江河断面分级分期旱限水位（流量）确定方法
2023-08-17严子奇周祖昊严登华韦瑞深
严子奇 周祖昊 严登华 韦瑞深
摘要：江河断面旱限水位（流量）是流域干旱预警的重要指标，可作为启动流域抗旱应急响应、指导水利工程开展抗旱调度的重要依据。本文针对江河断面旱限水位的相关概念和技术问题，完善了江河断面旱限水位（流量）的内涵，指出其是表征河流进入低枯状态即将产生社会经济与生态环境缺水风险的水位（流量）阈值。考虑不同干旱程度及干旱期用水规律，从分级分期的角度提出适用于不同类型河段的江河断面分级分期旱限水位（流量）确定方法。通过对渭河临潼断面和抚河廖家湾断面的实例应用，验证了算法对资源约束型和综合约束型断面的适用性和合理性。本研究为水旱灾害防御部门制定江河断面旱限水位（流量）提供了通用算法，能够为干旱预警决策提供科学依据和技术支撑。
关键词：旱限水位（流量）;江河断面;分级分期;干旱防御
中图分类号：TV697.1
文献标志码：A
文章编号：1001-6791（2023）01-0053-10
收稿日期：2022-08-07;
网络出版日期：2022-12-02
网络出版地址：https：∥kns.cnki.net/kcms/detail∥32.1309.P.20221201.1707.001.html
基金項目：国家重点研发计划资助项目（2021YFC3000205）;水利前期计划资助项目（2019-000011-76-01-000983）
作者简介：严子奇（1983—），河北深州人，正高级工程师，主要从事水文水资源研究。E-mail：yanzq@iwhr.com
干旱是全球最常见和最严重的自然灾害，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，气候变化正在加剧水循环，持续时间长、影响范围广和强度高的极端干旱发生频率将显著增加［1］。干旱也是中国主要的自然灾害之一，近年来干旱灾害呈现出频发、重发的趋势［2-4］。面对全球变化背景下极端干旱频发的趋势，在流域重要控制断面建立干旱预警指标体系对流域干旱防御具有重要的实践意义。
目前国际上通常采用标准化径流指数等水文干旱预警指标，这种指标更多的是基于历史监测样本的丰枯概率分布来确定当前河流的干旱情况［5］，由于不能反映河流的水资源供需态势，对于支撑干旱防御决策仍然具有一定局限性。为加强流域干旱监测预警，2011年，原国家防汛抗旱总指挥部办公室发布了《旱限水位（流量）确定办法》［6］。其中综合考虑江河断面的用水需求和工程制约因素，以其最高（大）需求值作为旱限水位确定依据，并于2012年在全国180多个断面进行了试点［7］。但该算法全年采用唯一的水位（流量）进行干旱预警指标，既无法体现年内需水过程差异，也没有对干旱程度加以区分，在实践操作中存在一些局限性。之后，有学者采用Fisher最优分割法、成因分析法对旱限水位进行分期研究，并结合优化调度技术建立湖库等控制性工程的分级分期旱限水位［8-12］。但是，对于流域内水情监测关键节点的江河断面，旱限水位（流量）研究相对较少，虽然干旱防御部门在实践中通过频率计算或典型年分析方法也形成了干旱预警指标［13-16］，但是经验性较强，难以在全国范围内进行推广。
本文围绕流域干旱防御实践需求，针对不同类型河段，对江河断面旱限水位（流量）概念内涵进行深入解析，结合不同干旱程度及干旱期各行业用水规律，从分级分期的角度提出能够适用于多种情况的江河断面分级分期旱限水位（流量）确定方法，满足预警分级、指标分期的管理要求。本研究通过对渭河临潼断面与抚河廖家湾断面进行应用，验证了江河断面分级分期旱限水位（流量）计算方法的可行性与合理性，为旱灾防御指挥决策提供科学依据和技术支撑。
1 江河断面分级分期旱限水位（流量）内涵及计算方法
1.1 江河断面分级分期旱限水位（流量）内涵解析
（1） 概念内涵。从流域水循环系统角度来看，江河断面旱限水位（流量）随着降水偏少，
是河流进入低枯状态、即将产生社会经济与生态环境缺水风险的水位阈值，反映流域水循环系统与需水系统在极限状态下的平衡。在实践中，江河断面旱限水位（流量）是指水位持续偏低或流量持续偏小，即将影响断面供水区域城乡居民生活、工农业生产、生态环境等用水安全，应发布预警并采取抗旱措施的江河断面水位（流量），是流域水资源管理由日常管理进入应急管理的重要标志。
（2） 功能作用。由于河道并不具备水库、湖泊的主动调节控制能力，江河断面旱限水位（流量）作为流域干旱预警指标，对即将发生的旱情起到风险预警指示作用，也是流域抗旱应急响应的启动指标;另一方面，可将其作为流域水量调控的参考指标，接近或低于旱限水位（流量）时，应结合工程调度和节水管理等措施，将水位（流量）维持或恢复至旱限水位（流量）以上，保障干旱期用水需求。
