黑河中游地区水资源分析

郑利民,吴玉磊,刘燕凤,徐 洋

(1.黄河水利科学研究院,郑州 450003;2.河套灌区义长灌域管理局,内蒙古 巴彦淖尔 015100)

黑河是中国西北地区较大的内陆河，发源于青海省祁连山中段，流域总面积约为14.3万km2，流经青海、甘肃、内蒙古三省(区)的14个县(市、区、旗)及国防科研基地，战略地位十分重要。中游的张掖市，农牧业开发历史悠久，享有“金张掖”之美誉，居延三角洲地带的额济纳绿洲既是阻挡风沙侵袭、保护生态的天然屏障，也是当地人民生息繁衍、国防科研和边防建设的重要依托。

1 黑河流域概况

黑河流域有35条小支流，随着用水的不断增加，部分支流逐渐与干流失去地表水力联系，形成西、中、东3个独立的子水系。其中东部子水系即黑河干流水系，包括黑河干流、梨园河及其它20多条沿山小支流，尾闾是东、西居延海，面积是11.6万km2。

黑河干流莺落峡以上为上游，河道长313 km，流域面积1万km2，年均降水量350 mm，为干流主要产流区，气候阴湿寒冷，植被较好，河道为峡谷型河道，山高谷深、水流湍急，径流量的大小受降水、融冰及森林植被覆盖度等影响，径流年内分配不均匀，年际变化不大。莺落峡至正义峡之间为中游，为径流利用区，河道长204 km，流域面积2.56万km2，该区光热资源丰富，依靠黑河供水，人工绿洲发育，是甘肃省的重要农业区。正义峡以下为下游，河道长411 km，流域面积8.04万km2，为径流消耗区，气候干燥，植被稀疏，是戈壁沙漠围绕天然绿洲的干旱地区。

黑河径流由区降水和冰雪融化补给，干流莺落峡站多年平均年径流量15.8亿m3，梨园河梨园堡站多年平均年径流量2.37亿m3，其他沿山支流多年平均年径流量为6.58亿m3，各出山口合计多年平均年径流总量为24.75亿m3。黑河流域地下水主要由河川径流补给，地下水资源总量为21.76亿m3。其中，山丘区水资源量为9.36亿m3，平原区水资源量为20.32亿m3，山丘区、平原区之间重复量约为7.92亿m3。

梨园河上游有西岔河和摆浪河，全长180 km，梨园堡以上长130 km，流域面积2 240 km2，山区冰川面积16.18 km2，冰川储量3.88亿m3，年冰川融水量0.12亿m3。

2 黑河莺落峡、梨园堡断面来水分析

(1) 莺落峡断面来水频率分析

以P=10%、P=50%、P=90%三个频率分别代表黑河干流莺落峡断面来水丰、平、枯的3种情形。选用P-Ⅲ型曲线进行频率分析，采用目估适线法对莺落峡断面1945—2012年径流系列进行调参，根据点线配合情况确定最后采用的统计参数。

经分析，该径流系列Cv=0.168，Cs=0.504，Cs/Cv=3.0，均值为16.10亿m3

不同来水频率下的径流量成果见表1。

表1 莺落峡断面来水丰、平、枯的频率分析成果表

(2) 莺落峡断面丰、平、枯来水过程分析

根据莺落峡断面丰、平、枯来水频率分析成果，按照水量调度的特点，确定1958年、1980年、1979年为莺落峡断面丰、平、枯典型代表年。典型代表年流量月分配过程见表2。

表2 莺落峡断面丰、平、枯典型代表年流量月分配过程表 /亿m3

(3) 梨园堡断面来水频率分析

以P=10%、P=50%、P=90%三个来水频率分别代表梨园河梨园堡断面来水丰、平、枯的3种情形。对梨园堡断面1960—2012年径流系列进行P-Ⅲ型曲线频率分析，目估适线。

经分析，该径流系列均值为2.463亿m3。来水丰、平、枯情况下的径流频率分析成果见表3。

表3 梨园堡断面来水丰、平、枯的频率分析成果表

3 径流以降水补给为主

上游祁连山区降水较多，又有冰川融水补给，下垫面为石质山区且植被良好，是黑河径流形成区。祁连山出山口以上径流量占全河天然水量的88.0%。

流域多年平均降水量126亿m3，其中77%消耗于蒸散发，大约有22.6%转化为地下水和地表水资源。河源地区冰川覆盖面积约110 km2，年补给河流的冰川融水量约1.0亿m3，仅占河川径流量的4.5%，其余95.5%的径流量由降水补给。

