黑河下游河道蒸發滲漏損失率影響因素研究

李 凱，陳子豪，董國濤，3，張震域，王維邦

（1.黑河水資源與生態保護研究中心，甘肅蘭州730030；2.黑河黃藏寺水利樞紐工程建設管理局，甘肅 蘭州730030；3.黃河水利科學研究院，河南 鄭州450003）

河道是河流系統和地下水之間的傳輸紐帶［1］，尤其是干旱地區，季節性河流通過河道滲漏補給地下水［2］，是干旱區流域水循環過程與水資源管理研究的一個重要方面［3-4］。黑河是我國第二大內陸河，屬干旱區內陸河流域，是典型的干旱區季節性河流，其下游正義峽至狼心山段為寬淺型沙質河床，河道蒸發滲漏損失強烈［5］。1949年以來，黑河中游地區人口激增，致使水資源利用方式改變，引起下游一系列嚴重生態環境問題出現。2000年后，黑河實施水資源統一調度與管理［6］。近年來，許多學者針對黑河河道蒸發滲漏開展相關研究，集中于天然來水條件下黑河河道水分滲漏量及其滲漏過程的研究［5，7-10］，關于實施黑河水量統一調度對下游河道蒸發滲漏損失影響方面的研究較少。因此，基于水量平衡理論，探討實施黑河水量統一調度以來，影響黑河下游河道蒸發滲漏損失率的因素，并從統計學角度分析黑河干流河道蒸發滲漏率與上斷面來水量、調水歷時之間的關系，以期為黑河生態水量調度提供技術支撐。

1 研究區概況

研究區位于黑河下游正義峽至狼心山水文控制斷面，跨甘肅省張掖市高臺縣、酒泉市金塔縣和內蒙古自治區阿拉善盟額濟納旗（見圖1），地處中亞荒漠東南部，冬季受蒙古高壓控制，夏季受西風帶影響，為典型溫帶大陸性氣候，具有降水少、蒸發強烈、溫差大、風大沙多、日照時間長等特點。根據2006年黑河流域管理局實地勘測資料，黑河下游正義峽—狼心山段總長211.6 km，正義峽水文站1948—2016年徑流量年際變化呈減小趨勢，多年平均徑流量為10.52億m3，多年平均區間耗水量為5.95為m3，年最大洪水一般發生在6—9月，尤以7—8月最多。

圖1 研究區位置示意

黑河下游河道都是天然河道，河道縱橫斷面不規則，河寬最窄處50 m左右，最寬處達到1 000 m，變化范圍很大。黑河中游用水高峰期經常處于干涸狀態，4—6月下游河道基本不過水，7—8月只有在上游流量較大時下游河道才過水［8］。根據這一徑流年內分配特點和中游用水期，將1 a劃分為3個時段：冬四月（11-11—翌年 03-10），春灌、夏灌期（03-11—06-30），夏灌、冬儲期（07-01—11-10），夏灌、冬儲期為水量調度關鍵期［6］。

2 數據和方法

2.1 數據源

采用的徑流量數據為2004—2017年黑河正義峽、哨馬營、狼心山水文站調度關鍵期日平均徑流量數據。調度數據來源于黃河水利委員會黑河流域管理局，主要包括歷年關鍵調度期（夏灌、冬儲期）。

2.2 計算方法

利用水量平衡方程計算河道損失水量。

式中：W損為河道蒸發滲漏損失水量；W上、W下分別為研究區河道上斷面、下斷面的水量；W引為研究區區間河段引出水量；W降為研究區區間河段降水量；W入為研究區區間河段入流量。

式（1）中，W上-W下即為研究區河道總損失水量，可按正義峽至哨馬營區間、哨馬營至狼心山區間分別計算，其河段總損失水量以上斷面、下斷面差形式計算。

式中：ΔW為河道總損失水量。

該河道大部分屬鼎新灌區，存在地下水抽提現象，加之河道地下水流場呈西南—東北走向，地下水補給地表水可能性較小。同時研究區位于西北內陸干旱區域，降水量稀少，根據鼎新灌區氣象站、哨馬營水文站和狼心山水文站降水量觀測數據，該區域降水量相對河道來水和河段損失量極小，因此在計算正義峽至狼心山河段水量損失時，可以忽略W降。在不考慮區間入流和區間降水量的情況下，結合式（1）和式（2）可以得到該區段蒸發滲漏損失水量的簡化計算公式：

研究區河道蒸發滲漏損失率計算公式為

選取2004—2017年黑河水量統一調度關鍵調度期數據作為樣本，采用回歸分析法建立正義峽—哨馬營段河道蒸發滲漏損失率與正義峽斷面來水量之間，以及哨馬營—狼心山段河道蒸發滲漏損失率與哨馬營斷面來水量之間的相關關系。根據調度資料，建立正義峽—哨馬營段和哨馬營—狼心山段調水歷時與蒸發滲漏損失率之間的相關關系。

考慮將上斷面下泄水量、調水歷時作為雙重影響因子，與河道蒸發滲漏損失率相結合，建立非線性經驗公式。擬合相關關系為

式中：W為上游水文站下泄水量；T為調水歷時（上游站下泄水量的天數）；α、β、γ為參數。

對式（5）進行格式變換（對公式兩端取對數），將非線性經驗公式轉換為線性經驗公式：

選取2004—2014年關鍵調度期徑流數據及調度數據，利用式（6）計算調度歷時、上斷面來水量對數，之后利用數理統計方法建立因變量與自變量之間的回歸關系式，確定其參數α、β、γ，進而得出該區間調水量與調水歷時綜合作用下蒸發滲漏損失率的計算公式。

