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黑河“97”分水方案适应性分析

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

蒋晓辉¹^,²^,, 夏军³, 黄强⁴, 龙爱华⁵, 董国涛⁶, 宋进喜¹^,²

1. 西北大学城市与环境学院,西安 710127

2. 陕西省地表系统与资源环境承载力重点实验室,西安 710127

3. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072

4. 西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,西安 710048

5. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038

6. 黄河水利委员会黄河水利科学研究院,郑州 425000

Adaptability analysis of the Heihe River "97" water diversion scheme

JIANGXiaohui¹^,²^,, XIAJun³, HUANGQiang⁴, LONGAihua⁵, DONGGuotao⁶, SONGJinxi¹^,²

1. College of Urban and Environmental Science, Northwest University, Xi'an 710127, China

2. Key Laboratory of Surface System and Environmental Carrying Capacity, Shaanxi Province, Xi'an 710127, China

3. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China

4. State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China

5. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China

6. Yellow River Institute of Hydraulic Research, YRCC, Zhengzhou 425000, China

收稿日期:2017-08-17
修回日期:2018-11-5
网络出版日期:--
版权声明:《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
基金资助:

国家自然科学基金重点项目(91325201)

十三五国家重点研发计划(2017YFC0404303)

作者简介:
-->作者简介：蒋晓辉(1972-), 男, 湖南永州人, 教授级高级工程师, 主要从事水文水资源研究。E-mail: xhjiang@nwu.edu.cn

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摘要
黑河“97”分水方案自2000年实施以来,流入下游水量明显增加,缓解了下游生态环境恶化趋势,但在丰水年难以完成分水指标,其适应性受到各方关注。本文在分析“97”分水方案的技术特点及背景条件变化对分水方案适应性影响的基础上,通过构建黑河水资源配置模拟模型,对分水方案在不同需水条件和黄藏寺水库建成运行后长系列年（1958-2012年）实施情况进行了模拟,分析评价了黑河“97”分水方案的适应性。研究表明,由于分水方案制定和实施前后黑河经济社会、水系连通性等背景条件发生了较大变化,在现状工程和需水条件下,不能完成“97”分水方案的分水要求;在中游退耕至2000年水平和黄藏寺水库建成的情况下,虽然可以完成“97”分水方案的分水要求,但仍存在地下水超采情况,因此,基于20世纪80年代中期黑河经济社会和1955-1986年水文条件的“97”分水方案与黑河流域现状存在一定的不适应性。

关键词：黑河“97”分水方案;;影响分析;变化背景条件;长系列模拟;适应性分析
Abstract
The water diversion scheme is important for the sustainable development of the economic, social and ecological environment in different parts of the basin, especially for the rivers in arid areas. In order to curb the trend of ecological degradation in the lower reaches of the Heihe River, the Heihe River water diversion scheme, approved in 1997 by the Chinese government, was carried out in 2000. With the implementation of the water separation scheme, the allocation of domestic water, production and ecological water tends to be reasonable, and the trend of ecological environment deterioration has been relieved. However, there are still queries on the rationality of water diversion schemes because it is difficult to complete water diversion indicators in wet years. Therefore, it is necessary to comprehensively analyze the implementation of the water diversion scheme and evaluate its adaptability in the Heihe River under the changing background. In this paper, based on the analysis of the impact of water diversion scheme, the technical characteristics and adaptability of water diversion under the changing background were analyzed. By establishing water resource allocation model of the Heihe River, the implementation of water resource allocation under different water demands and the operation of Huangzangsi (Huangzang Temple) Reservoir for long-time series (from 1958 to 2012) were simulated, and then the adaptability of water diversion schemes was analyzed. The result shows that the Heihe River water diversion scheme cannot meet the requirements of water diversion under the current condition due to the changes of economic society and river connectivity in the Heihe River basin. Water diversion indicators can be accomplished when the area of farmland in the middle reaches decreases to the level of 2000 and the construction of Huangzangsi Reservoir is finished, but there is still over exploitation of groundwater in the middle reaches. In conclusion, "97" water diversion plan is inadaptable to the current situation to some extent on the basis of the economic, social and hydrologic conditions of the Heihe River in the mid-1980s.