（3） 适用对象。考虑干旱期的重点保障目标和全流域旱情研判需求，具有城乡供水任务、重要工农业生产任务和重要生态功能的河段控制断面，以及对干旱预警工作有重要作用的江河断面应制定旱限水位。
（4） 分级应用与分期管理。为了应对不同程度的干旱，对于江河湖库均可制定分级分期旱限水位（流量）。建议将江河断面旱限水位划分成应对轻度干旱的旱警水位（流量）和应对特大干旱的旱保水位（流量）［10-11］，实际操作中可根据管理需要对分级进行细化。为了体现河流天然水文节律以及不同行业分时期用水需求，应根据气候、水文特征和行业耗水特点，对江河断面旱限水位（流量）进行预警分期划分，对不同时期分别确定预警指标，满足抗旱分期管理的要求。
1.2 分级分期旱限水位（流量）计算方法
江河断面分级分期旱限水位（流量）确定方法包括分期划分、需水计算、旱限水位（流量）計算
和合理性分析等步骤。
1.2.1 分期划分
由于不同的用户需水过程有着时间上的差异，不同时期各行业用水过程有着不同的保障目标。结合江河水文特征和抗旱期生产、生活、生态用水需求的优先级和集中程度，划分旱限水位（流量）的预警分期，可采用Fisher最优分割法、成因分析法、模糊分析法、分形分析法等方法进行划分。一般情况下可将水文年划分为汛期、枯水期和农业用水关键期等分期（图1）。实际应用中，中国不同地区气候、水文、用水条件并不一致，可根据实际情况灵活设定。对于来水与需水分期交叉的情况，建议以需水分期为主。
1.2.2 河道外需水计算
根据实际情况可采用1种或多种方法计算轻度干旱和严重干旱情况下的设计需水量，作为用于计算旱警和旱保水位（流量）的社会经济需水量。
（1） 用水量调查统计法。调查统计江河湖库供水范围内近10 a分行业用水统计数据，分别选取一般枯水年（75%频率）和特枯水年（95%频率）城乡生活、企业生产、农业灌溉等行业的逐月用水量作为计算旱警和旱保水位（流量）的河道外社会经济需水量。
（2） 定额计算法。依据地方定额标准，结合社会经济指标，计算正常年份下分行业需水量。将正常年份下分行业需水量与干旱调整系数（调查）的乘积作为用于计算旱警和旱保水位（流量）的河道外社会经济需水量。干旱调整系数参考《区域旱情等级：GB/T 32135—2015》中对不同等级干旱的量化界定指标（表1），具体可根据实际情况进行调整。
（3） 模型调算法。对于水资源供需关系较为复杂的地区，建议采用模型调算方法对干旱年份河流供水范围内的需水量进行计算：采用水资源配置模型，考虑不同行业、不同用户、不同时段的需水要求及工程供水能力，对河流供水范围内的水资源供需过程进行典型年或长系列调算，得到一般枯水年（75%频率）和特枯水年（95%频率）的社会经济分行业用水逐月过程，作为对应于旱警和旱保水位（流量）的河道外社会经济需水量。
1.2.3 河道内需水计算
对于河湖生态环境需水量，根据《河湖生态环境需水计算规范：SL/Z 712—2014》，通常可采用Tennant法、90%最枯月法等方法确定河流基本生态需水量。对于有重要生态环境敏感保护目标的河段，在其生态关键期可采用生物需求法、生物空间法等方法确定生态需水量。对于航运需水量（通航水位），根据《内河通航标准：GB 50139—2014》，合理确定河流、湖泊通航水位。对于国家和地方已经颁布生态环境流量指标、通航水位（流量）指标或已制定水量调度规则的地区，采用已有指标或调度规则，以保证抗旱管理与水资源管理、航运管理的协调性。
1.2.4 旱限水位（流量）计算
（1） 资源约束型断面。资源约束型断面主要以水量来作为约束因素，取水工程设施对水位没有特定要求。此时，旱限水位/流量（Q）采用外包线和逐级叠加的方法计算，即在河道内需水流量对应水位取最高值的基础上，叠加河道外需水量后对应的流量/水位（Z）。计算原理如图2所示。
资源约束型断面第i月（旬）旱限水位（流量）计算公式如下：
式中：Qhx，i为 i月（旬）江河断面旱限流量，m3/s;Zhx，i为 i月（旬）江河断面旱限水位，m;Qe，i为 i月（旬）生态流量，m3/s;Ws，i为 i月（旬）社会经济取水流量，m3/s;H1，i为 i月（旬）通航水位，m;f（） 为河道水位—流量转换函数。
（2） 综合约束型断面。综合约束型河段在考虑水量约束的基础上，进一步考虑必要的工程因素来确定旱限水位（流量）。旱限水位采用外包线和逐级叠加的方法计算，即在河道内需水流量对应水位取最高值的基础上，叠加河道外需水量后，再与取水高程取外包线。综合约束型断面第i月（旬）旱限流量计算公式如下：
