摘要：針對黑龍江省人類活動對河川徑流的影響，系統地論述水庫站月徑流量的還原計算方法。并就稻田攔蓄水量、地下水開采對河流水文效應產生的影響及徑流還原計算方法進行探討。

關鍵詞：水庫站 徑流量 耗水量 還原計算

我省現有水庫站12處。這些站的建立，為彌補基本站網定位觀測的不足，擴大資料收集范圍，增強資料的完整性均發揮了重要作用。但由于這些站所測得徑流資料受水利工程影響，在數量和時程分配上均不能代表河流的天然狀況，因此在應用這些資料進行水資源評價和工程設計時，必須將測驗斷面的實測徑流還原為天然河川徑流量。本文針對我省水利工程和水庫站的特點，對水庫站月徑流量的還原計算方法進行全面論述，并就徑流量負值處理、稻田攔蓄水量問題、地下水開采對河川徑流影響等進行了探討。

1 水庫站河川徑流還原計算公式

河川徑流還原計算的方法很多。主要有分項還原法、模型法、經驗公式法、徑流雙累積法和流域蒸發差值法。而進行月徑流還原計算時，通常采用分項還原法。分項還原法是根據水量平衡原理建立水平衡公式，通過計算水利工程引起的增減水量推求測驗斷面的天然河川徑流量。計算公式如下：

W天然=W出庫+W農耗+ W工耗±W庫蓄+W滲漏+W庫蒸 （1）

式中：

W天然——還原后的天然河川月徑流量；

W出庫——出庫實測月徑流量；

W農耗——農田灌溉月耗水量；

W工耗——工業用水月耗水量；

W庫蓄——水庫月蓄水變量；

W滲漏——水庫月滲漏損失量；

W庫蒸——水庫增加的月水面蒸發損失量。

2 分項水量還原計算

2.1 農田灌溉耗水量

農田灌溉耗水量是指農田灌溉引水過程中，因蒸發消耗和滲漏損失掉而不能回歸到河流的水量，為渠首引水量與回歸入河水量之差。在計算農田灌溉耗水量之前，須首先弄清區域用水水源、用水區域和回歸水之間的關系和相對位置，來判別應還原的水量。如果灌區引水口在測驗斷面上游，而灌區在測驗斷面下游時，則灌溉耗水量即為渠首引水量。如灌區引水口和灌區均在測驗斷面上游時，則灌溉耗水量應等于渠首引水量減去綜合回歸水量，即：

（2）

式中：

W引水——渠首引水量；

W綜回——農田灌溉水綜合回歸水量，包括田渠下滲回歸水量和田渠棄水量；

W凈灌——農田灌溉凈用水量（W凈灌=m凈定*F實灌）；

W田回——田間下滲回歸水量；

m凈定——農田灌溉凈定額；

F實灌——實際灌溉面積；

E渠蒸——渠系引水、輸水過程中增加的蒸發損失量。

由于W田回和E渠蒸可相互抵消一部分，因此灌溉耗水量計算可簡化為下式：

W農耗= m凈定* F實灌 （3）

2.1.1 水稻凈灌溉定額的確定

我省農田灌溉以水田為主，水田灌溉耗水量占農田灌溉耗水量總量的80%以上，因此合理確定水田灌溉用水定額，是準確計算農田耗水量的關鍵。根據水量平衡原理：

m凈定=m泡田+E需水+m滲漏-P有效 （4）

式中：

m泡田——泡田期用水量；

E需水——水稻全生育期需水量；

m滲漏——水稻全生育期田間滲漏量；

P有效——水稻生長期有效降水量（P有效=P降雨*η有效）

P降雨——灌溉期降水量；

η有效——降雨有效利用系數。

上式中，m泡田主要和土壤前期含水量和土地平整程度有關，m滲漏主要取決于土壤的滲透條件，E需水受當地氣候情況影響，P有效主要受降水量的大小和時程分配制約。在地形地貌、氣溫、滲透條件相近的同一地區，影響m泡田，m滲漏，E需水大小的因素相對穩定，此時，同一地區的m凈定將主要取決于降水量的大小及其時程分配。根據上述分析，省水科院將全省劃分為東、西兩大平原和南、北兩大山地四個農田灌溉分區，并根據全省28個水田灌溉實驗站資料，給出了不同分區P=75%的水田凈灌溉定額。本文在此基礎上，通過計算機回歸分析確定出如下計算水田凈灌溉定額的經驗公式：