Keywords：Heihe River "97" water diversion scheme;impact analysis;long-time serial simulation;adaptability analysis;changing background

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蒋晓辉, 夏军, 黄强, 龙爱华, 董国涛, 宋进喜. 黑河“97”分水方案适应性分析[J]. 地理学报, 2019, 74(1): 103-116 https://doi.org/10.11821/dlxb201901008
JIANG Xiaohui, XIA Jun, HUANG Qiang, LONG Aihua, DONG Guotao, SONG Jinxi. Adaptability analysis of the Heihe River "97" water diversion scheme[J]. Acta Geographica Sinica, 2019, 74(1): 103-116 https://doi.org/10.11821/dlxb201901008

1 引言

随着经济社会的快速发展,流域上下游、左右岸、不同部门间产生竞争型用水,河流的水量合理分配关系到流域不同区域经济社会和生态环境可持续发展,尤其对水量相对不足的干旱地区河流更为重要。制定分水方案或分水协议对激励用水者提高用水效率、促进区域水资源配置趋于合理高效方面有着不可替代的作用^[1,2,3,4]。黑河是中国第二大内陆河,20世纪80年代来,随着黑河中游经济社会的快速发展,水资源需求量急剧增加,中游正义峡下泄水量显著减少,天然绿洲退化,湖泊消失^[5]。为了遏制黑河下游生态退化的趋势,有关部门制定了黑河流域不同来水年水量中下游分配方案,1997年国务院批准了该分水方案（水政资[1997]496号）（简称“97”分水方案）,期望通过该分水方案,合理配置中下游水资源,使下游绿洲恢复到20世纪80年代中期的水平。
2000年,黑河流域管理局通过开展水量统一调度实施黑河分水方案。分水方案实施16年来,通过水量统一调度、中游节水型社会建设、经济结构和农业种植结构的调整,有效提高了水资源利用效率,进入下游绿洲水量明显增加,缓解了流域生态环境恶化的趋势,流域生活、生产和生态用水初步得到了合理配置^[6,7,8,9]。取得成绩的同时,“97”分水方案实施过程中,也暴露出一些问题。一方面黑河中游生态环境有所退化,黑河下游绿洲恢复面积达不到预期目标^{[9,10,11,12,13]};另一方面按照“97”分水方案的要求,正义峡断面下泄水量与方案相比尚有一定差距,2000-2015年累计欠下游水量24.3亿m³。正义峡断面下泄欠账问题已成为关注的焦点^[14,15],甘、蒙两省（区）对如何执行分水方案及方案适应性上争论不已,近几年,每年全国“两会”围绕现行分水方案调整和正义峡断面下泄欠账偿还问题提出多个建议和提案。“97”分水方案实施前后,黑河流域经济社会、干支流水系连通性等背景条件已发生较大变化,因此,有必要综合分析变化背景条件下黑河分水方案的实施情况,科学评价“97”分水方案的适应性,为黑河水资源科学管理提供依据。本文旨在分析“97”分水方案的技术特点及背景条件变化对分水方案适应性影响的基础上,通过构建黑河水资源配置模拟模型,对分水方案在不同需水条件和黄藏寺水库建成运行后长系列年（1958-2012年）实施情况进行模拟,分析评价黑河“97”分水方案的适应性。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 背景条件变化对分水方案影响的分析方法黑河水量调度受水文气象、管理、经济、工程、技术等多方面因素的影响,为科学评价“97”分水曲线现状条件下的适应性,本文从水系连通性、水文情势、降水同频、径流同频、社会经济、土地利用变化等方面,对实施水量统一调度以来背景条件变化对分水方案的影响进行分析。
2.1.2 基于长系列年模拟的分水方案适应性评价分析方法国内外流域及区域水资源配置方法主要分为优化、模拟及模拟与优化方法相结合等三类^[16,17]。黑河上游水库调度模型和水资源配置模型分别已有相关研究^{[18,19,20,21]},本研究构建了流域与区域相结合的黑河中下游水资源配置模拟模型,把黑河上游梯级水库群调度模型、中游灌区地下水均衡模型、水资源供需平衡及水资源配置模型进行耦合,通过中游地下水均衡模型能够体现黑河中游水资源转化特点,并能模拟河道渗漏、泉水出溢、潜水蒸发、渠系田间入渗等平衡要素,实现对不同来水和用水情景下的水量平衡计算。
（1）地下水均衡模型
地下水均衡模型主要用于不同水资源配置方案中地下水补给、排泄平衡计算,补给项是指在天然状态下或人工开采条件下,单位时间内由大气降水及地表水入渗、地下水径流等进入计算区含水层的水量。具体包括：山前地下侧向补给、降雨凝结水入渗补给、河道渗漏补给、渠系渗漏补给、田间入渗补给、地下侧向径流补给、平原水库渗漏补给等。排泄项按排泄方式分为：潜水蒸发、地下水开采、泉水出溢、地下侧向径流排泄等。
考虑补给项和排泄项后,水均衡方程可用下式表示：

(q_{山前侧入} + q_{河} + q_{侧入} + q_{降雨} + q_{渠} + q_{田} + q_{工生回补}) - (q_{蒸发} + q_{侧出} + q_{泉} + q_{开采}) = Δ w