式中：H2为取水工程设施要求的水位，m。
（3） 分期处理。在逐月旱限水位（流量）计算的基础上，为了便于分期管理实践，对各干旱分期内逐月旱限水位取外包线，得到分期旱限水位。分期旱限水位计算公式如下：
式中：ZT为分期T的旱限水位，m;Zi为分期T内第i月旱限水位，m。
（4） 多控制断面情景。对于有多个取水节点或断面的河段，可选取最上游断面为代表断面，取所有断面控制流量最大值作为该河段的旱限流量（或换算对应水位），其含义是在干旱时期保障断面控制河段各个节点的用水需求，其中，各个节点流量需求已经是对于该节点来说的最基本用水需求。计算原理如图3所示。
1.2.5 旱限水位（流量）合理性分析
通过对比分析旱限水位（流量）的重现期（R）与历史干旱程度重现期之间的差距，对旱限水位计算结果进行合理性分析。若有N年长系列数据，则重现期计算方法为：
（1） 对于第i个分期Ti，计算每个年份分期Ti内各月水位最小值ZjminTi，j=1，2，…，N;
（2） 统计ZjminTi（j=1，2，…，N）低于旱限水位ZTi的次数ni;
（3） Ti分期旱限水位的重现期（Ri）为
式中：N为长系列水位资料的年數。对于划分旱警水位和旱保水位断面，要分别进行计算。建议低于旱警水位的重现期约5年一遇，低于旱保水位的重现期约10年一遇。旱限流量重现期计算方法与旱限水位一致。
2 实例分析
采用渭河临潼断面和抚河廖家湾断面开展资源约束型和综合约束型断面分级分期旱限水位（流量）算法验证。从断面位置示意图（图4）中也可以看出，2个断面也分别代表了中国北方和南方地区的典型河流断面。
2.1 资源约束型——渭河临潼断面
2.1.1 研究区概况及基本数据
临潼断面位于陕西省西安市渭河干流，属暖温带半干旱季风区，6—9月降水量占年降水总量的60%。该断面设有临潼水文站。断面下游20 km处有交口抽渭灌区，是主要沿河用水户。灌区渠首取水口位于河床底部，取水高程对断面水位没有要求，所以该断面属于资源约束型断面。结合河道特点，以旱限流量作为干旱预警指标。
本研究收集整理了临潼水文站1956—2016年逐日水文资料，交口抽渭灌区工程设计参数、灌溉面积、种植作物、灌溉制度、用水定额及1998—2016年逐月（旬）取水资料。
2.1.2 分期划分
综合考虑水文站径流、水位年内波动规律，以及当地以小麦、玉米、棉花为主的灌溉制度，对该断面干旱预警期进行划分，将一个水文年划分为3个时期，
其中，3—5月为农业灌溉期，6—9月为汛期，10月至次年2月为枯水期。
2.1.3 枯水年需水分析
（1） 河道内需水。渭河水量较为丰沛，根据Tennant法，同时考虑《陕西省渭河水量调度实施细则》［17］中临潼断面和下游华县断面的流量保障要求，将25 m3/s作为适宜生态流量，用于计算旱警流量;将12 m3/s作为最小生态流量，用于计算旱保流量。
（2） 河道外需水。分别采用用水量调查统计法和定额计算法得到交口抽渭灌区一般枯水年（75%频率）和特枯水年（95%频率）的逐月需水过程。从偏安全的角度考虑，对2种方法得到的用水量逐月取最大值得到综合需水量，作为旱限水位（流量）计算的基础（表2）。
2.1.4 旱限流量计算
临潼断面属于资源约束型断面，采用式（1）得到临潼断面分级分期旱限流量（表2）。
2.1.5 旱限流量合理性分析
根据1961—2018年58a逐月流量资料统计（表3），旱警流量中枯水期共有14 a流量低于旱警流量，灌溉期和汛期各有9 a流量低于旱警流量，各分期内旱限水位的重现期为4～6 a;旱保流量中枯水期共有7 a流量低于旱保流量，灌溉期和汛期各有6 a流量低于旱保流量，重现期为8～10 a。所得旱限流量的重现期结果合理，能够指导干旱年份下河道断面取用水的调度。
2.2 综合约束型——抚河廖家湾断面
2.2.1 研究区概况及基本数据
廖家湾断面位于江西省抚州市抚河干流，属亚热带湿润季风气候区，降水主要集中在4—6月，约占全年降水的60%。该河段同时兼顾生态需水、城市水厂取水、金林渠灌区取水以及下游赣抚平原灌区取水等用水需求，且在实际运行中，水厂、灌区取水设施对断面来水均有水位要求，否则取水受影响，故廖家湾断面属于水位、水量双重约束的综合约束型断面。赣抚平原灌区取水断面距离廖家湾断面45 km。
本研究收集整理了廖家湾水文站1970—2016年逐日流量资料，金林渠灌区、赣抚平原灌区工程设计参数，抚州市荆公路水厂、南区水厂和钟岭水厂1998—2016年取水资料及抚州市用水定额等数据资料。
