奎苏沟渠首多年平均径流量计算方法对比分析

王 凯

(哈密水文勘测局,新疆 哈密 839000)

1 流域概况

奎苏沟地处哈密市巴里坤县奎苏镇境内,奎苏镇地处巴里坤盆地东中部,距巴里坤城40 km。地理位置介于东经93°23′30″～93°21′40″,北纬东43°23′28″～43°27′40″。该流域在巴里坤山北侧,东西南北四面分别为小沟流域、李家沟流域、巴里坤山山脊、奎苏镇。流域内地势由南向北递减,最高峰海拔高程4 100 m,沟口渠首处海拔高程2 580 m,流域内南北高差1 520 m。奎苏沟发源于巴里坤山北坡的冰川群,冰川面积0.96 km2,最高峰海拔4 100 m,自成独立水系。河流走势由西南向东北流出山口后一部分引入奎苏沟干渠,一部分河水顺天然河沟流向下游并逐渐参入地下,出山口以下河长约有5 km。流域特征值见表1。

表1 奎苏沟流域特征值表

2 径流分析

2.1 径流组成

根据山溪性河流的特点及实际调查、访问情况分析,研究流域的径流补给来源主要为春季融雪水(4-6月)、夏季降雨和融冰水(7-9月)、泉水和裂隙水(10月至次年3月)。

2.2 参证站径流的三性分析

2.2.1 参证站年径流的还原计算

白吉水文站测验断面实测多年平均年径流量5 178万 m3(1956-2020年),测验断面上游有耕地4 200亩,因上游为山区,可开发耕地少,近年来部分村民搬迁到哈密市,因而多年来耕地面积变化不大,建站之前在水文站以上就另有两条引水渠,将部分河水引往断面下游用于农田灌溉,因此径流系列需进行还原计算。白吉水文站测验断面还原水量采用面积定额法加引水水量方法进行计算。农业用水主要是估算历年灌溉耗水量,而灌区区间农作物又无引水及灌区回归系数资料,可以净灌溉用水量近似地作为灌溉耗损量[1]。所以,本次白吉水文站上游农业用水量还原采用面积定额法计算,由于用于农田灌溉引水渠为土渠,渠系利用系数较低,毛灌溉定额一般在1 000 m3/亩左右,年净灌溉水定额为480 m3/亩。根据每年灌溉时间可计算各月灌溉耗水量见表2。用于下游灌溉的两条引水渠灌溉时间主要在4-10月,其中5-7月各月平均流量为0.20 m3/s;4月、8月、9月、10月平均流量为0.10 m3/s。断面实测径流量加上上游耕地灌溉耗水量与下游引水量之和即为天然年径流量,见表3,还原水量为466万m3。由此推算出白吉水文站还原后1956-2020年的多年平均年径流量为5 644万 m3。

表2 故乡河流域白吉水文站断面以上农业用水耗损量计算表

表3 故乡河白吉水文站断面以上各月还原水量统计表 m3/s

2.2.2 一致性分析

本次径流分析计算选用的主要参证站为白吉水文站,该站具有65年实测径流系列资料,建站以来上游主要有村民从事耕作,有两条引水渠引水至下游灌溉,没有其他工程,自然形成的河道下垫面产汇流规律未发生较大变化。所以,本次选用的站点天然径流可不作系列修正。分析也表明,哈密水资源调度使用主要集中是在出山口以下区域,山区是径流发育形成的主要区域,人类生产生活影响十分微弱,说明选用参证站50年代至今天然径流的一致性较好。

2.2.3 代表性分析

1)丰、枯分析

把白吉站还原后的年径流系列资料以每5或10年分段进行统计,分析各时段年径流量平均值与系列资料年径径流量平均值的相对偏差,白吉站1956-2020年系列资料中年径流量均值的变化呈现偏枯→偏丰→平水的交替变化。

2)年径流模比系数差积曲线分析

故乡河是东天山喀尔里克山南坡各河流中年径流量较为充沛的河流,将白吉水文站实测年径流量系列资料经过还原计算后天然年径流量平均值为5 649万 m3。从年径流系列差积曲线图分析可知白吉站丰水年有:①1956-1961②1978-2001③2015-2019;枯水年1961-1970年;正常年:有①1971-1977年②2001-2014(见图1)。

图1 白吉站年径流量模比系数差积曲线图

3)不同长度年径流参数对比分析

把白吉站还原后的1956-2021年年径流系列资料以每5年分段统计为短系列,并与该站长系列资料均值分析相对偏差,当年数据系列长度≥55 a时,该站短系列与长系列的均值相对偏差≤1.5%。即该流域多年平均径流量计算在≥55 a时达到计算精度要求。白吉水文站长系列资料中有多个丰枯年际变化过程,年径流系列的均值在系列资料长度≥55 a时基本趋于稳定(见图2)。

