中线调水对汉江下游水资源可利用量影响研究

窦 明，于 璐，杨好周，鲁玉利(. 郑州大学水利与环境学院，郑州 45000；2. 郑州大学水科学研究中心，郑州 45000)

0 引 言

南水北调中线工程从丹江口水库调水，造成水库下泄流量减少、水位降低，势必会对汉江下游地区的水资源供需关系产生影响。特别是汉江下游的水位流量过程发生改变，将导致其水资源可利用量减少，水资源可利用率也会随之产生相应程度的变化。为有效补充汉江下游水量、抬高水位，政府修建了一系列汉江下游补偿工程，引江济汉便是其中一项。目前国内对中线调水及其对汉江影响开展了一系列的研究，刘丙军等(2003年)从水资源可持续利用的角度，研究了不同水平年不同调水方案对汉江中下游干流供水区水资源供需关系的影响[1]。张家玉等(2000年)研究了中线工程实施后对汉江中下游地区造成的生态环境影响和经济损益[2]。窦明(2008年)从可利用水资源量和水环境容量两个方面，研究了中线调水对汉江下游枯水期水量和水质状况的影响[3]。虽然这些研究从不同角度分析了中线调水对汉江的影响，但关于对汉江下游水资源可利用量方面的研究还比较缺乏。本文以汉江下游为研究对象，综合考虑现状及不同调水方案的情景，对汉江下游水资源可利用量展开计算，其研究结果可为今后中线工程的合理调度和下游水资源配置工作的开展提供参考。

1 分析计算

扣损法计算地表水资源可利用量，即从地表水资源总量中扣除不可利用的水资源量。其中，不可利用的水资源量包括河道内生态环境需水量和汛期洪水弃水量。在汛期，弃水量中的一部分可作为生态用水，因此，汛期不可利用的水资源只考虑汛期弃水即可。综上，地表水资源量减去非汛期河道内生态环境需水量，再减去汛期难于控制利用的洪水弃水量，得出地表水资源可利用量[4]。由于本文研究区汉江流域属于南方降雨较丰富的地区，供水多为地表水，地下水所占比例较小，因此只研究地表水资源可利用量，且假定研究区域不存在其他调水工程。

1.1 数据来源

仙桃站位于汉江下游，是汉江上最后一个水文信息收集监测站，其水文资料为汉江下游的水文资料，且资料较为详全。本文选用的水文资料为长江水利委员会规划处、长江勘测规划设计研究院所提供的仙桃站1957-1998年共计42 a的各月实测流量资料。本文根据长江水利委员会规划处和长江勘测规划设计研究院设计的中线多年平均年调水量82亿m3和145亿m3调水方案来进行研究，其中145亿m3方案根据汉江下游的工程条件又分为无引江济汉和有引江济汉两种情况[3]。各调水方案下的水文资料不是实测的，而是长委水文局根据各方案下的调水量和汉江仙桃断面的历史水文过程，通过模型计算得到的，并且当时只计算到了1998年。另外，通过查阅湖北省水资源公报，获取了仙桃站以下的仙桃市、孝感市和武汉市2003-2012年10年的供用水量。经分析发现这3个城市近10年的供用水量比较平稳变化不大，因此本文取3个城市近10年用水量总和的最大值81.7亿m3作为汉江下游供用水量。

1.2 不同情景下典型年径流过程的计算

根据频率计算的相关步骤，分别计算4种情景下不同频率所对应的地表水资源量，并将计算结果列于表1。不同情景下的月径流量过程如图1所示。

表1 不同情景下的年总径流量 亿m3Tab.1 The annual runoff under different scenarios

注：情景1为现状实测水文数据；情景2为调水82亿m3方案下的预测水文数据；情景3为调水145亿m3方案下的预测水文数据；情景4为调水145亿m3引江济汉方案下的预测水文数据。

图1 不同情景下的月径流过程图Fig.1 The monthly runoff process under different scenarios

从表1中可以看出，南水北调中线工程实施调水后，汉江下游各相同频率对应的年径流总量都有相应程度的减少，地表水资源量也会随之减少，且随着调水量的增加，地表水资源减少量也呈现上升的趋势。例如，对于平水年(P=50%)来说，调水82亿m3方案下的地表水资源量占现状条件下的65.1%(即减少量占现状的34.9%)，而调水145亿m3方案下的地表水资源量占现状条件下的55.1%(即减少量占现状的44.9%)。另外，在对调水145亿m3方案实施引江济汉补偿工程后，使汉江下游水资源量有所增加，增加后的地表水资源量虽不足以到达现状条件(约占现状的71.4%(P=50%))，但比调水82亿m3方案下的地表水资源量稍多，由此也说明引江济汉补偿工程的实施对于补充改善汉江下游水资源量的减少起到一定作用。