4 径流年际变化不大

由于河川径流受冰川补给的影响，径流年际变化相对较小，干流莺落峡断面多年平均年径流量15.8亿m3，最大年径流量23.2亿m3(1989年)，最小年径流量11.2亿m3(1973年)，年径流的最大值与最小值之比为2.1，年径流变差系数Cv值仅为0.2左右。

对莺落峡断面1945—2012年的径流量序列进行线性回归分析，可知：莺落峡断面径流量变化趋势为增加趋势，增率为0.44亿m3/(10 a)，这种现象是由上游祁连山区夏季降水量增多和冬春季气候变暖导致季节性冰雪融水增多所引起。正义峡断面径流量变化趋势为减少趋势，减率为0.30亿m3/(10 a)。

从莺落峡断面1957—2012年径流年际变化5 a滑动趋势线可知，莺落峡断面径流丰水年和枯水年交替出现，丰枯转化较为平衡。

莺落峡断面年径流变化过程可分为5个阶段:1957—1959年为丰水段，1960—1979年为枯水段，1980—1989年为丰水段，1990—2001年为平水段，2002—2012年为丰水段。黑河径流具有连续枯水或连续丰水的特点，并且出现枯水段和丰水段的频率基本一致。

根据以上对莺落峡断面年径流量系列的分析，黑河年径流整体上呈现为丰、枯交替的周期性变化，出现了多个丰水段和枯水段，丰水年和枯水年出现的频率基本相当。因此，黑河干流近年来出现的丰水段属于正常的径流连续偏丰现象，主要是由于同期降雨连续偏多所致，属于正常的周期变化。未来径流仍将呈现周期性丰、枯交替变化，多年平均径流量不会出现显著的趋势性变化。

径流量的多年变化，既有与降水相同的一面，又由于下垫面的作用而变化更大。径流的周期变化与年降水的周期变化基本是相应的，在置信水平为95%的情况下，没有显著周期存在。

黑河流域受冰川补给，故年径流极值变化幅度较小而且较均匀，最大与最小比值一般在2.0左右。由实测径流分析可知，各种不同年限滑动均值与长系列均值的离差系数，随着时段的加长，其误差逐渐缩小。当资料年限为10 a时，系列代表性误差可以控制在10%以下，如莺落峡和冰沟均在5%以下。采用的资料系列能够达到标准系列的25%时，就可以将与标准值的离差系数控制在10%以内。总的来看，黑河地区由于冰雪径流的调节作用，使径流的年际变化明显减小，与当地的降水相比，相应短时段的代表性明显提高。

5 径流年内分配不均

受降水条件、河流补给类型、流域自然地理特征和人类活动的影响，黑河流域径流年内分配极不均匀。

采用1945年7月—2012年12月共68 a实测径流系列，统计莺落峡断面不同时期的逐月径流量，可以看出，莺落峡断面多年平均(1945年7月—2012年12月)实测径流量为16.10亿m3，径流主要集中在年内的6—9月份，莺落峡断面不同时期径流量的月分配情况见图1。

从图1中可以看出，莺落峡断面各个时期径流量的月分配变化不大。总体上，莺落峡断面各个年代径流年内分配均呈明显的“单峰型”分布，其径流量在1—2月处于低值，3月开始上升，7月达到极大值，8月有所减少，直至12月再次到达低值。其径流量主要集中在汛期(5—10月)，该时段径流量占到全年径流量的80%以上(变化范围为81.7%～92.0%)，超过非汛期径流量的4倍。径流量连续最大2个月(7—8月)径流量是连续最小2个月(1—2月)的4倍左右，连续最大4个月降水量占年降水量73.3%以上，连续最枯5个月降水量占年降水量的10%以下。

图1 莺落峡断面径流量月分配过程图

6 中游年内各时段耗用水量变化

在走廊灌区下游，受灌溉回归、河道下渗等影响，冬春季12月—次年3月正义峡断面水量较大，占年量40%以上，4—6月正义峡断面径流量反而最小。

莺落峡断面在不同年代的径流量年内分配情况基本上比较稳定，没有大的变化，但是正义峡断面的径流年内分配情况却有明显的不同，分析原因主要由于黑河干流缺乏骨干调节工程，中游地区实际引水过程主要受出山口径流过程及灌溉需水过程的影响。而正义峡断面的径流量在不同年代产生如此大的差异，主要是受中游灌溉的影响。

每年的6—9月是农业灌溉的高峰期，每年的10、11月及次年4、5月正义峡断面的径流量和莺落峡断面的来水变化情况基本保持一直，说明该时段中游的耗用水量较小，但是从每年的11月到次年的4月，正义峡断面的径流量却明显高于莺落峡，主要原因是黑河流域中游地区地表水和地下水具有多次重复利用特点，并且形成了有规律的、大数量的、反复转化和重复利用的特点。黑河径流出山后，流入中游平原区，在中游地区被引入灌溉供水系统，除了消耗于各种用水，其余的沿河床下泄并沿途入渗，补给地下水。被引灌的河水，除了被作物吸收蒸腾、渠系和田间蒸发外，相当一部分下渗补给地下水，并排入黑河或者被再次引灌。