利用式（5）對剩余年份（2015—2017年）蒸發滲漏損失率進行模擬，同時根據實測數據計算剩余年份（2015—2017年）關鍵調度期實際河道蒸發滲漏損失率，驗證模擬結果的可靠性。

采用納什效率系數E驗證公式模擬結果：

E取值為-∞～1，E接近1表示模擬質量好，模型可信度高；E接近0表示模擬結果接近觀測值的平均值，即總體結果可信，但過程模擬誤差大；E遠小于0表示模型不可信。計算可得，正義峽—哨馬營段與哨馬營—狼心山段E值都比較接近1，模擬質量好。

3 結果分析

3.1 河道蒸發滲漏損失率與上斷面來水量的關系

選取2004—2017年正常調度關鍵調度期徑流數據作為樣本數據進行計算。7月平均蒸發滲漏損失率為53.17%，8月短歷時調度時平均蒸發滲漏損失率為47.73%。當正義峽來水量低于0.50億m3時，區間蒸發滲漏損失率皆大于70%；正義峽來水量大于1.00億m3時，區間蒸發滲漏損失率為20%～30%。主要原因是，前期河道干涸，當流量較小、流速過低時，區間河道蒸發滲漏損失率較大。8—9月長歷時調度時，區間蒸發滲漏損失率皆在25%以下。結果表明在黑河生態水量調度中，實施大流量短時間下泄可有效減少區間河道蒸發滲漏損失率，增加下泄水量。

正義峽—哨馬營段河道蒸發滲漏損失率與正義峽斷面來水量的關系（確定系數R2＝0.791 1）見圖2（a），哨馬營—狼心山段河道蒸發滲漏損失率與哨馬營斷面來水量的關系（確定系數R2＝0.707 3）見圖2（b）。可以看出，各河段蒸發滲漏損失率與上斷面下泄水量之間呈冪指數函數關系，隨著上斷面下泄水量的增加，蒸發滲漏損失率呈降低趨勢；在上斷面下泄水量增加初期，河道蒸發滲漏損失率急劇下降，然后其下降趨勢逐漸變緩。因此，當上斷面下泄水量足夠大時，最終河道蒸發滲漏損失率會保持在一個較低的值（非0值）。

3.2 河道蒸發滲漏損失率與調水歷時的關系

選取2004—2017年正常調度關鍵調度期徑流數據作為樣本數據，正義峽—哨馬營段和哨馬營—狼心山段調水歷時與蒸發滲漏損失率的關系見圖3。可以看出，總體上各河段蒸發滲漏損失率與調水歷時呈冪指函數關系，隨著調水歷時的延長，蒸發滲漏損失率呈現先急劇降低后逐漸變緩的變化趨勢，因此當調度歷時足夠長時，最終河道蒸發滲漏損失率會保持在一個較低的值（非0值）。

圖2 河道蒸發滲漏損失率與上斷面來水量關系

圖3 蒸發滲漏損失率與調水歷時關系

3.3 經驗公式擬合

對2004—2014年河道蒸發滲漏損失率與上斷面來水量及調度歷時之間的關系進行分析，并計算參數α、β、γ，正義峽—哨馬營段擬合公式為

式中：φ正—哨為正義峽—哨馬營段蒸發滲漏損失率；φ哨—狼為哨馬營—狼心山段蒸發滲漏損失率；W正為正義峽站下泄水量；W哨為哨馬營站下泄水量；T為關鍵調度期調水天數。

由公式可以看出，正義峽—哨馬營段、哨馬營—狼心山段蒸發滲漏損失率與上斷面來水量、調水歷時的關系相近，呈現一樣的變化趨勢：當上斷面來水量越大、調水歷時越短時，河道蒸發滲漏損失率越小；當上斷面來水量越小、調水歷時越長時，河道蒸發滲漏損失率越大。

3.4 結果驗證

模擬結果與實測數據對比見圖4。由圖4可以看出，模擬結果與實測蒸發滲漏損失率計算結果變化趨勢一致。基于2015—2017年實測數據驗證公式準確性，結果表明：正義峽—哨馬營段納什效率系數E為0.898，哨馬營—狼心山段納什效率系數E為0.940，說明構建的河道蒸發滲漏損失率與上斷面來水量及調度歷時的經驗公式模擬效果較好。

圖4 實際蒸發滲漏損失率與模擬蒸發滲漏損失率對比

4 結 語

通過統計學分析方法，分別計算分析了黑河實施統一水量調度后河道蒸發滲漏損失率與上斷面來水量以及蒸發滲漏損失率與調水歷時之間的關系。在未發生河水漫灘情況下，只考慮單一因素（上斷面來水量或調水歷時）時，上斷面來水量越大，河道蒸發滲漏損失率越小；調水歷時越長，河道蒸發滲漏損失率越小。綜合考慮河道蒸發滲漏損失率與上斷面來水量、調度歷時之間的關系，構建了經驗公式，經驗證公式模擬效果較好。由經驗公式可知，當上斷面來水量越大、調水歷時越短時，河道區間蒸發滲漏損失率越小；當上斷面來水量越小、調水歷時越長時，河道區間蒸發滲漏損失率越大。

水務管理部門在實際工作中可根據調水方案確定的上斷面調水量、調水歷時，提前預報出下斷面來水量，對黑河水量實施調配可以提供參考。同時，根據擬合經驗公式，可以采用大流量、短時間調度手段，減少河道水量損失。