1.3 不同情景下汛期洪水弃水量的计算

汛期水量越大，难以利用的水会越多，弃水所占比例越大，年内分配也会越不均匀[5]。根据《水资源可利用量估算方法(试行)》中关于南方汛期的划定，4-10月为研究区的汛期，选取汛期弃水系数法来确定汛期弃水量。弃水系数的确定一般有3种方法，即以全年月最大流量与月最小流量之比为基准确定弃水系数，以全年月最大流量和多年平均月最小流量之比为基准确定弃水系数，以全年月最大流量和多年月平均流量之比为基准确定弃水系数[6]。根据文献[6]可知，以全年月最大流量与多年月平均流量之比为基准确定弃水系数，结果更稳定更符合实际。计算结果见表2。

表2 不同情景下汛期洪水弃水量的计算结果 亿m3Tab.2 The results of discarded floodwater in flood season under different scenarios

从表2中可看出，丰水年(P=20%)的弃水系数最大，特枯水年(P=95%)的弃水系数最小。调水82亿m3方案下的弃水量相对最少，说明该情景下径流量年内分配比其他情景下的更均匀。总体趋势显示，汛期弃水量随调水量的增加有所减少，说明随着调水量的增加，地表水资源量的减少，汛期来水量更多的用来增加蓄水量，水资源利用效率有所提高。对各情景下不同典型年分析可知，丰水年的弃水量最大。平水年的弃水量在现状条件下除了丰水年外，也小于其他两个典型年，这说明平水年内径流量分配相对更均匀。另外，除现状条件外，其余情景下平水年(P=50%)和偏枯水年(P=75%)的弃水量值较为接近。

1.4 不同情景下河道内最小生态环境需水量的计算

本文只考虑满足最低生态系统需求的需水量，采用3种方法对河道内最小生态环境需水量进行计算。蒙大拿法是以预先确定的年平均流量百分数作为河道内最小生态环境需水量的方法[7]，本文以20%计。改进7Q10法是用历史流量资料中近10年最小月平均流量作为河道内最小生态环境需水量值[8]。月保证率设定法是根据系列水文资料，对月平均天然流量进行频率计算，在不同的月保证率前提下，以不同的天然年径流量为基础计算河道生态环境需水量[9]。基于以上3种方法的计算原理，分别对非汛期河道内最小生态环境需水量进行计算，结果见表3。

(1)蒙大拿法。从表3可以看出，蒙大拿法计算出的结果在现状条件下是最大的，为6.7亿m3，随着调水量的增大，地表水资源量减少，河道内最小生态环境需水量也在减少。调水82亿m3方案下非汛期生态环境需水总量比现状条件有所减少，但占地表水资源量的比例却是增加的。在对调水145亿m3方案实施引江济汉补偿工程后，河道内最小生态环境需水量同地表水资源量一样有所增加，接近调水82亿m3方案，但在地表水资源量中所占比例却有所下降。

表3 河道内最小生态环境需水量的计算结果 亿m3Tab.3 The results of minimum eco-environmental water requirements from the river channel therein

(2)7Q10法。从计算结果可以看出，采用该方法计算出的河道内最小生态环境需水量并没有随调水量的增大而呈现总体增大或减少的趋势，其变化没有一定规律性。而对调水145亿m3方案实施引江济汉补偿工程后，生态环境需水量达到10.7亿m3，增幅相对较大。

(3)月保证率设定法。从计算结果可以看出，月保证率法计算出的河道内最小生态环境需水量在现状条件下最大，随着调水量的增大，地表水资源量的减少，河道内最小生态环境需水量也在减少。对调水145亿m3方案实施引江济汉补偿工程后，河道内最小生态环境需水量同地表水资源量一样有所增加，与调水82亿m3方案下近似相等，比其略低。

(4)3种方法的对比分析。对3种方法的计算结果进行对比分析：7Q10法的计算结果最大，蒙大拿法次之，月保证率法最小；月保证率法的计算结果与蒙大拿法接近；蒙大拿法和月保证率法的结果变化规律相似，河道内最小生态环境需水量随着调水量的增大(地表水资源量的减少)而逐渐减少，且实施引江济汉补偿工程后环境需水量有所增加，增加后的值与调水82亿m3方案下近似相等；而7Q10法的计算结果无一定变化规律。

分析结果出现的原因，可能是因为7Q10法是根据1989-1998年最枯月平均流量计算，结果具有一定偶然性，导致其结果看起来没有规律性。故本文只取蒙大拿法和月保证率法结果的平均值作为最终河道内最小生态环境需水量的结果，即4种情景下河道内最小生态环境需水量分别为6.7、4.9、4.0、4.9亿m3。

1.5 不同情景下的计算结果分析

在求得地表水资源量、河道内最小生态环境需水量和汛期洪水弃水量结果的基础上，最后利用扣损法进行汉江下游水资源可利用量的计算，现将4种情景下不同频率的水资源可利用量计算结果列于表4。

