基于荷載均衡的喀斯特地區地表水資源可利用量研究
——以六沖河流域為例

趙禮濤，李析男，董前進

（1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550005）

某地水資源可利用量的多少在一定程度上支撐著當地社會經濟的持續發展，也是水資源承載力的一種體現，其影響因素較多，并隨時間及當地社會經濟發展而動態變化，從而表現為水資源負荷（如取用水量、污染物總量等）與承載力的動態平衡。

限于當前對喀斯特地區水資源可利用量研究較少的現狀，研究基于荷載均衡條件下貴州省畢節市六沖河流域的水資源可利用量，以期為當地水資源可持續利用和社會經濟的長久發展提供科學依據。

1 研究區概況

貴州省位于中國西南喀斯特地區的中心，喀斯特地貌占貴州全省面積的70%以上，形態復雜，縱橫交錯，存在許多巖石裂縫、洞穴，導致雨水滲漏到地下［5］，造成大量工農業缺水，甚至部分地區居民生活用水難以保障，嚴重制約了社會經濟發展。

選取貴州省畢節市六沖河流域作為研究對象。畢節市位于貴州省西北部，屬亞熱帶季風氣候，多年平均降水量為274.79億m3，多年平均徑流量為134.40億m3，喀斯特地貌占全市面積的73.34%左右。發源于貴州省畢節市赫章縣的六沖河是畢節市內最大河流，流域面積為10 874 km2，幾乎全部在畢節市境內。洪家渡水電站位于六沖河下游臨近烏江處，調節庫容為33.61億m3，是烏江11個梯級電站中惟一具有多年調節作用的電站，也是六沖河上惟一的大型水電站，控制了91%的六沖河流域面積。七星關水文站是六沖河上游流域控制站，距離洪家渡水電站直線距離約97 km（圖1）。

圖1 六沖河流域

2 研究方法

2.1 水資源荷載均衡分析

2.1.1 水資源生態足跡模型 水資源承載力是可預見的時期內在滿足合理的水域生態環境保護和河流生態環境用水前提下，利用區域水資源量及其他資源和智力、技術等條件，水資源對經濟社會能夠承載的最大負荷下所支撐的人口規模［6］。涉及不同地區、不同條件時，水資源承載力的定義、計算方法、評價體系也存在差異［7］。

生態足跡法是在區域水資源承載力計算中的常用方法，可適用于喀斯特地區［8］。生態足跡法主要包括生態足跡（負荷）和承載力2個部分，其中生產用水足跡、生活用水足跡和生態用水足跡是水資源生態足跡的3個主要部分。根據生態足跡法的理論和一般模型［9］，喀斯特地區的水資源生態足跡計算模型如下。

式中，E F為喀斯特地區水資源生態足跡（hm2）；N為地區人口數（人）；e f為喀斯特地區人均用水足跡即人均水資源生態足跡（hm2/人）；r w為水資源均衡因子（r w=5.19）；W p為人均生產用水總消耗量（m3）；W l為人均生活用水消耗量（m3）；W e為人均生態用水總消耗量（m3）；p w為世界水資源平均生產能力（pw=31.4萬m3/km2）。

2.1.2 水資源承載力計算模型 在生態足跡法中，計算水資源承載力要考慮水資源開發利用程度，取40%作為水資源可利用量的上限。計算公式如下。

在制定城市化進程政策時，要考慮到古建筑在其中所發揮的作用，切忌“先破壞，再保護”的思想，做到統籌兼顧、合理布局。為古建筑設立專門的保護區，杜絕因發展而隨意破壞古建筑的現象的發生。

式中，E C w為地區水資源承載力（hm2）；ec w為人均水資源承載力（hm2/人）；ψw為區域水資源產量因子；W為人均水資源可利用量（m3）。N、r w、p w意義同式（1）。

2.2 水資源可利用量計算方法

水資源可利用總量包括地表水資源可利用總量和地下水資源可利用總量，考慮喀斯特地形地下水開發利用難度較大及貴州省多年地下供水僅占全省供水2%左右的情況，本研究僅對六沖河流域地表水資源可利用總量進行估算。估算公式如下。

