摘要：對所依據(jù)的設計站年徑流資料進行一致性審查和代表性分析，在此基礎上采用實測最小流量頻率分析法、還原扣除法和流量歷時綜合曲線法推求代表站設計年最小流量。根據(jù)設計代表站、取水口位置和區(qū)間情況，采用水均衡法分析計算取水口斷面設計年最小流量。

關(guān)鍵詞：電廠取水口 設計年最小流量 頻率分析

1 概況

1.1電廠取水口位置及設計取水量

為更好地適應東北地區(qū)乃至華北地區(qū)電力負荷不斷增長的需要，滿足佳木斯中心區(qū)和佳東區(qū)域近遠期集中供熱需求，佳木斯市熱電廠有限責任公司規(guī)劃建設2×300MW機組供熱擴建工程。項目性質(zhì)為供熱擴建工程，屬熱電聯(lián)產(chǎn)、電熱結(jié)合的大型發(fā)電廠，計劃裝機容量600MW，供熱面積1231×104m2，年發(fā)電量33×108KW.h。電廠設計年取水量為2.83×108m3，平均取水流量為8.9m3/s，供水保證率為97%，初選供水水源為松花江地表水，取水口位于佳木斯市城區(qū)東北部的松花江干流上。

1.2流域概況

1.2.1自然地理

電廠取水口位于松花江流域下游。松花江流域位于東經(jīng)119°52′～132°31′、北緯41°42′～51°48′之間，東西長2309km，南北寬1070km，流域面積55.68×104km2。

松花江有南北兩源，南源第二松花江發(fā)源于吉林省長白天池，北源嫩江發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山中段南側(cè)，兩源于三岔河附近匯合向東而流始稱松花江。松花江流經(jīng)黑龍江、吉林兩省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，在同江縣附近匯入黑龍江，從嫩江源頭計算，松花江總長2308km。

松花江流域西部為大興安嶺，海撥高程700～1700m；北部為小興安嶺，海撥高程為1000～2000m；東部和東南部為完達山脈和長白山脈，海撥高程200～2700m；西南部的丘陵區(qū)地帶是松花江與遼河兩流域的分水嶺，海撥高程140～250m；中部是松嫩平原，海撥高程50～200m，是本流域的主要農(nóng)業(yè)區(qū)。流域內(nèi)山區(qū)面積23.79×104km2，占流域面積的42.7%；丘陵面積16.2×104km2，占流域面積的29.1%；平原面積15.23×104km2，占流域面積的27.4%；其它面積占流域面積的0.8%。

1.2.2徑流特征

松花江流域河川徑流主要由降水形成，徑流的地區(qū)分布不均勻。高值區(qū)多年平均徑流深200～500mm，長白山脈天池附近高達600mm。徑流低值區(qū)多年平均徑流深小于150mm，嫩江中下游平原地區(qū)年徑流深小于25mm。

徑流年際變化大，并存在明顯的豐枯變化周期。流域諸河年徑流變差系數(shù)Cv值在0.20～1.0之間變化，松嫩平原高值區(qū)Cv值達0.91～1.0，三江平原Cv值達0.71～0.80左右，第二松花江上游低值區(qū)Cv值在0.20～0.25之間。徑流年際變化存在連豐連枯、豐枯交替變化的特點，據(jù)哈爾濱長系列徑流資料分析，其徑流有明顯的豐枯水周期，1898～1928年為枯水期，1929～1967年為豐水期，1968～1982年為枯水期，1983年以來又進入了豐水期。

徑流的年內(nèi)分配極不均勻，夏季汛期6～9月徑流量可占全年徑流量的70～80%，其中7、8兩月占50%左右；春溉期5～6月，徑流占全年的10～30%；封凍期長約5～6個月，徑流不足全年的20%。

1.2.3水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

（1）供水量

松花江流域現(xiàn)狀供水總量為374.06×108m3，其中地表水工程供水量為218.38×108m3，占總供水量的58.38%；地下水工程供水量155.68×108m3，占供水總量的41.62%。

按工程類別供水分別統(tǒng)計，蓄水工程供水54.11×108m3，引水工程供水65.69×108m3，提水工程供水98.58×108m3，地下水工程供水155.68×108m3。各工程供水量占供水總量的百分比分別為14.47%、17.56%、26.35%和41.62%。

（2）用水量

松花江流域現(xiàn)狀用水總量373.85×108m3。按用戶類別用水分別統(tǒng)計，農(nóng)田灌溉用水量為255.23×108m3，占用水總量的68.27%；工業(yè)用水量為83.91×108m3，占用水總量的22.45%；林牧漁業(yè)用水量為14.39×108m3，占用水總量的3.85%；生活用水量為20.32×108m3，占用水總量的5.44%。

