基于同频率插补法的少资料河沟年径流量计算

王 濂，黄慧科

（长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，武汉 430012）

1 研究背景

在当前全面推行河长制的大背景下，地方各级政府对河流生态基流问题非常重视，尤其在河流开发利用率高的区域，水量分配更是各方关注的焦点。我国北方干旱区域生产用水、生活用水需求大，但大部分小河沟未建立水文站，不能准确掌握河流信息。年径流量是直接影响水资源科学管理和工程效益的基础性数据，若测算不准，则难以兼顾保障供水和生态基流，会给生态基流考核、水资源评价及工程水文计算带来诸多困难。

哈拉吐鲁克河是博尔塔拉河北岸最大的一条支流，源头位于阿拉套山南坡，流向为由北向南，河流长度约为54 km，河床坡降为33.3‰～16.7‰，流域面积约为229 km2。哈拉吐鲁克河年径流量变化比较稳定，径流年内分配与相近区域的精河相似。哈拉吐鲁克河河水终年清澈，流域内水土保持较好。河水夏盛冬枯，夏季径流以冰雪融化和降雨补给为主，冬季以地下潜水补给为主，其中约70%水量集中在6～8月。哈拉吐鲁克河上建有哈拉吐鲁克水库，于2018年通过蓄水验收，总库容为2 870万m3，工程规模为Ⅲ级，其供水目标包括生产、生活用水等。哈拉吐鲁克河开发利用率很高，是干旱地区典型的少水文资料河流，且由于历史水文资料较少，径流量估算值相对偏高。

年径流量一般根据同地区参证站资料推算[1]。无资料区域常采用参数等值线图法、水文比拟法[2]来推求，少资料区域河道流量常常是某一个时段的短期流量，通过长短系列径流量资料进行插补法进行展延[3]。展延方法主要有同步期均值插补、同保证率长短系列插补法等。目前尚无不同插补方法准确度的对比分析研究。本研究通过收集非连续水文资料，对哈拉吐鲁克年径流量重新核算，并对各种计算方法进行比较分析，可为高开发利用率河流的生态基流保障提供科学参考。

2 研究方法

（1）参证站的选取。参证站的选取直接影响径流计算成果的精确性[4]，哈拉吐鲁克河二道桥水文站和水库站与具有长系列年径流量资料的精河山口水文站参证站同处于一个气候区，在径流影响因素上存在一定的相似性。通过对哈拉吐鲁克水库站与精河山口站2018—2020年间同期年径流进行相关性计算，得到相关系数为0.9998，相关性比较好，因此，本研究选择精河山口站为参证站。通过应用精河山口站长系列水文站观测数据，对观测系列短的哈拉吐鲁克河水文数据进行延展和水文分析计算，所采用系列数据的信息见表1。

表1 主要水文站特征信息统计

（2）目前已有的哈拉吐鲁克河径流量研究成果均基于同期长短系列均值插补法，采用该方法计算时，若短系列资料不能有效代表不同的丰枯年份，将直接影响径流量计算精度，而采用同保证率长短系列插补法能有效克服上述困难。

（3）通过二道桥水文站的短期实测径流数据，推求出下游哈拉吐鲁克水库站的径流量。将哈拉吐鲁克水库站短系列平均值作为插补站短期平均，以精河山口站作为参证站，采用同频率均值插补进行插补，表达式为

（4）采用同频率法推求的年径流量，结合哈拉吐鲁克水库站近3年的径流量年内分配成果，采用Tennant法对月生态基流状况进行评定。

3 结果分析

3.1 数据来源

根据《新疆河流总径流量调查统计汇编》（1985年正式刊印版）、《博尔塔拉河、精河流域地表水资源评价》（2010年3月审定版）和《哈拉吐鲁克引哈济博工程取水断面径流分析计算报告》（2011年6月审定版），哈拉吐鲁克河径流量已有成果汇总表见表2。