7 近年来径流变化特点分析

黑河干流莺落峡断面至正义峡断面之间为中游地区，除梨园河外基本无区间地表径流加入。梨园河为梨园河灌区、沙河灌区供水，部分水量加入黑河干流。因此，莺落峡、梨园堡、正义峡3个水文断面的径流量变化基本反映研究区内的地表水资源量变化。

(1) 径流年际变化分析

根据对莺落峡站2001—2012年径流系列统计，该时段多年平均径流量为17.91亿m3，比1945—2000年径流系列均值16.08亿m3偏大1.83亿m3。该系列中有10 a径流量大于16.08亿m3，其中2005—2012年连续8 a偏丰，8 a平均径流量为18.96亿m3，比1945—2000年径流系列均值16.08亿m3偏大17.91%。以上说明2001年以来黑河径流变化总体上表现为偏丰，2005年以来表现为连续偏丰。

通过对莺落峡断面2001—2012年径流系列统计，该时段莺落峡断面平均年径流量为17.91亿m3，较多年均值(15.80亿m3)和1991—2000年系列均值(15.73亿m3)偏大13.35%和13.85%。其中，2012年径流量较多年均值和1991—2000年系列均值分别偏大22.47%和22.54%。

正义峡断面2012年径流量比2001年增加4.65亿m3，该时段正义峡断面平均年径流量为10.46亿m3，较多年均值(10.10亿m3)偏大3.56%、较1991—2000年系列均值(7.55亿m3)偏大38.54%。

梨园堡断面2010年径流量比2000年增加0.29亿m3，该时段梨园堡断面平均年径流量为2.54亿m3，较多年均值偏大7%。其中，2010年径流量较多年均值偏大13%，2000年径流量较多年均值偏大0.4%。综上可知，从上游山区流入黑河中游的河川径流有增加的趋势，这主要是由气候变暖导致祁连山区降水量和季节性冰雪融水增多所致。2000—2012年期间莺落峡、正义峡两水文断面年径流量的气候倾向率分别为5.37亿m3/(10 a)和0.66亿m3/(10 a)。此外，期间从正义峡流入黑河下游的年径流量也有增加趋势，从径流观测可以看出，2001—2012年期间，正义峡断面的年平均径流量为10.16亿m3，下泄量增加，一方面与上游来水量增加有关，另一方面也是实施黑河水量统一管理调度与流域近期治理的成果。

(2) 径流年内变化分析

黑河实施水量调度以后,莺落峡、正义峡断面径流年内分配情况同90年代比较变化不大。对莺落峡断面2000—2012年期间各月平均径流量进行统计分析，径流量的年内分配呈现明显的“单峰型”分布。

莺落峡断面径流主要集中在汛期，即5—10月份，这6个月径流量占全年径流量的82.39%～84.04%，为非汛期径流量的4倍。经对2012年和2000年不同时段径流量对比分析，2012年径流量1—4月较2000年减少0.29亿m3，5—6月较2000年增加0.21亿m3，7—9月较2000年增加4.43亿m3，10—12月较2000年增加0.32亿m3，7—9月变化最大。

梨园堡断面径流量的年内分配表现为相似的“单峰型”分布，且汛期径流量所占比重更大，5—10月期间的径流量占年径流总量的91%以上。经对2012年和2000年不同时段径流量对比分析：2012年径流量1—4月、5—6月较2000年减少0.08亿m3，7—9月径流量增加0.24亿m3，10—12月较2000年增加0.10亿m3。

正义峡断面径流量的年内分配表现与莺落峡、梨园堡不同，6—11月期间的径流量所占比重较大。经对2010年与2000年不同时段径流量对比分析：2010年径流量1—4月较2000年增加1.43亿m3，5—6月较2000年增加0.30亿m3，7—9月较2000年增加2.45亿m3，10—12月较2000年增加0.75亿m3。

8 结 语

黑河径流整体上呈现丰、枯交替的周期性变化，近年来出现的丰水段属于正常的径流连续偏丰现象，属于正常的周期变化，多年平均径流量不会出现显著的趋势性变化。

黑河流域受冰川补给，故年径流极值变化幅度较小而且较均匀，最大与最小比值一般在2.0左右。莺落峡断面各个年代径流年内分配均呈明显的“单峰型”分布，其径流量在1—2月处于低值，7月达到极大值，直至12月再次到达低值，且径流量主要集中在汛期(5—10月)。

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