2水文基本資料

2.1設計站的選擇

根據(jù)取水口斷面位置和松花江干流水文站分布情況，選擇佳木斯水文站為設計代表站，選擇哈爾濱水文站為設計參證站。

佳木斯站位于電廠取水口上游4.3km處，控制流域面積528277km2，是松花江下游把口站。本站于1934年設立為水位站，1945年抗戰(zhàn)勝利后停測，1949年恢復為水位站，1953年擴建為水文站。水文站測驗斷面位于綏佳線松花江鐵路橋下800m處，河段順直長度1000m，河床穩(wěn)定，水流集中，河床由細砂組成，左右岸均有堤防控制，河槽控制條件良好，斷面歷年沖淤變化不大，水位流量關(guān)系穩(wěn)定。流量測驗以流速儀法為主，測次分布均勻，整編成果可靠。

哈爾濱站位于佳木斯站上游哈爾濱市，地處松花江干流中上游，是第二松花江和嫩江匯合后的主要控制站，控制流域面積389769 km2。本站于1898年設立為水位站，1953年擴建為水文站。鑒于哈爾濱站建站時間較長，經(jīng)歷次水資源評價、水資源規(guī)劃插補延長后具有1898年至今完整的長系列徑流資料，故選擇此站為設計參證站。

2.2資料的一致性審查

人類活動對徑流一致性的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：第一，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，河道外引用消耗的水量不斷增加，直接造成河川徑流量的減少，水文站實測徑流已不能代表天然情況；第二，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、基礎設施建設和生態(tài)環(huán)境建設改變了流域的下墊面條件，導致入滲、徑流、蒸散發(fā)等水平衡要素的變化，從而造成產(chǎn)流量的減少或增加。河道外用水消耗量一般采用徑流還原計算的方法還原回來。下墊面的變化對徑流的影響是一個漸變過程，影響因素非常復雜，難以逐年做出定量的估計。通常的做法是：在單站徑流還原的基礎上，點繪年降水量與天然年徑流深相關(guān)圖，通過分析同量級降水條件下徑流是否明顯增加或減少來分析系列一致性的好壞。

2.2.1徑流還原計算

本次設計參證站和設計代表站天然徑流資料均采用歷次水資源評價和水資源規(guī)劃還原計算成果。哈爾濱站，1898～1956年采用全省第一次水資源評價插補延長及還原計算成果，1956～2000年為全省水資源綜合規(guī)劃還原計算初步成果。佳木斯站1956～2000年為全省水資源綜合規(guī)劃還原計算初步成果，1953～1955年為佳木斯市地下水開發(fā)利用規(guī)劃還原計算成果。

2.2.2系列一致性分析

在分析下墊面條件變化對徑流形成的影響方面，黑龍江省水文局點繪了松花江各支流代表站的年降水徑流相關(guān)圖，在降水徑流相關(guān)圖中，單站不同時期的徑流深點據(jù)呈帶狀粘合在一起，同量級降水條件下徑流深沒有明顯增大或減少現(xiàn)象，說明下墊面條件變化對流域徑流形成的一致性影響不大。哈爾濱站和佳木斯站控制流域面積過大，不能采用上述方法，本文通過繪制年徑流單累積曲線和F檢驗對徑流系列的一致性進行審查。

（1）徑流單累積曲線分析

點繪哈爾濱站和佳木斯站年徑流單累積曲線，見圖1。由圖1可見，徑流單累積曲線基本光滑，曲線斜率沒有突變現(xiàn)象，可認為徑流還原計算精度較高，下墊面變化情況下的年徑流系列一致性較好。

圖1哈爾濱站及佳木斯站年平均流量累積曲線

（2）F檢驗

F檢驗法是統(tǒng)計分析方法中判斷不同時間兩個樣本是否取樣于同一總體或是否具有顯著時的常用方法。根據(jù)引起流域下墊面變化的水利工程建設、其他人類活動影響情況及水資源開發(fā)利用水平，將哈爾濱站及佳木斯站年徑流系列分別劃分為1980年以前（n1）與1980年以后（n2）兩組樣本，然后用F檢驗法確定兩組樣是否具有顯著的差別。檢驗結(jié)果如表1。

表1 徑流系列F檢驗（雙側(cè)檢驗）分析成果表

項目 哈爾濱站 佳木斯站 樣本長度n1 樣本長度n2 83 20 28 20 樣本方差S12 樣本方差S22 234162 260004 484023 424202 自由度f1 自由度f2 19 82 27 19 統(tǒng)計量F 1.11 1.141 顯著性水平α 0.05 0.05 臨界值Fα/2（f1，f2） 1.90 2.42 檢驗結(jié)論 F＜Fα/2（f1，f2），兩樣本無顯著性差異