由表2可知，各种成果之间有所差异。在进行同步期均值插补时，应结合精河1956—2010年长系列资料和哈拉吐鲁克1957年、2004年、2018—2020年共5年的资料，对哈拉吐鲁克河与精河山口是否处于同一丰枯水平进行合理性分析。1957年年径流量1.30×108m3为偏丰水年，2003—2004年则为偏枯期；精河山口站1956—1958年为偏平水年，2003—2004则为偏枯水年。由于1956—1958年年代久远，测验精度有限，因此推荐采用2003—2004年同步期长短系列法延长序列。

表2 哈拉吐鲁克河径流量成果汇总表

3.2 新系列数据处理

2018年—2020年在哈拉吐鲁克河二道桥设立水文站监测水量，并取得三年资料。二道桥以上集水面积217.99 km2，哈拉吐鲁克水库站以上集水面积280.37 km2。二道桥和水库的集水面积相差不大，且下垫面条件相似，因此，可以采用水文比拟法来推求水库处的流量数据。在等值线图中分别量算二道桥以上径流量1.115×108m3，哈拉吐鲁克水库以上径流量1.268×108m3，计算二处径流量的比值，再将二道桥三年实资料推算到哈拉吐鲁克水库，计算结果见表3。

表3 哈拉吐鲁克水库还原计算

通过哈拉吐鲁克1957年、2004年、2018—2020年共5年实测径流数据计算得到保证率，查得精河山口站对应保证率下相应年份的径流量，精河山口站1957—2020年多年平均径流量为4.688×108m3，与1957年、2004年、2018—2020年5年平均径流量4.677×108m3进行同频率均值插补法计算，可知哈拉吐鲁克河对应保证率下的年平均径流量为1.105×108m3。计算成果见表4。

表4 哈拉吐鲁克、精河部分年径流量计算成果统计

3.3 成果分析

同频率长短系列计算多年均值为1.105×108m3，同期长短系列计算多年均值为1.171×108m3，可以发现，随着系列增长，丰枯影响减弱。哈拉吐鲁克河观测系列增长，插补后径流量均值减小。1957年哈拉吐鲁克河为偏丰年，采用1957年哈拉吐鲁克河实测值作为多年均值自然偏大，而该年精河山口为平水年，造成长短系列分析值偏大。采用同频率均值的插补方法计算哈拉吐鲁克河长系列均值，有效克服了这一问题。因此，推荐采用同频率均值的插补方法得到的年径流量计算成果，作为哈拉吐鲁克河多年平均年径流量。

3.4 成果应用

根据地区综合频率曲线法[5]，可以得到哈拉吐鲁克河年径流离差系数Cv=0.20，偏差系数Cs=2Cv，同时，通过对精河山口站1956—2020年的径流量年内分配结果进行统计得到多年平均年内分配过程，采用同倍比缩放法计算得到2018年—2020年各保证率下的年径流分配成果（见表5）。

表5 哈拉吐鲁克河年径流量计算成果统计

确定河流生态水量是河湖健康评估的重要基础工作之一[6]。当前生态基流的计算方法主要有水文学法、水力学法、生境模拟法、以及整体分析法，而Tennant法是使用最多的水文学法[7]。Tennant法通过多年平均流量与对应百分数占比来计算生态基流，优点在于无需进行大量野外测验工作，通过河流历史资料便可计算生态基流。Tennant法对河流流量状况分级标准见表6。

表6 Tennant法河流流量状况分级标准

结合哈鲁拉吐鲁克河年内径流量分配结果，通过Tennant 法计算其年内生态基流，结果见表7。从哈拉吐鲁克河的生态基流分级状况来看，当前状况下其生态基流保障度较高。

表7 哈拉吐鲁克河年内生态径流状况统计

续表

4 结论

采用同频率插补法对少资料河沟进行径流计算，能有效减小计算误差，提高成果精度。结合哈拉吐鲁克河同频率插补法径流量计算成果，采用Tennant对其生态基流流量状况进行分析，得到了相对科学的生态基流结果，在新疆地区水资源稀缺、用水效率需进一步提高的背景下，为哈拉吐鲁克河的水资源调度与配置、水量供需平衡、水生态保护等方面的决策提供了重要参考。考虑到近年来哈拉吐鲁克水文实测数据序列较短，在今后实测数据增加的情况下，分析计算成果精度会有进一步的提高。