2.2.2 干旱分期
根据流域降水、径流年内分配规律，同时考虑当地以早稻、晚稻、蔬菜及瓜果等经济作物为主的灌溉制度，将全年12个月划分为3个分期：4—6月为汛期，7—9月为灌溉用水高峰期，10—3月为枯水期。由于廖家湾断面位于南方丰水地区，旱限水位的需求主要集中在灌溉用水高峰期和枯水期，因此本案例重点展示7月至次年3月的旱限水位（流量）计算。
2.2.3 枯水年需水分析
（1） 廖家湾断面生态需水。抚河属于南方丰水流域，水量丰沛，以Tennant法为基础，结合李荣昉等［18］，Yan等［19］对抚河流域各个断面生态需水核算结果，采用多年平均径流的20%即55.6 m3/s作为非汛期的适宜河道生态环境需水量，用于计算旱警水量;采用多年平均径流的10%即27.8 m3/s作为非汛期最小河道生态环境需水量，用于计算旱保水量。
（2） 廖家湾断面社会经济需水。廖家湾断面附近的抚州市荆公路水厂、南区水厂和钟岭水厂是抚州城区重要的自来水厂，河道控制流量需充分考虑3个水厂的影响，设计取水量分别为5万、3万和10万m3/d，折合设计取水流量共2.08 m3/s。
近年来，由于抚河河床下切较多，在流量较小情况下，抚河水位较低，水厂取水受到一定的影响，其中钟岭水厂影响最大。经调查，廖家湾断面基本流量为
60 m3/s时，可保证城区水厂取水需求。根据Yan等［19］对抚河流域的枯水年配置成果，金临渠灌区在75%和95%频率年份非汛期取水流量如表4所示，分别用于计算旱警流量和旱保流量。
（3） 下游断面社会经济取水流量。根据赣抚平原管理局资料，满足赣抚平原灌区取水的需要，按定额计算，灌溉面积为6.87万ha（需水流量47.9 m3/s），城镇居民用水流量约2.10 m3/s，总需水流量为50.0 m3/s。
2.2.4 旱限流量计算
廖家湾断面既有水量要求，又有取水高程要求，因而采用式（3）计算廖家湾断面控制流量。通过对生态流量、农业取水流量和水厂取水流量进行叠加，之后与取水设施要求流量比较取最大值，得到75%和95%频率年份下廖家湾断面控制流量（表4）。值得注意的是对于95%频率年份，由于各月生态流量、农业取水流量和水厂取水流量之和均小于取水设施要求流量（60 m3/s），故95%频率年份下廖家湾断面控制流量均为60 m3/s。
根据图3，取廖家湾控制流量与下游断面控制流量（50.0 m3/s）的最大值，并进行分期处理，得到廖家湾断分级分期旱限流量（表4），用于对抚河干流下游进行干旱预警。
2.2.5 合理性分析
根据廖家湾断面1956—2016年逐月来水径流，得到廖家湾断面分期旱限流量重现期如表5所示。经统计，灌溉期旱警流量重现期为5 a，旱保流量重现期为9 a;枯水期旱警流量重现期为4 a，旱保流量重现期为5 a，结果较为合理。
3 结论
江河断面旱限水位是流域干旱预警和抗旱管理的重要参考指标，为解决不同类型江河断面旱限水位（流量）确定计算问题，本文开展了江河断面旱限水位（流量）确定方法研究，提出了针对资源约束型和综合约束型江河断面的分级分期旱限水位（流量）确定方法，并在中国北方和南方典型河流断面进行了应用，验证了算法的可行性。主要结论如下：
（1） 江河断面旱限水位（流量）是随着干旱的发展河流进入低枯状态、即将产生社会经济与生态环境缺水风险的水位阈值，反映流域水循环系统与需水系统在极限状态下的平衡。由于河道并不具备水库、湖泊的调节控制能力，江河断面旱限水位（流量）主要作为流域干旱预警指标，可对即将发生的旱情进行风险预警指示，并将其作为流域抗旱应急响应的启动指标和流域水量调控的参考指标。
（2） 本文制定了江河断面旱限水位（流量）分级、分期标准，针对资源约束型断面和综合约束型断面，提出了较为通用的江河断面分级分期旱限水位（流量）确定技术，结合基于重现期分析建立了江河断面旱限水位（流量）的合理性分析方法。通過对渭河临潼断面和抚河廖家湾断面的实例应用，验证了算法的可行性和合理性。
（3） 本文提出的江河断面分级分期旱限水位（流量）计算方法作为一种通用的算法可以根据实践需求进行灵活调整。尤其对于全局节点、分支节点和末端节点等不同层级水系节点，应在干旱分级、预警分期等方面因地制宜，以适应流域整体与支流分区干旱预警管理的需求。
（4） 江河断面旱限水位（流量）作为面向干旱预警的指标，应与河湖生态流量指标进行衔接协调，从而反映水资源管理在应急态和常规态的不同需求。旱限水位（流量）的确定应对干旱期所应保障的生态流量进行科学核算，充分考虑天然水文节律，以保障有限的水资源在干旱年份发挥最大效益。旱限水位（流量）与生态流量之间的相互关系以及在管理中的协调机制将是下一步研究的重点。