項目

哈爾濱站

佳木斯站

樣本長度n1

樣本長度n2

83

20

28

20

樣本方差S12

樣本方差S22

234162

260004

484023

424202

自由度f1

自由度f2

19

82

27

19

統(tǒng)計量F

1.11

1.141

顯著性水平α

0.05

0.05

臨界值Fα/2（f1，f2）

1.90

2.42

檢驗結(jié)論

F＜Fα/2（f1，f2），兩樣本無顯著性差異

2.3系列代表性分析

松花江干流年徑流系列代表性問題，以往的水資源評價和水資源規(guī)劃多次做過分析，結(jié)論為1951～1982年32年系列具有較好的代表性，本次補充了1983年以來徑流系列，采用周期分析、累計平均分析和長短系列統(tǒng)計參數(shù)對比等方法，重點對松花江干流1953～1982年和1953～2000年徑流系列的代表性進行簡要分析。

（1）周期分析

繪制哈爾濱站（1898～2000年）103年長系列和佳木斯站（1953～2000年）48年短系列年徑流模比系數(shù)差積曲線，見圖2。

圖2哈爾濱站及佳木斯站年徑流差積曲線

從差積曲線圖上可以看出，松花江干流年徑流上下游同步性好，周期變化規(guī)律明顯，具有連豐連枯、豐枯交替和枯水段持續(xù)長等特點。進一步分析1953～2000年短系列差積曲線，1953～1964年為連續(xù)豐水年組，1964～1973年為平水偏枯年組，1974～1982年為連續(xù)枯水年組，1983～2000年又為連續(xù)豐水年組，整個系列豐水年組偏多，年徑流系列代表性較差。而1953～1982年系列為一個完整的豐、平、枯變化周期，其中豐水年11年，平水年10年，枯水年9年，分布較均勻，系列有較好的代表性。

（2）累計平均分析

繪制哈爾濱站年徑流模比系數(shù)累積平均過程曲線，見圖3。

圖3哈爾濱站年徑流累積平均曲線

由累積平均過程曲線圖可知，1953～2000年48年和1953～1982年30年短系列累積平均值都大于1，說明任何一個短系列均值均大于長系列均值，但30年短系列累積平均值變化較48年短系列更為穩(wěn)定，30年系列代表性優(yōu)于48年系列。

（3）長短系列統(tǒng)計參數(shù)

選擇哈爾濱站為參證站，分別計算長短系列年徑流統(tǒng)計參數(shù)，見表2。

表2 哈爾濱站年徑流系列統(tǒng)計參數(shù)計算成果表

系列 系列年數(shù) 流量均值 （m3/s） Cv 短系列Cv/ 長系列Cv 短系列均值/ 長系列均值 1898～2000 103 1260 0.44 1.000 1.000 1898～1982 85 1190 0.44 1.000 0.944 1928～1982 55 1350 0.38 0.864 1.071 1935～2000 66 1400 0.34 0.773 1.111 1935～1982 48 1320 0.34 0.773 1.048 1953～2000 48 1460 0.36 0.818 1.159 1953～1982 30 1360 0.37 0.841 1.079

系列

系列年數(shù)

流量均值

（m3/s）

Cv

短系列Cv/

長系列Cv

短系列均值/

長系列均值

1898～2000

103

1260

0.44

1.000

1.000

1898～1982

85

1190

0.44

1.000

0.944

1928～1982

55

1350

0.38

0.864

1.071

1935～2000

66

1400

0.34

0.773

1.111

1935～1982

48

1320

0.34

0.773

1.048

1953～2000

48

1460

0.36

0.818

1.159

1953～1982

30

1360

0.37

0.841

1.079

注：Cs/Cv=2.0

由上表可見，1953～2000年48年和1953～1982年30年短系列Cv值相差不大，且均小于103年長系列Cv值，短系列從30年延長到48年后并不提高Cv值的代表性。

從均值來看，48年系列由于1983年以來松花江流域又進入了豐水期，來水偏豐，代表性較差；而30年系列雖然年數(shù)較少，但其均值與1928～1982年55年系列均值非常接近，基本代表了60年代以來的徑流變化特征，可認為1953～1982年30年系列具有較好的代表性。

（4）代表性分析結(jié)論

綜合以上分析，松花江干流1953～1982年30年徑流系列，包括完整的豐、平、枯水周期，統(tǒng)計參數(shù)代表性較好，歷次規(guī)劃均推薦此系列為年徑流設計依據(jù)，故本次采用佳木斯站1953～1982年30年資料作為年徑流設計系列。

