计算主要包括典型干旱年法、最大值法和综合法，为更加科学合理的确定旱警水位，运用以上3种方法分别进行计算，再进行综合分析对比。计算时段为10月—第2年5月，其中，10月—第2年2月是一般时段，第2年3—5月为用水重要时段。

3.1 典型干旱年法

3.1.1 水库来水量计算

由于近年资料的连续性更好，且更具参考价值，计算水文年(当年6月—第2年5月)1991—2020年有资料系列水库年来水量频率值，根据友谊水库共计30a的来水量统计资料，计算得出多年平均来水量为3897.78万m3，Cv取值0.74，Cs/Cv值为2.03，20%保证率来水量为5887.30万m3，50%保证率来水量为3203.56万m3，75%保证率来水量为1783.48万m3，95%保证率来水量为641.69万m3，来水保证率越高表示来水越少。

3.1.2 旱警水位计算

在友谊水库来水量资料中找出对应来水保证率75%(年总来水量1783.48万m3)相近的干旱年份作为典型干旱年，典型年确定为2018年。2018年10月—第2年2月期间，第2年3—5月期间最高蓄水位即为其枯水期典型旱警水位，使用铁路标高。

计算结果见表1，10月—第2年2月，2月蓄水位最高，即该时段的旱警水位为1192.85m；第2年3—5月期间，3月蓄水位最高，即该时段的旱警水位为1192.87m。

3.2 最大值法

水库旱警水位的确定需要考虑水库所承担的供水任务，如城乡用水、工业用水、灌溉用水、生态用水等，适当考虑经济社会发展及城镇人口增长等因素并结合设计来水情况进行综合确定。

表1 友谊水库典型年对应时段蓄水位表

3.2.1 各月来水量计算

根据确定的年来水量75%频率值，将2018年各月来水量按比例进行缩放，计算典型干旱年时段各月来水量。

3.2.2 各月需水量分析

由于水库旱警水位的确定是为了服务于今后的生产生活，需要考虑到需水量的未来趋势，而计算多年前需水量意义不大，同时需要降低偶然因素的影响，统计分析了2011—2021年友谊水库的各月用水量，仅灌溉用水和生态用水2项，无其他用水项目，且得到水库管理部门认可。

考虑到水库所承担的灌溉和生态为主要供水任务，逐项分析确定了上述时间段内水库供水对象的各月需水量。详细统计结果见表2，计算时段内多年平均用水总量为3675万m3。

表2 友谊水库各类用水分析成果表

3.2.3 缺水量计算

对上述时间段(10月—第2年2月和第2年3—5月)内，水库各月用水量和来水量之差进行计算，结果见表3。

3.2.4 旱警水位分析

以时段内各月水库缺水量最大值，加上死库容549万m3，10月—第2年2月时段最大缺水量为1619.88万m3，相应水库水位1189.70m，第2年3—5月时段最大缺水量为1892万m3，相应水库水位1190.43m，作为该时段最大旱警水位。

3.3 综合法

根据计算表3，从最后一个月月末开始起调，在起调库容(死库容)基础上，逆序递推叠加各月缺水量，得到各月旱警水量和水位。取各时段内各月旱警水位的最大值，作为该时段的综合法旱警水位。

计算结果如表4所示，10月—第2年2月，10月的旱警水量最大，为3503.88万m3，其对应的水位1193.66m为该分时段的旱警水位；第2年3—5月，3月的旱警水量最大，为2433万m3，其对应的水位1191.64m为该分时段的旱警水位。

3.4 对比及确定

根据水库1991—2020年的历史资料，此次分析采用30a历年月最低水位资料与分析水位进行比对。按月统计低于分析水位的次数，计算结果见表5，典型干旱年法计算出各月的出现次数为25～30次，约1a出现1次；最大值法计算出各月的出现次数为12～24次，1～3a出现1次；综合法计算出各月的出现次数为26～29次，约1a出现1次。经统计，历年月最低水位低于典型干旱年法所计算水位的概率达80%以上，低于最大值法所计算水位的概率，一般时段为40%～60%、用水重要时段达65%，历年月最低水位低于综合法所计算水位的概率也达到80%以上，对比可看出，最大值法计算的分析水位更加准确合理。