图2 白吉站年径流量模比系数累积平均曲线图

4)年径流样本均值收敛性分析

年径流量的有界性决定了年径流样本均值的收敛性[2],收敛速度快慢与各流域特性和气象影响因素有关。依据白吉水文站年径流模比系数累积平均曲线对白吉站年径流系列稳定性分析可知:随着样本分析年限的不断加长,样本均值收敛形态十分明显,当资料长度达≥55 a时样本均值达到基本稳定。

白吉站年径流量的年际变化趋势总体涵盖了丰、平、枯水过程,随年径流量样本统计年数的不断增加,统计参数的变化趋势逐渐趋于稳定状态。因此白吉水文站65 a的年径流量统计系列资料具备比较好的代表性。

2.3 渠首断面多年平均年径流量计算

奎苏沟属无资料区域,为计算奎苏沟渠首处多年平均年径流量分别采用径流深区域综合法、径流深等值线法、水文比拟法进行径流分析计算。

2.3.1 径流深区域综合法

根据分布在哈密天山南北坡的9个水文站的历年实测径流资料绘制径流深和相应流域的平均高程散点图并分析发现流域平均高程好年径流深相关性较好,相关系数r达到0.922(见图3)。将流域平均高程3 434 m代入公式(1)计算奎苏沟流域多年平均年径流深R为398.9 mm,再将流域集水面积12.99 km2根据公式(2)计算出奎苏沟多年平均年径流量518.1万 m3。

图3 流域平均高程与径流深相关图

R=0.824 8e0.001 8H

(1)

(2)

式中:R为多年平均年径流深(mm); H为流域平均高程(m);W为多年平均年径流量(万m3); F为流域集水面积(km2);

2.3.2 径流深等值线法

根据新疆维吾尔自治区年径流深等值线图(1956-2016年),测量计算出奎苏沟渠首以上流域平均年径流量为277万 m3(1956-2016年)。白吉水文站1956-2016年、1956-2020年还原后天然年径流量平均值分别为5 569万 m3、5 644万 m3,通过长短系列订正计算出奎苏沟渠首以上流域平均年径流量为281万 m3(1956-2020年)。

2.3.3 水文比拟法

1)白吉站作参证站

水文比拟法是资料短缺河流推算多年平均年径流量的有效办法之一。巴里坤山北坡各条河流径流补给来源与天山南坡的故乡河相似,径流补给来源为融冰雪水和夏季降水,奎苏沟是有冰川补给的河流,因此选用白吉水文站作为参证站推算研究区域的多年平均年径流量。白吉站1956-2020年还原后的天然径流量5 644万 m3,集水面积431 km2,用公式(3)推求奎苏沟多年平均年径流量为170.1万 m3。

(3)

式中:W设计、W参证为设计流域与参证流域多年平均年径流量(万m3);F设计、F参证为设计流域与参证流域集水面积(km2);

2)红山口站作参证站

流域西侧的红山口流域其地理、地貌、气候、径流及洪水的产流特性都类同与奎苏沟,集水面积45 km2,红山口水文站有1980-1988年连续9 a的短期实测径流资料,9 a的平均年径流量为1 847万 m3;故乡河白吉水文站1957-2020年实测年径流量为5 178万 m3,1980-1988年实测年经量为6 306万 m3,经过长短系列订正后红山口水文站常系列多年平均径流量为1 517万 m3,利用公式(3)推求奎苏沟多年平均年径流量为437.9万 m3。

2.3.4 采用成果

以上几种方法计算的奎苏沟渠首处多年平均径流量成果见表4。不同方法计算的成果相差较大,其中,径流深区域综合法与以白吉为参证的水文比拟法推算的成果相差近100万 m3,红山口站与径流深区域综合法相差近100万 m3,红山口站的资料系列较短,长系列资料也是用参证站白吉水文站的长系列资料进行订正而得,代表性有限,所以用这两种方法推算的成果仅供参考;白吉水文站由于位于天山南坡,年降水量没有地处天山北坡的奎苏沟丰沛,推算的成果明显偏小,此成果不予采用;径流深等值线图为计算无资料区域地表水资源量的基础图件[2],该方法选用的参证站白吉水文站流域与奎苏沟流域分别处于天山南北坡,采用该方法的计算成果较为可靠。

表4 奎苏沟渠首处多年平均年径流量成果表

3 结语

奎苏沟渠首处多年平均年径流量采用三种方法推算了四个成果,经分析比较,推荐采用径流深等值线法计算的成果,虽然奎苏沟流域周边几处流域的水文资料系列较短,但都通过长系列订正法将短系列资料订正为长系列,这样资料系列都达到了60 a,再进行径流深等值线图的绘制,2016年版等值线图是最新版经自治区水文局统一制作,精度较高。在径流深等值线图上量算出奎苏沟渠首处多年平均径流量值再经过与参证站长短系列订正,成果较为可靠。