2.2.1 河道內需水估算方法 從河道功能出發，河道內需水主要考慮與地下水相關的河道基流和水生生物保護水量。水生生物保護水量是維持水生生物生存和發展、河道中必須保持的最小生態環境需水量，可用一定比例的河道內多年平均年徑流量估算，且比例不應低于30%［10］。河道基流來自地下水補給和部分徑流，是河道徑流中相對比較穩定的部分，有保持水體自凈能力、維持河床形態、防止河道斷流等基本功能。采用Lyne-Hollick濾波法對徑流進行分割［11-13］。分割公式如下。

式中，q t為t時刻地表徑流（m3/s）；Q t為t時刻河川實測徑流（m3/s）；Q bt為t時刻基流，0＜Q bt＜Q t；t為時間（d）；α、β為濾波參數（0＜α＜0.5，0＜β＜1）［14］。計算過程中，可將α固定為0.5，結合喀斯特地區實際情況，對β進行適當調整，使基流分割達到比較好的效果。相關研究表明，要提高數據的計算精度，可對其進行一定次數的反復過濾，一般為3次過濾［12］。

2.2.2 汛期棄水計算 為了充分發揮洪家渡水電站的作用，減少棄水，增加發電效益，根據洪家渡水電站1952—2007年月流量數據和常規調度圖進行長系列模擬計算，可得汛期棄水量。洪家渡電站起調水位為1 076 m，在來水較豐時，調度最低水位定為年消落水位1 118 m，當存在連續的枯水年時，水庫最低水位可消落至死水位1 076 m。

3 結果與分析

3.1 流域荷載均衡狀況

3.1.1 生態足跡與承載力結果 根據貴州省水資源公報、畢節市2006—2018年國民經濟和社會發展統計公報以及水資源公報，由地區水資源總量除以地區面積可得水資源平均生產能力pw區為50.05萬m3/hm2，結合式（1）計算出畢節市（六沖河流域）水資源生態足跡和人均用水足跡；由畢節市水資源平均生產能力和世界水資源平均生產能力的比值可得區域水資源產量因子ψw為1.59，同時計算畢節市水資源承載力，結果見表1。

由表1可知，2006—2018年畢節市人均用水足跡年際變化較小。從用水量上分析，隨著社會經濟發展的需要，畢節市2006—2018年各部門用水需求量較大，同時近年來節水措施應用及對水資源的保護，提高了水資源的利用效率；另一方面，畢節市發展速度較慢，沒有出現用水負荷的大幅度增加，由此水資源用水消耗年際變化較小。水資源承載力主要受當年水資源總量影響較大，總體來說，畢節市2006—2018年水資源承載力年際變化不大。

3.1.2 水資源荷載均衡分析

1）生態足跡承載狀況。從表1可知，畢節市2006—2018年人均用水足跡變化幅度較小。人均承載力變化總體平穩，局部出現波動，結合當年來水情況分析，畢節市人均承載力最低的2年（2006年和2011年）為特枯年份，地表水資源可利用量偏少，對人均水資源承載力影響較大。

表1 畢節市人均水資源生態足跡與承載力計算結果

通過比較人均用水足跡和人均水資源承載力，可以確定水資源的荷載狀態，當人均承載力大于人均用水足跡時，代表生態盈余，說明該地區水資源不超載。根據計算結果可認為目前畢節市水資源荷載狀況處于盈余狀態，即水資源量可支撐畢節市社會經濟發展。

2）綜合分析。六沖河幾乎全流域位于畢節市內，因此，畢節市的水資源承載狀況結果也適用于六沖河流域。結合以上分析，認為六沖河流域水資源承載狀況良好，在水資源承載范圍內可對水資源進行合理的開發利用。

3.2 流域水資源可利用量

3.2.1 河道內需水量 畢節市大部分地區為喀斯特地貌，下滲率高，地下水量相比一般流域大。依據參考文獻［15-17］，發現西南流域基流指數為0.4～0.6，結合國際河流開發利用程度經驗，認為六沖河流域基流指數在0.4左右較為合理。以六沖河七星關水文站1971—1993年系列資料進行式（4）中參數計算，確定六沖河流域的基流量，其基流分割計算參數為α=0.5、β=0.984。七星關水文站多年基流分割結果如圖2所示。