（1）
式中：q_山前侧入为山前侧向水渗入量（亿m³）;q_河为河道渗入量（亿m³）;q_侧入为断面侧向流入量（亿m³）;q_降雨为降水及凝结水渗入量（亿m³）;q_渠为渠系水渗入量（亿m³）;q_田为田间水渗入量（亿m³）;q_工生回补为城乡工业生活用水回补地下水渗入量（亿m³）;q_蒸发为潜水蒸发及植物蒸腾量（亿m³）;q_泉为泉水出溢量（亿m³）;q_开采为人工开采量（亿m³）; q_侧出为断面侧向流出量（亿m³）;Δw为地下水均衡差（亿m³）。
（2）黑河水资源系统概化
黑河流域水资源是由河网、水库、泉水等地表水和地下水构成的复杂而又完整的水资源系统。本研究水资源系统概化原则是以配水计算单元为中心,以黑河干流为主线,基于整个流域,不同计算单元、行政（省际、县际）区间、各计算单元的引水口门（合并）以及黑河干流河道控制断面作为水量控制节点,按传统习惯由莺落峡、正义峡将黑河流域分为上、中、下游,并且包括与黑河干流有地表水水力联系的支流（如梨园河）以及干流通过各种措施能配到水的地域,结合行政区划又不破灌区而划分计算单元。根据多年实际运行的具体情况和行政隶属关系,中游基于灌区、下游按河流走势、国防科研基地和生态绿洲将黑河干流水资源合理配置计算单元划分为24个。这种划分可方便地按照沿黑河干流各行政区给出统计结果。根据水资源合理配置的需要,为反映影响供需分析中各个主要因素的内在联系,根据计算单元、地表水系、地下水和大中型及重要水利工程之间的空间关系和水力联系,通过抽象和概化绘制了如图1所示的黑河流域水资源系统网络图。

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图1黑河流域水资源系统网络图
-->Fig. 1Water resources system network diagram of Heihe River basin
-->

根据黑河干流莺落峡断面长系列年来水,考虑中游灌区现状实际用水需求,并结合汛期7-10月来水过程的特点,拟定多个黑河干流闭口调水方案,以正义峡断面下泄水量为控制条件,同时考虑中游灌区缺水程度最小,通过多方案模拟分析,分析黑河方案实施主要影响因子及长系列年分水方案的完成情况。本次配置的范围主要是黑河东部子水系流域,在行政区上包括青海省的祁连县、甘肃省的甘州区、临泽县、高台县和金塔县,内蒙的额济纳旗,共涉及6县（区、旗）。

2.2 数据来源

根据黑河流域资料的完整情况,在中国气象数据网下载1967年7月-2015年6月共48个水文年的降水资料,并结合TRMM数据^[22],上游选取祁连、野牛沟站的均值,中游选取张掖、高台站的均值。黑河干支流各水文站1955-2015年旬径流数据来自黑河流域管理局。经济社会资料来自《张掖市统计年鉴》。

3 “97”分水方案的技术特点及背景条件变化的影响分析

3.1 “97”分水方案及其实施概况

黑河流域不同来水年水量中下游分配方案的核心是：“在莺落峡多年平均来水15.8亿m³时,正义峡下泄水量9.5亿m³;莺落峡25%保证率来水17.1亿m³时,正义峡下泄水量10.9亿m³;莺落峡75%保证率来水14.2亿m³时,正义峡下泄水量7.6亿m³;莺落峡90%保证率来水12.9亿m³时,正义峡下泄水量6.3亿m³;其他保证率来水时,分配正义峡下泄水量按以上保证率直线内插求得。”分水方案通过流域水量调度来实现：减少中游灌溉引水,向下游增泄生态用水来改善下游生态环境及缓和流域水事矛盾。依据黑河干流关键调度期“全线闭口、集中下泄”原则,调水模式大致可以划分为三个阶段：第一阶段（2000-2003年）开始流域水量调度,全线闭口措施处于尝试阶段,正义峡下泄指标有所变化,未形成较为固定调水模式;第二阶段（2004-2007年）,调水进入比较成熟阶段,每年7月中旬、8月中旬、9月初-10月底3个时间段施行全线闭口集中下泄措施,调水效果较好;第三阶段,2008以后实施生态水量调度,该阶段为适应中游种植结构变化及下游植被生态需水过程,加强了春季调度,延长了春季调度闭口时长,提高了正义峡下泄水量。从2000年调水以来,取得了很好的效果,调度16年来,正义峡断面累计实际下泄水量132.04亿m³,年均10.16亿m³,比20世纪90年代下泄水量明显增加,黑河下游额济纳绿洲生态恶化趋势得到初步遏制并有所好转,水域面积扩大46 km²,绿洲面积由4825 km²增加到4920 km²。额济纳绿洲相关区域地下水均有不同程度的回升,东河地区地下水位平均回升了0.48 m,西河地区地下水位平均回升了0.36 m,东居延海周边地区地下水位平均回升了0.48 m。
但根据黑河干流莺落峡、正义峡2000-2015年径流资料及“97”分水方案要求的下泄指标推算,正义峡断面实际下泄水量相比年度目标下泄水量普遍偏小（表1）。通过1999-2015年以来莺落峡来水量、正义峡下泄量统计分析可知,自2003-2004调度年调水进入比较成熟阶段以来,莺落峡来水量除2003-2004年度（来水量14.98亿m³）外,其他年份均超过了17亿m³,超过了25%保证率下莺落峡来水量（表1）,属于来水偏丰。但正是来水偏丰的年份,正义峡完成不了分水方案要求的下泄水量指标。
Tab. 1
表1
表12000-2015年度主要水文断面年径流量统计表(亿m³)
Tab. 1Annual runoff of main hydrographic sections from 2000 to 2015 (10⁸ m³)