表4 不同情景下水资源可利用量计算结果表 亿m3Tab.4 The results of water resources availability under different scenarios

从表4中可以看出，现状条件下各典型年水资源可利用量分别为233.4、286.2、143.3 、89.7亿m3，都大于汉江下游供用水量81.7亿m3，可见现状条件下各典型年都是可以满足汉江下游鄂北等地区用水的，且丰水年、平水年、偏枯水年的分别为151.7、204.5、61.6亿m3，盈余水量较为丰富。因此，鄂北地区在满足自身用水需求的同时，可以把多余的水量通过南水北调中线工程输送到全国其他缺水地区，改善缺水地区的水资源条件，促进区域协调发展。

调水82亿m3方案下，各典型年的地表水资源可利用量虽然也可以满足汉江下游用水要求，但与现状条件下相比，水资源可利用量有所减少。调水145亿m3时，丰水年和平水年的水资源可利用量可以保障汉江下游用水，而偏枯水年、特枯水年的水资源可利用量小于81.7亿m3，不能满足汉江下游用水需求。也就是说中线调水在调水量为145亿m3时，汉江下游供水保障率是相对较低的。而对调水145亿m3实施引江济汉工程后，各典型年的水资源可利用量明显增加，都可以满足下游用水，因此，引江济汉工程的实施对保证汉江下游的用水及稳定发展具有重要意义。

针对地表水资源可利用量的计算结果分析如下：①从调水方案上进行比较，随着调水量的增大，水资源可利用总量趋于减少的趋势。在引江济汉补偿工程作用下，各典型年的水资源可利用量都有所增加，但都未能达到现状条件下的水资源可利用量。②对各典型年比较发现，现状条件下丰水年、平水年、偏枯水年的水资源可利用量相比其他情景下偏大，而枯水年偏小，可能是因为枯水年内径流量分配不均，汛期弃水量过大，导致水资源可利用量减少过多所致。各典型年总体呈现来水量越小，水资源可利用量越少的趋势，即丰水年水资源可利用量>平水年水资源可利用量>偏枯水年水资源可利用量>特枯水年水资源可利用量。不同情景下的地表水资源可利用量分布如图2所示。

图2 不同情景下水资源可利用量分布图Fig.2 The distribution of water resources availability under different scenarios

另外，由于各情景下不同典型年对应的水资源量不同，直接对水资源可利用量进行比较效果不明显，因此将不同情景下各典型年的水资源可利用率计算出来进行对比分析(见表5)。其中，水资源可利用率等于水资源可利用量与水资源量的比值。

表5 不同情景下水资源可利用率表 %Tab.5 The availability factor of water resources under different scenarios

分析表5可以看出，虽然现状条件下水资源可利用量较大，但其可利用率除了平水年之外都比较低，特别是枯水年可利用率最低为40.20%，造成这一现象的原因可能是该典型年的水资源量和弃水量比较大的缘故。平水年的水资源可利用量与水资源可利用率都比较大，可利用率最大达到了70.63%，其他典型年的水资源可利用率在45%左右。对四种情景进行比较，调水82亿m3方案下的整体水资源可利用率比较大，而且比较平均，在60%左右；其次分别为调水145亿m3+引江济汉方案、调水145亿m3方案，水资源可利用率分别在55%、50%左右。且随着调水量的增大，各典型年的水资源可利用率有降低的趋势。

南水北调中线工程于2014年正式通水，年调水130亿m3。实际年调水量130亿m3比设计的年调水量82亿m3要大，可以使河道内生态环境需水量有所减少，同时还有利于减少汛期的弃水量。实际年调水量比设计的年调水量145亿m3要小，从而使水资源可利用量增加，在偏枯水年和特枯水年也可以满足汉江下游用水。因此，实际调水方案在克服设计方案不足的同时，提高了用水效率、满足了用户需求，具有重要意义。

2 结 语

在汉江下游水文资料获取分析的基础上，利用扣损法对不同情景下汉江下游水资源可利用量进行了计算总结，主要结论如下：①河道内最小生态环境需水量随着调水 量的增大而减少，且实施引江济汉补偿工程后生态环境需水量有所增加；②调水82亿m3方案下的汛期弃水量最少，且汛期弃水量随调水量的增加有所减少，从而水资源利用效率随调水量的增加有所提高；③水资源可利用量随着调水量的增大而减少，且调水145亿m3方案下的偏枯水年和特枯水年的水资源可利用量不能满足汉江下游用水需求。虽然引江济汉工程可以使调水145亿m3方案的水资源可利用量增加，但不能达到现状条件下的水资源可利用量；④各典型年的水资源可利用量随来水量的减少而减少，即丰水年水资源可利用量>平水年水资源可利用量>偏枯水年水资源可利用量>特枯水年水资源可利用量；⑤调水82亿m3方案下的整体水资源可利用率最大，其次分别为调水145亿m3+引江济汉方案、调水145亿m3方案、现状条件。

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