圖2 七星關基流分割結果

用參數α=0.5、β=0.984對洪家渡2005—2008年日流量資料進行基流分割。得到洪家渡水電站4年平均年基流量為16.29億m3，年平均基流指數為0.39，基流分割結果如圖3所示。

圖3 洪家渡水電站基流分割結果

對比兩處基流分割結果，七星關站多年平均基流指數為0.37，洪家渡站多年平均基流指數為0.39，對比認為六沖河流域內基流指數變化不大，變化范圍為0.37～0.39。由此，根據六沖河洪家渡站處多年平均水資源總量（約為46.24億m3）和基流分割情況，計算得到六沖河流域多年平均河道基流量為18.03億m3。

基流計算結果達到了河道多年平均徑流量的30%，符合水生生物保護水量要求。因此，本研究計算取六沖河流域多年平均河道內需水量約為18.03億m3。

3.2.2 汛期難以控制利用水量 以5月為起始月，將六沖河洪家渡水電站1952—2007年天然入庫徑流資料按水文年排列，根據調度圖計算，得到每年的棄水量；假設每月河道內需水量均勻，則汛期棄水量扣除棄水中滿足河道內需水量部分，即為難以控制水量。

由于洪家渡水電站是多年調節水電站，各年棄水量因前一年蓄水狀況和本年度來水情況不同而存在差異，計算結果中，1954年棄水量最多，為30.41億m3，當年難以控制水量為26.68億m3，可利用水量為18.82億m3；最終可計算得多年平均棄水量為5.56億m3，多年平均難以控制利用水量為3.69億m3，多年平均地表水資源可利用量為24.51億m3。

3.2.3 豐平枯年際變化分析 根據國家標準《水文基本術語和符號標準》［18］，計算上述水文年資料經驗頻率，并劃分為豐、平、枯3種情況，整理得到徑流在豐、平、枯不同狀態轉移的頻數矩陣，結果見表2。由表2可知，整體來看，連續的豐水年和連續的枯水年占比較多。

表2 頻數矩陣

根據頻數矩陣，計算洪家渡水電站在不同豐、平、枯狀態變化下的棄水量以及六沖河流域的水資源可利用量，結果見表3。由表3可知，水電站在豐水年棄水偏多，平水年產生棄水較少，枯水年基本不會產生棄水。前一年為豐水年或平水年時，天然徑流基本可以滿足水電站保證出力要求，水庫充分蓄水，使得下一年更容易產生棄水，以至于部分枯水年，在汛期水量較大時也會產生棄水。前一年為枯水年時，水庫往往需要放水，以滿足發電要求，年末水位較低，庫容可以容納下一年汛期較多水量，從而減少棄水。在洪家渡水電站調節作用下，雖然豐水年汛期會產生較多棄水，但天然來水量充足，水資源可利用量較為可觀；枯水期整體水量偏少，雖然幾乎沒有棄水，但年度水資源可利用量相對較少。

表3 徑流豐平枯轉移情況下六沖河流域棄水和水資源可利用量 （單位：億m3）

六沖河是烏江最大的一級支流，天然徑流量大，在洪家渡水電站的調蓄作用下，流域汛期棄水較少，同時，六沖河流域用水需求量還不大，因此流域水資源可利用量比較豐富。經上述分析并計算，六沖河流域多年平均地表水資源總量為46.24億m3，流域多年平均地表水資源可利用量為24.51億m3。

4 小結

1）近幾十年來六沖河流域水資源承載狀況較好，在該區域水資源承載范圍內可對水資源進行合理的開發和利用。

2）經測算，六沖河流域多年平均河道內需水量為18.03億m3，水資源可利用量為24.51億m3。

3）由多年平均和考慮徑流豐平枯變化情況下的水資源可利用量可知，六沖河流域水資源比較豐富，除部分特枯年份外，水資源可利用量相對富足，由此認為六沖河流域水資源開發利用潛力較大。