调度年	莺落峡来水量		正义峡下泄水量
调度年	来水量	距平	均值条件下泄指标	当年下泄指标	实际下泄量	偏离值	累计偏差
1999-2000	14.62	-1.181	8	6.604	6.468	-0.136	-0.136
2000-2001	13.13	-2.673	8.3	5.334	6.476	1.142	1.006
2001-2002	16.11	0.312	9	9.329	9.226	-0.103	0.903
2002-2003	19.03	3.226	9.5	13.24	11.61	-1.63	-0.727
2003-2004	14.98	-0.819	9.5	8.534	8.546	0.012	-0.715
2004-2005	18.08	2.283	9.5	12.09	10.49	-1.6	-2.315
2005-2006	17.89	2.088	9.5	11.86	11.45	-0.41	-2.725
2006-2007	20.65	4.851	9.5	15.23	11.96	-3.27	-5.995
2007-2008	18.87	3.074	9.5	13.04	11.82	-1.22	-7.215
2008-2009	21.30	5.486	9.5	15.98	11.98	-4	-11.22
2009-2010	17.45	1.651	9.5	11.32	9.565	-1.755	-12.97
2010-2011	18.06	2.259	9.5	12.06	11.27	-0.79	-13.76
2011-2012	19.35	3.551	9.5	13.62	11.13	-2.49	-16.25
2012-2013	19.53	3.726	9.5	13.73	11.91	-1.82	-18.07
2013-2014	21.90	6.141	9.5	16.71	13.02	-3.69	-21.76
2014-2015	20.66	4.857	9.5	15.21	12.78	-2.43	-24.29

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3.2 “97”分水方案的技术特点分析

黑河流域多年平均（1956-2000年水文系列）水资源量为24.75亿m³,其中黑河干流多年平均水资源量为15.8亿m³,占流域总水资源量的64%,各支流多年平均水资源量为8.95亿m³。“97”分水方案制定始于20世纪80年代末,因此黑河干流分水方案是基于1955-1986年平均水文资料和经济社会条件制定的,经国务院批准后的“97”分水方案有以下技术特点：① 基于考虑保证枯水年中游农业用水要求和认为干支流来水同丰同枯、丰水年支流来水可以补充中游需水的认知,分水方案具有枯水年保证中游用水,丰水年多向下游调水,来水越丰中游分配的耗水量越少的特点（图2）;② “97”分水方案对10%、25%、50%、75%和90%保证率来水年份莺落峡来水量给出了正义峡下泄指标,其他保证率来水时分配正义峡下泄水量,则按以上保证率直线内插求得,对莺落峡来水大于90%和小于10%的来水年份没有给出明确的分水方案,在实际调度中黑河流域管理局按延长线进行调度结算。

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图2黑河“97”分水方案及中游耗水分配量
-->Fig. 2"97" water diversion scheme and the amount of water consumption in the middle reaches of the Heihe River
-->

3.3 分水方案实施后流域背景条件变化对分水方案影响分析

3.3.1 中游水系连通性变化对分水方案的影响分析 20世纪50-60年代,黑河流域各支流灌区灌溉面积小,相应的修建的山区水库仅有1座,支流每年给黑河干流的补给量约为2亿~3亿m³。后来随着各支流灌区不断发展,灌溉面积逐步增加,山区水库修建数量也不断增加,20世纪70年代末、80年代末和90年代末山区水库分别达到12座、19座、23座,灌溉面积由原来的86万亩增加到163万亩;目前基本上每条支流都修建了调蓄水库,各支流的来水量被有效拦蓄就地消耗,使得各支流给黑河干流的补给量不断减小,2000年以后仅有0.2亿m³左右,多数支流与干流已完全失去地表水力联系,使原来支流水系补给黑河干流的水资源条件发生根本变化（表2）,干支流同丰同枯的基础条件不再存在。
Tab. 2
表2
表2各支流不同年代汇入干流水量对比(亿m³)
Tab. 2Comparison of the runoff into the main stream from the tributaries in different ages (10⁸ m³)