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An algorithm for grading and staged drought-limited water level （flow） of river sections
The study is financially supported by the National Key R&D Program of China（No.2021YFC3000205） and the Water Conservancy Preliminary Program of China（No.2019-000011-76-01-000983）.
YAN Ziqi，ZHOU Zuhao，YAN Denghua，WEI Ruishen
（State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）
Abstract：The drought-limited water level （flow） of a river section is an important indicator of drought in the basin.This can be used as the key basis for starting an emergency response and guiding drought-relief dispatch in water conservancy projects.In this paper，with the aim to examine the related concepts and technical problems of the drought limit water level in the river section，the connotation of the drought limit water level （flow） of the river section is improved.It is the threshold that characterizes the dry state of the river，to determine the water shortage risk and its effect on the social economy and ecological environment.Considering the different degrees of drought and the laws on water use in drought periods，a method for determining the drought limit water level （flow） that is suitable for different types of river sections is proposed from the perspective of grading and staging.The applicability and sustainability of the algorithm for resource use and otherwise constrained river sections are verified with examples from the Lintong section of the Weihe River and the Liaojiawan section of the Fuhe River.This study provides a general algorithm to support flood and drought disaster prevention departments in setting drought limit water level （flow） in river sections and can provide a scientific basis and technical support for drought warning decision-making.
Key words：drought-limited water level （flow）;river section;grading and staged;drought prevention