3水文站設計年徑流和最小徑流

3.1設計年徑流

根據(jù)佳木斯水文站1953～1982年30年天然徑流資料，統(tǒng)計年平均流量系列。對年平均流量系列進行了頻率分析，采用矩法初估統(tǒng)計參數(shù)，按P—Ⅲ型理論曲線適線，確定均值和Cv值，Cs值取2Cv，適線后統(tǒng)計參數(shù)和設計值見表3。

表3佳木斯站設計年徑流計算成果表

項目

均值

(m3/s)

Cv

Cs/Cv

設計值（m3/s）

90%

95%

97%

99%

年平均流量

2250

0.34

2.0

1340

1160

1040

857

3.2設計年內(nèi)分配

熱電廠供熱與發(fā)電供水保證率均為97%。保證率97%的設計年平均流量為1040m3/s，其年內(nèi)分配可選擇與佳木斯站年徑流相近且枯季來水量分配對供水較為不利的1977年作為設計典型年，設計年徑流的年內(nèi)分配按同倍比法進行計算。成果表詳見表4。

表4 佳木斯站設計年徑流年內(nèi)分配成果表(單位：m3/s)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

全年

90

70

290

860

1209

1577

2766

2813

1502

724

279

299

1040

3.3設計年最小徑流

3.3.1實測最小流量頻率分析法

資料系列為佳木斯站1953～1982年的年實測最小流量系列，統(tǒng)計參數(shù)和設計值計算方法同設計年徑流。經(jīng)計算，佳木斯站保證率97%設計年最小流量為129 m3/s，統(tǒng)計參數(shù)和設計值見表5。

表5佳木斯站設計年最小徑流計算成果表

項目

均值

(m3/s)

Cv

Cs/Cv

設計值（m3/s）

90%

95%

97%

99%

年最小流量

370

0.44

2.0

183

149

129

97.3

3.3.2還原扣除法

（1）規(guī)劃水平年凈來水量設計年內(nèi)分配

根據(jù)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查和松花江流域規(guī)劃，2000年流域地表水開發(fā)利用量為218.38×108m3，至2010年地表水開發(fā)利用量將達到244.97×108m3，河道外用水的增加和水利工程的調(diào)節(jié)使河川徑流量在數(shù)量和時程分配上均發(fā)生顯著的變化，利用天然徑流資料計算的來水量已不能做為取水口的設計依據(jù)，需求出受水利工程影響的凈來水過程，2010年佳木斯站凈來水量按下式計算：

W凈＝W天然－W用水＋W回歸±W調(diào)節(jié)（1）

W凈——佳木斯站設計年逐月凈來水量；W天然——佳木斯站設計年逐月天然來水量；W用水——流域2010年逐月地表水規(guī)劃供水量；W回歸——逐月用水回歸水量；W調(diào)節(jié)——蓄水工程逐月調(diào)節(jié)水量。

W用水、W回歸和W調(diào)節(jié)各項水量分兩部分計算，哈爾濱站以上流域直接采用已有規(guī)劃的計算成果，哈爾濱站至取佳木斯站區(qū)間按如下方法計算：

①W用水：包括工業(yè)用水、城鎮(zhèn)生活用水、農(nóng)田灌溉用水和林牧漁業(yè)用水，取松花江流域規(guī)劃2010年規(guī)劃供水量。其中工業(yè)用水和城鎮(zhèn)生活用水按年用水量平均分配到各月，農(nóng)田灌溉用水和林牧漁業(yè)用水根據(jù)灌溉制度和用水過程按逐月用水量分配系數(shù)求得。

②W回歸：包括工業(yè)用水回歸水、城鎮(zhèn)生活用水回歸水、水田灌溉用水和林牧漁業(yè)回歸用水，由用水量乘以相應回歸系數(shù)求得。

③W調(diào)節(jié)：為徑流還原計算的逆運算，當水庫蓄水W調(diào)節(jié)取負值，當水庫放水時W調(diào)節(jié)取正值，根據(jù)設計典型年逐月水庫蓄水變量按庫容比法求得：

W調(diào)節(jié)＝W典型*V規(guī)劃/V典型 （2）

式中：W典型——設計典型年逐月水庫蓄水變量；V規(guī)劃——2010年水庫規(guī)劃總庫容；V典型——設計典型年水庫總庫容。

將表4中的W天然、哈爾濱以上流域和哈爾濱至佳木斯站區(qū)間的W用水、W回歸、W調(diào)節(jié)一并代入（1）式，求得佳木斯站凈來水量設計年內(nèi)分配成果，見表6。