年代支流			20世纪50年代	20世纪60年代	20世纪70年代	20世纪80年代	20世纪90年代	2000年以后
山丹县马营河		来水量	0.64	0.65	0.6	0.56	0.5	0.54
山丹县马营河		汇水量	0	0	0	0	0	0
临泽县梨园河		来水量	2.72	2.02	2.21	2.74	2.19	2.51
临泽县梨园河		汇水量	1.91	1.06	0.79	0.52	0.32	0.20
民乐县	洪水河	来水量	1.15	1.08	1.27	1.31	1.15	1.21
	大堵麻河		0.95	0.84	0.87	0.81	0.81	0.88
	玉带河		0.15	0.14	0.13	0.2	0.17	0.16
	小堵麻河		0.14	0.18	0.22	0.2	0.2	0.19
	海潮坝河		0.31	0.45	0.56	0.55	0.46	0.64
	童子坝河		0.83	0.74	0.7	0.87	0.61	0.66
	小计		3.35	3.34	3.75	3.95	3.4	3.74
	小计	汇水量	2.18	1.38	1.45	1.13	0	0
甘州区	酥油口河	来水量	0.45	0.37	0.45	0.49	0.46	0.48
	大野口河		0.17	0.14	0.15	0.12	0.12	0.14
	小计		0.62	0.51	0.6	0.61	0.58	0.52
	小计	汇水量	0.3	0.16	0.23	0.18	0.03	0
高台县白浪河		来水量	0.43	0.51	0.51	0.4	0.41	0.49
高台县白浪河		汇水量	0.17	0.19	0.11	0	0	0
合计			4.56	2.79	2.58	1.83	0.35	0.2

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3.3.2 黑河中游水文情势变化对分水方案的影响分析基于枯水年份中游地区相对多用水、丰水年份中游地区少用水多下泄的分水方案制定原则,枯水年正义峡下泄水量指标相对较小,而丰水年正义峡下泄指标较大。从莺落峡水文站1955-2015年年径流过程线（图3）可以看出,莺落峡平均径流量由1955-1986年多年平均15.8亿m³增加到1987-2015年多年平均17.5亿m³,增加量为1.7亿m³,1955-2015年多年平均径流量为16.4亿m³,比1955-1986年多年平均增加了0.6亿m³。特别是2005年以来,莺落峡多年平均来水达到19.5亿m³,来水连续偏丰,给分水方案的实施造成一定困难,上述黑河分水方案实施的实际情况应证了这些分析。

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图3莺落峡站年径流过程线
-->Fig.3The annual runoff hydrograph of the Yingluoxia Station
-->

3.3.3 上、中游降水同频变化对分水曲线影响分析评价上述黑河“97”分水方案的制定原则,除考虑到支流加入这一重要因素外,还有一个重要“假设”前提——上游、中游降水同频,即丰水年份上游降雨量大的时候,中游降水也将较大,因此可减少中游灌溉引用水,以加大正义峡下泄指标。结合TRMM数据^[16],1967年7月-2015年6月共48个水文年对黑河流域上游的祁连、野牛沟和中游的张掖、临泽4个水文站降水数据的频率差计算结果表明,上中游降水频率差统计绝对值在20%范围以内的年数共有26年,除以研究的总年数（48年）,得到黑河流域上中游的降水遭遇性统计参数为0.54,遭遇性一般。可见,黑河上中游主汛期多年平均降水量并不是完全同步的。
3.3.4 黑河中游经济社会条件变化对分水方案的影响分析 20世纪80、90年代到2015年,流域中游水资源消耗区——张掖市人口快速增加,农业经济快速发展,尤其地处黑梨灌区的甘、临、高三县区特别突出,三县区人口增长了15.29万人,耕地面积增长了56.04万亩,对80年代中期、90年代中期、90年代末期、2005年、2015年的耗水量对比分析结果（表3）表明,30年来仅干流灌区的黑梨灌区的农业耗水量就增加了2.66亿m³。中游耗水量的增加直接影响了下游正义峡的下泄量,这与当时分水方案制定时的背景情况相差较大。
Tab. 3
表3
表3典型年黑河中游干流灌区水资源消耗量变化情况对比表
Tab. 3Comparison of water resources consumption in Heihe River mainstream irrigation area

典型年	人口 (万人)	耕地面积 (万亩)	农业耗水量(亿m³)		种植结构粮：经：其他	单方水产值(元)
典型年	人口 (万人)	耕地面积 (万亩)	黑梨灌区	黑河灌区	种植结构粮：经：其他	单方水产值(元)
1985年	61.5	156.41	9.17	7.28	75∶19∶6	0.53
1995年	74.29	171.23	9.29	7.17	69∶13∶18	1.95
1997年	75.8	196.7	10.33	8.68	70∶11∶19	2.45
1999年	76.79	212.45	11.38	9.17	51∶19∶30	2.88
2005年	80.54	203.28	9.97	7.02	42∶46∶12	4.05
2015年	79.49	269.4	11.83	9.40	30∶32∶38	20.16