表3 友谊水库最大值法旱警水位计算表

表4 友谊水库综合法旱警水位计算表

表5 友谊水库历年月最低水位低于分析水位次数统计表

通过上述分析，最终确定采用最大值法计算的分析水位为旱警水位，10月—第2年2月即一般时段旱警水位为1189.70m；第2年3—5月即用水重要时段旱警水位为1190.43m，重现期约2a一遇。经过分析确定，此旱警水位基本合理。

4 农业干旱分析及建议

4.1 干旱情况及原因

友谊水库在农业生产发展、生态环境保护等方面发挥着十分重要的作用，是防洪、灌溉的基础设施，可以有效蓄水保水，用于枯水期灌溉农田，为农业生产提供强有力的水源支撑，提高农业灌溉效益，也可以为生活用水提供支持。近年来干旱频繁发生，给社会生活经济活动等各个方面都带来了影响，尤其是对农业生产影响巨大。华北地区受季风气候影响，降水量存在较大的季节性差异，夏季多冬季少，水资源时空分布不均匀，在农作物生长的关键时节不具备充沛的降水量来维持供给，干旱在一年四季都有可能发生，春旱时间为3—5月，正值播种时节，气温上升快，空气相对温度低，土壤水分损失快；夏旱大多在7—8月，由于夏季气温高，蒸发量大，且降雨经常为阵雨、暴雨，强度高、历时短，作物对降水的有效利用率低，较易发生旱情，并且对作物影响很大；秋旱经常发生在处暑到秋分时节，而冬季西北风多，降水少，有时会出现土壤底墒减少的情况，影响作物越冬。

极端天气是干旱形成的主要原因，地形地貌等也在一定程度上影响了降水分布的差异性，会导致农业干旱不同频率和强度的发生。张家口地区降雨时空分布不均，山高坡陡，土壤蓄水保水能力不强，水资源开发利用难度较大，农业生产无法抵御异常天气发生导致的干旱灾害。另外，植被种类与覆盖程度的差异，也直接影响着干旱的发生程度，植被覆盖率高、土壤结构良好的地区，蓄水保水能力会比较强，农业干旱发生程度就比较轻，反之则严重。

4.2 改善及建议

一些不正确的人类活动导致水环境污染、水土流失等不良情况的发生，在一定程度上加剧了水资源的缺乏，从而也影响了干旱的发生；但同时科学规范的人类活动也可以减轻干旱的危害，如近年来已经通过地下水开采综合治理、改善水利农田基本建设、推广应用各类节水设施等种种行之有效的方法，很大程度上保护了水资源，避免了水土流失、地下水水位持续下降等不利情况的发生，对农业干旱的影响进行了人为因素上的改善，但消除干旱灾害依旧是不可能的，还需要尊重适应自然规律，以可持续发展原则统筹规划，通过水利工程及非工程措施减轻干旱灾害带来的影响。

目前，加强墒情监测和提升干旱预警能力的行动已经在加大力度开展，相关设施设备的更新，旱情预警系统的建设和政策法规的制定还有待进一步完善和提升，防灾抗旱工作的科学化、规范化，可以为农业生产提供更加科学有效的服务和技术支持。旱警水位的确定为下一步确定发布旱警信号等级水位做好基础工作，还需要分级设置预警标准，并制定相应的干旱预警方案，其关键在于要考虑不同的保证率和不同的预警指标，同时考虑用水需求程度等情况，并依据用水功能转变等情况及时做出调整，以保证合理性和实用性，为科学防灾减灾提供有效依据。