河道径流系列的还原和一致性修正分析

张彦波，赵文举，刘 晶，王 亮

（河南省新乡水文水资源勘测局，河南 新乡 453000）

0 引言

地表水资源量是指河流、湖泊、冰川等地表水体中由当地降水形成的、可以逐年更新的动态水量，用天然河川径流量表示。由于人类活动的影响，水资源利用率越来越高， 河道断面上的实测资料已不能反映河道天然径流量的流动特征和变化规律， 因而在进行水资源调查评价时， 需要对实测径流量进行还原计算［1］。又因人类活动改变了天然流域的下垫面，使得原有的降水和径流规律发生了变化。 为了使长系列水文资料更具有代表性， 应对天然径流系列进行一致性修正［2］。

在进行还原计算和一致性修正分析时， 凡观测资料符合规范规定，且资料系列较长的水文站，包括符合流量测验精度规范的国家级、省级基本水文站、专用水文站和委托站，均可作为选用水文站［3］。新乡市修武水文站、 宝泉水库水文站和合河水文站的观测资料具有长系列、规范完整等条件，满足了单站天然径流还原计算的要求。 笔者试以修武水文站—宝泉水库水文站—合河水文站区间 （以下简称修—宝—合区间）的观测资料为依据，探讨河道径流系列的还原计算和一致性修正方法， 以期为相关技术人员提供参考。

1 区间水文站简介

1.1 修武水文站

修武水文站位于修武县城北， 卫河上游的新河上，属于海河流域，南运河水系。 河道由北向南而下流入平川，遇郇封岭所阻，慢转90°折向东北，走向与郇封岭大体一致， 即西南东北向， 干流长度约70 km。修武水文站控制流域面积为1 287 km2，山区、平原各占半数，主要接纳太行山南麓和博爱、武陟部分平原地区来水。 流域面积呈折叠扇形，上游开阔，主要支流有山门河、大沙河、群英河。 该站主要受博爱县的丹东灌溉退水和焦作矿井退水的影响， 主要还原项目有丹东灌区，焦西、焦东灌区，灵泉灌区，群英灌区。

1.2 宝泉水库水文站

宝泉水库位于辉县市西40 km 峪河出山口，总库容6 690 万m3。 宝泉水库水文站始建于1954 年，原名峪河口水文站，1998 年迁至宝泉水库后， 更名为宝泉水库水文站。 该站控制流域面积为538 km2。峪河位于太行山东南端，跨山西、河南两省，属海河流域，南运河水系，它发源于山西省陵川县八都岭，河源区有岭东河、古郊河两条支流。该河自西北流向东南，经平甸入河南省境内，在水文站下游29 km 处入卫河，河道总长82 km，河道比降为2.1%。 峪河沿途自上游向下游纳入小磨河、十里河、碾草河、平甸沟、西沟等主要支流［4］。

1.3 合河水文站

合河水文站位于太行山南麓，卫河上游，是卫河支流的主要汇集地，先后有子坊沟、大狮涝河、峪河、石门河、 百泉河和黄水河等13 条河流在上游汇入。合河水文站是新乡及海河流域防汛抗旱的前沿哨所，控制流域面积为4 061 km2，其中北部为山区，南部为平原。 该站在卫河及共产主义渠上分设两个断面，卫河、共产主义渠均属于海河流域、南运河水系。合河水文站上游有宝泉水库水文站、 修武水文站和石门水库水位站，共产主义渠和卫河在合河交汇。在卫河站上游1 500 m 处，建有卫河节制闸。 该节制闸使卫河来水与共产主义渠来水分开， 起到了防洪和调节水量作用。

1.4 修—宝—合区间

修—宝—合区间有马鞍石灌区、马坊灌区、武嘉灌区、白马泉灌区及各县设的提灌站，其中武嘉引黄灌溉对该区间径流的影响最大。另外，人民胜利渠西一干渠在获嘉的彦当有一些退水进入共产主义渠，但近年来已经很少。 因宝泉水库水文站迁移，修—宝—合区间控制面积由2 216 km2变为2 236 km2。

2 单站天然河川径流量还原计算

2.1 计算方法

对于控制面积内不存在蓄水、引水、提水及河道分洪或堤防决口的水文站， 实测河川径流量即为天然河川径流量。 合河水文站控制面积内，存在蓄水、引水、提水情况，因此应对该站逐月、逐年的实测河川径流量进行还原计算。在还原计算中，分项调查法因计算原理简单，应用较多［5］。 在采用分项调查法进行还原计算时，主要计算跨流域引、排水量，河道决口或分洪水量。 对于整个流域，在一定的时期内，根据水量平衡原理，列出水量平衡方程，如式（1）所示。

式中：W天然为还原后的天然径流量；W实测为水文站实测径流量；W灌溉为农业灌溉耗水量；W工业为工业耗水量；W生活为城镇生活耗水量；W引水为跨流域引排水量，引入为负，引出为正；W分洪为决口或分洪水量，流入为负，流出为正。