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综上所述,分水方案制定后,黑河背景条件发生了较大变化,“97”黑河分水方案制定的基础和支撑条件发生了较大变化,一方面由于分水方案本身的技术特点,在干支流连通性的减弱、莺落峡来水连续偏丰等情况下,导致丰水年不能完成分水指标,另一方面是中游经济社会用水快速增加,导致正义峡下泄指标存在一定的困难,现状条件下分水方案存在一定的不适应性。需要说明的是,分水方案不适应性并非分水方案本身的问题,而是外部条件的变化引起的。

4 基于长系列年模拟的“97”分水方案适应性分析

流域水资源配置模拟采用的是水文长系列法,主要包括莺落峡、梨园河来水系列。通过对系列的分析,1958-2012年来水系列能够较好地代表流域来水的丰、平、枯周期,因此本文选取了1958-2012年共55年来水系列,模拟时间步长为旬。

4.1 模型验证与正义峡下泄水量主要影响因素敏感性分析

模型通过对2000-2010年河道控制断面流量的模拟,以及对各灌区地下水总补给量、总排泄量和地下水蓄变量的均衡关系进行分析,检验模型的合理性。模型对灌区地下水均衡性与河道断面流量的模拟成果如表4、图5所示。根据水利部水利水电规划设计总院编制的《地下水资源量与开采量补充细则》（试行）中规定,对平原区地下水水均衡计算精度要求,相对均衡误差绝对值小于10%,从灌区水均衡性检查表来看,模型对灌区水均衡拟合较好;从主要断面流量拟合图4可以看出,断面流量拟合效果较好。
Tab. 4
表4
表4灌区地下水均衡性检查表(万m³)
Tab. 4Groundwater balance in irrigation district (10⁴ m³)

灌区	上三灌区	盈科灌区	大满灌区	西浚灌区	沙河灌区	梨园河灌区	鸭暖灌区	板桥灌区	蓼泉灌区	平川灌区	六坝灌区	友联灌区	罗城灌区
补给项
水库入渗	0	0	51	0	57	56	25	34	103	35	12	354	353
渠系入渗	2438	6392	4776	8188	1072	5192	1997	3968	1784	2317	920	7938	1379
田间入渗	787	977	522	783	165	2591	671	583	1617	3385	559	13323	3520
降雨入渗	157	527	501	561	91	380	131	138	124	63	31	204	65
侧向流入	1576	4965	4526	3021	3937	11408	7756	5862	4987	2557	2308	7286	4738
河流补给	186	17597	8112	10891	0	0	0	0	0	0	0	0	0
排泄项
潜水蒸发量	0	0	0	6	0	6543	593	13	668	2759	0	649	1981
侧向流出量	4211	7899	4965	9995	2694	6595	5051	2312	2038	7	19	3561	229
泉水流出	0	0	0	0	0	0	29	0	275	3477	0	0	719
地下水开采	0	12167	11916	9809	2283	6297	151	0	1254	552	753	12995	1831
流向河道	441	5757	1426	2197	0	0	4473	8279	4435	1606	3041	12944	5616
总补给量	5143	30458	18489	23443	5322	19626	10581	10586	8614	8357	3829	29105	10055
总排泄量	4652	25823	18307	22008	4977	19434	10296	10605	8671	8401	3813	30150	10376
初始水位	1473	1446	1468	1435	1419	1411	1395	1392	1368	1380	1337	1344	1297
末时段水位	1475	1450	1468	1436	1420	1412	1396	1392	1369	1380	1337	1344	1297
蓄水变化量	514	5009	-356	1608	328	1238	227	200	80	269	45	-423	139
均衡X值	-22	-373	537	-172	17	-1046	58	-219	-137	-313	-29	-622	-460
相对均衡差(%)	0.43	1.22	2.9	0.73	0.32	5.33	0.55	2.07	1.59	3.74	0.75	2.14	4.57

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图4正义峡2000-2010年月流量实测值和模拟值散点图
-->Fig. 4The scatter plot of monthly flow measured value and simulated value of Zhengyixia from 2000 to 2010
-->

如前所述,黑河水量调度受到水文气象、管理、经济、工程、技术等多方面因素的影响。利用调配模型分析正义峡下泄水量对上游来水量、来水过程、中游地下水开采量、支流来水、闭口时间、水资源利用效率等因子变化的敏感性,在假定其他影响因子不变的情况下,改变某一因子,计算正义峡下泄水量对该因子变化的敏感性,敏感性计算指标Y如下表示：

Y = 1 - \frac{(Q_{指} - Q_{2})}{(Q_{指} - Q_{1})}

（2）
式中：Y是正义峡下泄水量对影响因子变化的敏感性;Q_指是莺落峡断面来多少水时正义峡断面根据分水方案应下泄指标;Q₁和Q₂分别为该影响因子不同情境正义峡模拟下泄的水量。通过模型模拟计算,得到不同影响因子对正义峡下泄水量的影响（图5）。可以看出,中游需水量、闭口时间、支流来水量及上游来水量对正义峡下泄水量影响较大。