表6佳木斯站凈來水量設計年內(nèi)分配成果表(單位：m3/s)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

161

142

191

665

1008

1493

2700

2401

1503

834

359

356

（2）月最小流量和日最小流量相關(guān)關(guān)系的建立

統(tǒng)計佳木斯站枯水年實測月最小流量和月內(nèi)日最小流量并建立相關(guān)圖。對相關(guān)圖進行線型分析和回歸計算，其相關(guān)關(guān)系與如下線性方程擬合較好：

Q日最小=0.7952Q月最小＋25.896(R2=0.992) （3）

（3）設計年最小流量

從表6中選擇數(shù)值最小的月平均流量代入（3）式，求得佳木斯站保證率97%設計年最小流量為139m3/s。

3.3.3日平均流量綜合歷時曲線法

選擇豐、平、枯三個代表年，統(tǒng)計逐日實測平均流量，按從大到小的次序排列，計算并點繪日平均流量頻率曲線如圖4。在曲線上查得佳木斯站保證率97%設計年最小流量為130m3/s。

圖4佳木斯站日平均流量綜合歷時曲線

（4）設計年最小流量的選擇

實測流量頻率分析法和日平均流量綜合歷時曲線法是以實測資料為依據(jù)，經(jīng)頻率計算后求出設計年最小流量，其值基本代表了現(xiàn)狀條件下設計年來水情況，但所依據(jù)的徑流資料系列一致性較差，且未考慮規(guī)劃水平年河道外用水增加和新建蓄水工程調(diào)節(jié)的影響。還原扣除法以天然徑流為設計依據(jù)，資料系列的致性較好，并且考慮了河道外用水和水利工程調(diào)節(jié)的影響，計算的設計值代表了規(guī)劃水平年可能來水情況，由于受水利工程調(diào)節(jié)的影響，設計值較以上兩種方法的計算值偏大。以上幾種方法計算的設計值比較接近，從供水偏于安全的角度來考慮，采用其中的最小值做為佳木斯站年最小流量的設計值。

4取水口斷面設計年最小流量

佳木斯市熱電廠取水口位于佳木斯水文站下游4.3km處，佳木斯站控制流域面積528277km2，加上以下未控區(qū)面積723 km2，取水口斷面控制流域面積529000km2。

佳木斯站基本斷面下游有一長2.5km、寬1.5km的柳樹島將江水分成兩脈水流，主流位于南側(cè)，長期過水；支流位于北側(cè)，豐水期過水，在佳木斯水文站出現(xiàn)434m3/s以下枯水流量時河道斷流。電廠取水口設置在柳樹島下游主河道上，枯水期不存在支流分水問題。

佳木斯水文站至電廠取水口斷面僅有音達木河一條支流匯入，流域面積很小，冬季河流封凍斷流。區(qū)間佳木斯城區(qū)地下水超采，松花江水位全年高于地下水水位，本江段不接受地下水補給。由于松花江最枯徑流均出現(xiàn)在冬季，因此區(qū)間來水量可不予考慮。

佳木斯站至佳木斯電廠之間沿程損失水量包括河流水面蒸發(fā)、河床浸潤帶蒸發(fā)和河道滲漏。由于枯水徑流均出現(xiàn)在冬季，受氣候影響前兩項損失量很小，可忽略不計。其中區(qū)間河道滲漏損失量選擇枯水年份，利用達西公式進行計算。

區(qū)間有多處市政和企業(yè)排污口向松花江排水，年排水量2.097×108m3。造紙廠、化工廠、糖廠及電廠五期工程在本江段建有提水工程，其中取水口斷面以上年提水量2.207×108m3。

根據(jù)取水口位置及區(qū)間來水、用水情況，取水斷面設計年最小流量按如下水均衡方法計算：

Q取水口＝Q水文站＋Q排水－Q提水－ Q滲漏 （4）

Q取水口——電廠取水口斷面設計年最小流量，m3/s；

Q水文站——佳木斯站設計年最小流量，m3/s；

Q排水——區(qū)間排污口入河排放量，m3/s；

Q提水——區(qū)間已建取水工程提水量，m3/s；

Q滲漏——區(qū)間河道滲漏損失量，m3/s。

經(jīng)計算，取水口斷面保證率97%設計年最小流量為128.7m3/s。

5結(jié)語

本文在認真分析設計站資料一致性和代表性的基礎上，采用多種方法對電廠取水口斷面設計年最小徑流進行分析計算，各種方法起到相互驗證的作用，因而計算結(jié)果具有較高的精度，可供有關(guān)部門在分析取水口設置合理性及可行性時參考。