Ⅰ區：m凈定=286.6Pi2+302.1 Pi+361.6 （5）

Ⅱ區：m凈定=248.5Pi2+303.1 Pi+314.6 （6）

Ⅲ區及Ⅳ區：m凈定=243.3Pi2+291.9 Pi+290.8 （7）

式中：

m凈定——不同降水頻率下的水田凈灌溉定額；

Pi——年降水量頻率。

2.1.2水田灌溉月耗水量的計算

首先求出水田所在農業分區的逐年面降水量，然后經頻率分析確定還原年份的年降水量頻率，代入式（5）～（7）得年耗水量，再乘以水田灌溉水量月分配系數即為月耗水量。水田灌溉水量月分配系數如表1。

表1 黑龍江省水稻灌溉水量月分配系數表 月份 分區 5 6 7 8 9 Ⅰ 0.361 0.189 0.209 0.150 0.092 Ⅱ 0.355 0.205 0.227 0.151 0.062 Ⅲ 0.353 0.188 0.208 0.173 0.078 Ⅳ 0.412 0.161 0.183 0.163 0.082

表1 黑龍江省水稻灌溉水量月分配系數表

月份

分區

5

6

7

8

9

Ⅰ

0.361

0.189

0.209

0.150

0.092

Ⅱ

0.355

0.205

0.227

0.151

0.062

Ⅲ

0.353

0.188

0.208

0.173

0.078

Ⅳ

0.412

0.161

0.183

0.163

0.082

2.2 工業用水耗水量

2.2.1 工業用水耗水量的確定方法

工業用水耗水量為工業用水取水量與工業廢水入河排放量之差。其值包括兩部分：一是用水戶在生產過程中被產品帶走、蒸發和滲漏掉的水量，稱為用水消耗量；二是工業廢水在排放過程中因滲漏和蒸發而耗損的水量，稱為排水消耗量。以上各項水量的水平衡關系為：

W工耗 （8）

式中：

W工耗——工業用水耗水量；

W取水——工業用水取水量；

W河排——工業廢水入河排放量；

W用耗——用水消耗量；

W排耗——排水消耗量。

我省工業廢水一般無入河排放量觀測資料，且工業廢水、生活污水和雨洪徑流往往在城市排污口中混雜排放，很難區分，因此工業廢水入河排放量資料很難直接獲得。為解決這一問題，筆者根據用水指標的定義和各項水量之間的水平衡關系，提出如下入河排放量的計算方法：

W排放=W取水*[1-α0*（1-ηi）/（1-η0）]（9）

W河排=W排放*（1-λ） （10）

將式（9）、（10）代入式（8），并經整理得：

W工耗= W取水*[1-（1-α0*（1-ηi）/（1-η0）*（1-λ）] （11）

式中：

W排放——用水戶廠區工業廢水排放量

α0——調查起始年用水消耗率（α0= W用耗/ W取水）；

η0、ηi——調查起始年、還原年的工業用水重復利用率；

λ——工業廢水在入河過程中的滲漏、蒸發損失率（λ= W排耗/ W排放），明渠輸水λ取0.20～0.30，管道輸水λ取0.15～0.25。

2.2.2 工業用水月耗水量的計算

將調查起始年的α0、η0及還原計算年份的ηi、λ帶入式（11），求出工業用水年耗水量再平均分配到年內各月，即可求出工業用水月耗水量。

2.3 水庫滲漏損失量

水庫滲漏量分為壩基滲漏、庫底滲漏和庫岸側滲三部分。在壩基滲漏較大的水庫上，可利用壩下反濾溝實測流量資料推算水庫滲漏量。如果沒有實測流量資料，可采用以下方法進行計算：