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图5正义峡下泄水量变化对主要影响因素变化的敏感性
-->Fig. 5Sensitivity of water discharged to the main influencing factors at Zhengyixia Station
-->

4.2 现状需水与工程条件下分水方案长系列年模拟结果

现状水平年黑河中游需水量13.94亿m³,以现状工程条件下应用模型模拟计算现状需水条件下长系列年（1958-2012年）分水方案的完成情况如图6和表5所示。可以看出,在来水偏丰的年份,正义峡模拟下泄量少于正义峡应下泄的指标水量,其中特丰年年均欠下游水量1.64亿m³,偏丰年欠下游水量1.26亿m³;在枯水年和平水年基本可以完成正义峡下泄指标,特枯年多下泄0.87亿m³。根据“97”分水方案,现状需水与工程条件下,中游多年平均年均欠下游水量0.55亿m³,大于黑河水量调度允许偏差5%（约0.5亿m³）;多年平均地下水开采量为7.3亿m³,远大于黑河中游多年平均可开采量4.8亿m³。因此,从长系列年模拟结果来看,现状需水条件下难以完成“97”分水方案的分水指标,地下水长期超采也会使中游的生态环境恶化。

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图6现状需水条件下分水方案长系列年(1958-2012年)模拟结果
-->Fig. 6Simulation results of water diversion scheme under current water demand conditions form 1958 to 2012
-->

Tab. 5
表5
表5现状需水条件下不同来水年正义峡分水指标完成情况模拟(亿m³)
Tab. 5Simulation for water diversion index of Zhengyixia Station in different conditions of inflow rate (10⁴ m³)

来水年份	莺落峡来水	正义峡下泄指标	正义峡模拟下泄量	分水指标完成情况	中游地下水开采量	狼心山模拟下泄量
特丰年	20.27	14.73	13.10	-1.64	6.75	7.05
偏丰年	17.69	11.63	10.37	-1.26	6.92	5.45
平水年	15.63	9.29	9.22	-0.07	7.30	4.84
枯水年	14.56	8.10	7.80	-0.30	7.54	4.00
特枯年	12.79	6.19	7.06	0.87	7.88	3.74
多年平均	16.16	9.95	9.39	-0.55	7.30	4.94

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4.3 中游退耕方案下“97”分水方案长系列年模拟结果

中游需水量增加及区间支流来水量的减少,是分水方案不能完成分水指标的主要原因,而中游耕地面积增加是需水增大的主要驱动因子。因此在“97分水”方案不做调整的情况下,减少中游需水是丰水年完成分水指标的重要途径。本研究设置中游耕地退耕至2000年方案,计算得到中游相应的需水量为12.71亿m³,在现状工程条件下通过模型模拟该需水方案下长系列年分水指标完成情况,图7是中游退耕至2000年需水条件下分水方案的长系列年（1958-2012年）模拟结果,表6是中游退耕至2000年需水条件下不同来水年正义峡分水指标完成情况模拟。可以看到,丰水年正义峡依然不能完成分水方案要求的下泄指标,特丰年中游欠下游水量近1.36亿m³,丰水年欠下游水量约0.95亿m³,而在平水年和枯水年均能完成分水指标,多年年均欠下游水量为0.33亿m³,该值在黑河水量调度允许偏差5%（约0.5亿m³）范围内;多年平均地下水开采量6.28亿m³,比现状需水条件下减少,但仍然高于中游地下水多年平均可开采量。

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图7中游退耕至2000年需水条件下分水方案长系列年(1958-2012年)模拟结果
-->Fig. 7The simulation results of water demand for irrigation area in 2000 under water allocation scheme from1958 to 2012
-->

Tab. 6
表6
表6中游退耕至2000年需水条件下不同来水年正义峡分水指标完成情况模拟(亿m³)
Tab. 6Simulation for water diversion index of Zhengyixia Station in different conditions of inflow rates (10⁸ m³)

来水年份	莺落峡来水	正义峡下泄指标	正义峡模拟下泄量	分水指标完成情况	中游地下水开采量	狼心山模拟下泄量
特丰年	20.27	14.73	13.37	-1.363	5.746	7.226
偏丰年	17.69	11.63	10.68	-0.949	5.867	5.880
平水年	15.63	9.293	9.350	0.057	6.288	4.911
枯水年	14.10	7.618	7.826	0.208	6.643	3.999
特枯年	12.79	6.193	7.232	1.039	6.795	3.789
多年平均	16.16	9.947	9.619	-0.328	6.279	5.051

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4.4 黄藏寺水库建成运行下“97”分水方案长系列年模拟分析