2.2 计算结果分析

修—宝—合区间1980 年天然径流量还原计算结果如表1 所示。

表1 1980 年修-宝-合区间天然径流量还原表（部分）Tab.1 Some natural runoff reduction of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval in 1980

3 天然河川径流量系列一致性分析

在进行还原计算的基础上， 对其同步期逐年天然河川径流量进行系列一致性分析。

3.1 分析方法

修—宝—合区间天然河川径流量系列一致性分析可采用以下2 种方法。 （1）通过点绘修—宝—合区间1956～2016 年面平均年降水量与天然年径流深的相关图，分析降水与径流的关系，检查其天然年径流系列的一致性。 若发现在同量级降水条件下，某时段的点据明显偏离， 则表明下垫面变化对径流影响较大，应对其天然年河川径流系列进行一致性修正。 绘制不同年段的年降水与径流的关系曲线，两条曲线之间的径流坐标距离即为年径流变化值。 （2）通过点绘水文站控制范围内面平均年降水量与天然年河川径流量的双累积相关图，找出年降水量与天然年河川径流量关系发生明显变化的拐点年份， 以该年为分割点， 将年降水量和天然年河川径流量系列划分为前、后两个年段，并对前一年段的天然年河川径流量系列进行修正［6］。当选定一个年降水值时，可分别从两条曲线上查出两个对应的年径流深值（R1和R2），采用式（2）和式（3）分别计算年径流量衰减系数和修正系数。

式中：γ 为年径流衰减系数；Ψ 为年径流修正系数；R1为前一年段年降水与径流关系曲线上的天然年径流深，mm；R1为后一年段年降水与径流关系曲线上的天然年径流深，mm。

首先查算不同量级的年降水量的年径流修正系数Ψ 值，然后绘制P 与Ψ 关系曲线（该曲线为对天然年河川径流系列修正的依据）。根据需要修正年份的年平均降水量值，从P 与Ψ 关系曲线上查得该年平均降水量对应的修正系数， 然后用查得的修正系数乘以该年天然年河川径流量， 即可求得修正后的天然年河川径流量。

3.2 分析结果

点绘修—宝—合区间1956～2016 年面平均年降水量与天然年径流深的相关图，如图2 所示；点绘修—宝—合区间1956～2016 年面平均年降水量与天然年河川径流量的双累积相关图，如图2 所示。

图1 修—宝—合区间面平均降水量与径流深关系图Fig.1 Relations of average rainfall of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval and runoff depth

图2 修—宝—合区间面平均降水累计与径流深累计关系图Fig.2 Relations of average rainfall accumulation of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval and runoff depth accumulation

由图1 可知，2001～2016 年关系线与1978～2000 年关系线的变化趋势基本统一， 然而1956～1978 年的关系线与以上两个年段曲线的偏离较大，因此需要对该时段进行一致性修正。从图2 可知，径流深累计值在3 824.4 mm（1978 年）出现明显的向上转折。 因此，判定1978 年为拐点，需要对1956～1977 年时段进行一致性修正。

根据式（2）和式（3），计算修—宝—合区间的年径流修正系数，结果如表2 所示。绘制修正系数与降水量的关系曲线，如图3 所示。

由表2 和图3 可以计算出年平均降水量对应的修正系数， 用该年修正系数乘以本年度的天然径流量，即得出本年度修正后的天然径流量，部分结果如表3 所示。

将1956～1977 年的天然径流量进行系列修正后，再次分析降水与径流深的关系、累计降水量和累计径流深的关系，结果如图4 和图5 所示。

表2 修—宝—合区间年径流修正系数表Tab.2 Xiuwu-Baoquan-Hehe interval runoff revised coefficient

通过图4 和图5 可以看出，1956～2016 年数据变化趋势基本一致，即该系列数据一致性修正完成。

图3 修—宝—合区间修正系数与降水量关系图Fig.3 Relations of revised coefficient of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval and rainfall

表3 修—宝—合区间修正天然径流量计算表Tab.3 Revised natural runoff calculation of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval

图4 修正后的修—宝—合区间降水量与径流深系列对比图Fig.4 Comparison of revised rainfall of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval and runoff depth

图5 修正后的修—宝—合区间降水量累计与径流深累计关系图Fig.5 Relations of revised rainfall accumulation of Xiuwu-Baoquan-Hehe interval and runoff depth accumulation

4 结语

通过对修—宝—合区间数据系列一致性修正得出，该区间多年平均天然径流量由修正前的23 907.7万m3减少为18 365.5 万m3， 减少了5 542.2 万m3。经过系列修正后的数据能反映近期下垫面条件下的天然年径流系列，从而使水资源分析评价、水资源论证、水资源综合规划的成果更具有科学性。 因此， 进行水资源评价的相关技术人员应熟练掌握径流系列的还原和径流系列一致性修正的方法和技术， 以便为今后做好水资源调查评价提供重要的技术保障。