W滲漏= W入庫+ W降雨±W蓄變- W出庫- W庫蒸 （12）

式中：

W入庫——入庫站實測月徑流量；

W降雨——庫區水面月降雨量；

W蓄變——水庫月蓄水變量。

在缺乏實測入庫徑流量的水庫上，可選用封凍期入庫流量為零或入庫流量接近零的月份推算月滲漏水量。在河流封凍期W降雨為零，由于枯水月份W入庫和W庫蒸均很小，且可互相抵消一部分，因此式（12）可進一步簡化為：

W滲漏=W蓄變- W出庫 （13）

應用式（13）計算水庫月滲漏量，并與水庫月平均水位點繪相關曲線，再以月平均水位在關系上查讀月滲漏水量。

2.4 水庫增加的水面蒸發損失量

水庫蓄水以后，庫區由陸地蒸發轉變為水面蒸發，其月凈增的水面蒸發損失量為：

W庫蒸=（1-E陸年/E601年）*E601月*A月 （14）

式中：

E陸年——庫區年陸地蒸發量；

E601年——庫區年E601蒸發器蒸發量；

E601月——庫區月E601蒸發器蒸發量；

A月——庫區月平均水面面積。

2.4.1 E陸年的計算

我省無陸面蒸發量實驗資料。以往計算E陸年時，一般采用年降水量與年徑流深之差（P-R）代替。其中年徑流深（R）往往借用相鄰地區資料，或以實測出庫水量和水庫蓄水變量代數和近似代替。由于以P-R代替E陸年是以忽略區域年蓄水量為前提的，方法本身不符合水平衡原理，加之R值多為近似值，因此用上述方法計算的E陸年會產生較大的誤差。我省在第一次水資源評價時曾提出利用水熱平衡法計算多年平均陸面蒸發量的方法，可應用這一方法計算E陸年。

（1）山丘區E陸年的計算

E陸年=P降雨*10-a+0.1553θ/LP（15）

2）平原區E陸年的計算

E陸年=P降雨*（-0.246+0.642θ/LP） （16）

表2 山丘區a取值條件表 流域平均高程(m) a 200～300 0.354 300～450 0.404 450～750 0.427 >750 0.475

表2 山丘區a取值條件表

流域平均高程(m)

a

200～300

0.354

300～450

0.404

450～750

0.427

>750

0.475

以上公式中：

P降雨——庫區年降水量；

θ——太陽輻射平衡值；

L——蒸發潛熱；

a——隨流域平均高程變化的系數，取值條件如表2。

2.4.2 水庫月蒸發損失量的計算

利用式（15）、（16）求出E陸年后，再將其同E601年、

E601月、θ、A月一并代入式（14）即可求出水庫月蒸發損失量。

3 徑流還原計算中有關問題的探討

3.1 稻田攔蓄水量問題

3.1.1 稻田攔蓄水量還原計算的必要性

稻田攔蓄水量是指稻田攔蓄利用產流降雨而引起河川徑流減少的水量。目前，對于是否進行該水量還原計算，專家和學者一直持兩種不同態度：一種觀點認為，稻田攔蓄水量應歸于下墊面條件變化對河川徑流的影響，本著向后還原的原則，不進行該水量的還原計算；另一種觀點則認為，稻田用水屬于水利工程的延續，稻田攔蓄的水量就是產流降雨，稻田對降水的攔蓄利用，使河川徑流在數量和時程上均發生顯著變化，因此應進行該水量的還原計算。筆者傾向于后一種觀點，主要理由有以下幾條：

（1）每次降雨過程中稻田周圍的地面徑流通過渠系直接匯集于稻田，并直接攔蓄了稻田面積上的降雨，因而稻田實際起到和水庫一樣的攔蓄作用，如果稻田不攔蓄，這部分水量就會匯流于河道形成河川徑流。

（2）和水庫不同的是，稻田攔蓄的水量除部分通過田間下滲回歸河流外，其余大部分水量作為水資源被利用——以作物蒸發和稞間蒸發的形式被就地消耗，使下墊面的產水量明顯減少。

（3）稻田攔蓄的水量數量可觀。以我省東部的撓力河為例，農田區和一般平原區相比，同量級降水情況下，前者的徑流深較后者減少20～50mm，因此稻田攔蓄作用對河川徑流的影響是顯著和不容忽略的。