黄藏寺水库水利枢纽位于黑河上游东西分叉交汇处以下11 km的干流河段,坝址控制了莺落峡以上来水的80%。该工程已于2016年3月开工建设,工程建设任务是合理调配黑河中下游生态和经济社会用水,兼顾发电等综合利用,水库总库容4.03亿m³,调节库容3.34亿m³。水库的运用方式为：汛期7-9月,选择7月中旬、8月中旬和9月中旬进行生态调度,分别以300~500 m³/s和110 m³/s流量向正义峡断面集中输水,其他时段按照中游灌区需水要求下泄水量,洪水期进行防洪运用;10-11月,水库按照中游灌区需水下泄,视来水情况逐步蓄水至正常蓄水位;12月-次年3月水库泄放生态基流,兼顾发电;4-6月,选择4月上中旬进行生态调度,以110 m³/s流量向正义峡断面集中输水,其余时段按照中游灌区用水下泄水量。图8和表7是黄藏寺运行情况下现状需水年长系列年（1958-2012年）模拟结果。可以看出,在水库集中下泄、全线闭口的情况下,不同来水年基本完成分水方案的要求。尽管分水指标能基本完成,但由于水库控制来水过程,中游地区只有通过地下水超采才能保证农业灌溉用水,地下水多年平均开采量为7.909亿m³。

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图8黄藏寺水库建成后现状需水条件下分水方案长系列年(1958-2012年)模拟结果
-->Fig. 8Simulation results of current water demand under water allocation scheme from1958 to 2012 after the completion of Huangzangsi Reservoir
-->

Tab. 7
表7
表7黄藏寺水库建成后现状需水条件下不同来水年正义峡分水指标完成情况模拟(亿m³)
Tab. 7Simulation of water diversion index of Zhengyixia in different water years after the completion of Huangzangsi Reservoir (10⁸ m³)

	莺落峡来水	正义峡下泄指标	正义峡模拟下泄量	分水指标完成情况	中游地下水开采量	狼心山模拟下泄量
特丰年	20.11	14.55	14.42	-0.124	7.720	7.891
丰水年	17.62	11.53	11.47	-0.069	7.769	5.884
平水年	15.72	9.386	9.272	-0.114	7.775	4.658
枯水年	14.23	7.667	7.550	-0.116	7.975	3.707
特枯年	11.81	5.215	5.268	0.054	8.515	2.429
多年平均	15.88	9.629	9.540	-0.089	7.909	4.876

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4.5 “97”分水方案适应性综合分析

综上可以看出,在现状需水条件下,黑河水量调度不能完成“97”分水方案的指标要求;在中游退耕至2000年水平的情况下,可以完成“97”分水方案的分水要求,但存在地下水超采的情况;黄藏寺水库水利枢纽建成后,按照既定的调度运行方案,虽然在各种来水年份正义峡以下分水指标能基本得以实现,但中游地区只有通过地下水超采才能保证农业灌溉用水。其主要原因：① 分水前后黑河水系连通性发生了较大变化,支流入黑河水量锐减,丰水年黑河干流得不到支流补充,影响了正义峡下泄水量;② 中游经济社会发展,特别是中游扩耕使得中游耗水增加;③ “97”分水方案没有对大于90%和小于10%的来水年的分水做出具体规定,而近年来连续丰水给分水方案具体实施造成一定的困难。经济社会和生态环境竞争性用水是黑河水资源管理面临的难题,黑河流域中游产业结构单一,农业用水占中游用水总量80%以上,尽管黑河中游灌区近年来高新节水面积不断增多,但耕地面积也在持续扩张,用水需求增长给黑河水资源管理带来巨大的压力。可见,基于20世纪80年代中期黑河经济社会和1955-1986年水文条件的“97”分水方案,与黑河流域水资源开发利用及其经济社会发展现状呈现较明显的不适应性,因此适时调整中下游分水方案应尽快提上相关部门的议事日程。

5 结论

（1）分水方案实施前后,黑河流域经济社会和水系连通性等背景条件发生了较大变化,基于20世纪80年代中期黑河经济社会和1955-1986年水文条件的“97”分水方案与黑河流域现状存在较为明显的不适应性,2000-2015年累计欠下游水量24.3亿m³,黑河下游绿洲恢复面积难以达到预期目标。
（2）通过构建黑河水资源配置模型对长系列年水量分配各种情景的模拟表明：现状需水条件不能完成“97”分水方案的分水要求;中游退耕至2000年的耕地面积虽然勉强可以达到分水指标的要求,但存在中游地下水超采的问题;未来黄藏寺水库建成运行后,分水指标能较好地完成,但代价是中游地区长期超采地下水以保证其农业灌溉用水,中游生态风险将不断累积。
（3）基于黑河分水方案中存在的不适应性,应统筹考虑分水方案制定的历史条件、时代背景及变化情况,尽快重新制定分水方案背景变化情况下的科学水量分配方案与调度体系,促进黑河上下游经济社会发展与生态保护的和谐有序。
The authors have declared that no competing interests exist.

黑河“97”分水方案适应性分析

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

Adaptability analysis of the Heihe River "97" water diversion scheme

1 引言