3.1.2 稻田攔蓄水量的計算方法

稻田攔蓄作用下的產匯流機制相當復雜，計算攔蓄水量目前尚無成熟方法。本文以降水量為輸入，產流量為輸出，在忽略產匯流過程的前提下，用下列方法估算：

W攔蓄=P降雨*F實灌*α徑流[1-η有效*（1-β田間）] （17）

式中：

W攔蓄——因稻田攔蓄利用而減少的徑流量；

P降雨——灌溉期月降水量；

β田間——灌溉水田間回歸系數，取0.15～0.20；

α徑流——天然狀態下的降雨徑流系數，可由稻田建成前的月降雨徑流關系曲線查算；

表3 降雨有效系數表

降水量(mm)

η有效

<5

0

<50

1

50～100

0.8

150～200

0.75

>200

0.7

η有效——降雨有效利用系數，按表3取值。

3.2 地下水開采對河川徑流的影響

目前，在河川徑流還原計算中，一般只考慮地表水開發利用對河川徑流的影響，而不考慮地下水對河流產生的水文效應。是否進行還原計算，爭論已久，至今尚無定論。地下水開采對河流的水文效應的影響，可概括為增水或減水兩個方面。一方面，地下水開采產生地下水位下降后（階段性或持續性下降），地下水和地表水補排關系發生變化，造成河流激化補給地下水，使河川徑流量較天然狀態有所減少；另一方面，經開采利用的地下水會以廢污水的形式直接排入河道，使河川徑流量增加。以福利屯站為例，安邦河定國山水庫至測驗斷面的區間內，雙鴨山市區每年有近2000×104t的地下水廢污水排入河流，其年排放量占80年代以來最枯年徑流量的55%，月排放量占月最枯徑流量的98%。地下水開采對河川徑流的影響，可用下式估算：

W地下=B*K（M2H2T2-M1H1T1）-W地排 （18）

式中：

W地下——地下水開采使河川徑流增加或減少的水量；

B——河道長度；

K——含水量滲透系數；

H1、H2——地下水開采前、開采后的地下水水力坡度；

M1 、M2——地下水開采前、開采后的含水層影響帶有效厚度；

T1、T2——地下水開采前、開采后的河道滲漏補給時間；

W地排——地下水廢污水入河排放量。

當｜W地下｜較小，W地下可忽略不計，不進行該水量的還原計算。當｜W地下｜較大，且W地下為正值時，將W地下按月徑流占補給期河流總徑流量的百分比分配到各月，即可求出月還原水量；當｜W地下｜較大且W地下為負值時，將W地下平均分配到年內各月，即為月還原水量。

3.3 徑流量負值的處理

在實際工作中，在封凍期的一些月份（12月～2月）常常出現還原后的徑流量為負值的不合理現象。對負值月份采用以下處理方法：

（1）首先通過頻率分析確定負值年份的徑流量豐枯程度，然后選擇與其接近的豐、平、枯年份作為典型年，直接移用典型年同一月份的徑流量，將“負值”處理為“正值”。為保持年徑流總量不變，需將“負值”月份“借用”的水量，在其后的4～5月份按比例扣除。

（2）采用虧水比例法。選擇降水產流量甚小的枯水時段，根據虧水比例公式Wt=W0*K，先用不受工程影響的天然月徑流分析K值。然后以受工程影響、徑流還原計算后的汛末一個月的月徑流量W0為基數，再乘以K值，分別求出汛末到翌年2月份的各月徑流量，用以代替“負值”月份的徑流量。

4 結語

本文對水庫站月徑流的還原計算方法進行了全面論述，并就還原計算中的有關問題進行了探討。旨在拋磚引玉，拓寬徑流還原計算工作的思路和途徑，提高徑流還原計算的精度。由于我省河流受人類活動影響較大，河川徑流還原計算比較復雜，所以此次介紹的方法仍顯粗糙，對有關問題的討論也帶有探索性質，有待于在今后的實踐中改進和提高。

1、《水文調查規范》（SL196-97）

2、張經之 ，山東省河川徑流還原計算方法及合理性論證，《水文》，北京：中國水利電力出版社，1982年11月

3、《黑龍江省水資源研究》，哈爾濱：黑龍江省科技出版社，1991年2月