張 健

(河北省張家口水文勘測研究中心，河北 張家口 075000)

1 背景及意義

受全球氣候變化影響，降水時空分布不均勻，極端降水、干旱情況出現(xiàn)得更加頻繁，總體出現(xiàn)了氣溫升高、空氣相對濕度降低的趨勢，對農(nóng)業(yè)發(fā)展極為不利。近年來我國干旱頻次增加、范圍擴大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境都受到了一定程度的損害，干旱災(zāi)害對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響令人憂心并具有重要研究意義，找到其應(yīng)對措施，對可持續(xù)發(fā)展極為重要。華北地區(qū)是干旱發(fā)生頻率和強度較高的地區(qū)之一，水文行業(yè)對旱情的監(jiān)測、預(yù)警等工作也在不斷進行優(yōu)化，力爭為抗旱決策部署提供有力的技術(shù)支撐。旱警水位可以作為確定江河湖庫干旱預(yù)警的重要指標(biāo)，為啟動抗旱應(yīng)急響應(yīng)提供重要依據(jù)，確定旱警水位、建立江河湖庫干旱預(yù)警指標(biāo)體系，可以有力推動抗旱預(yù)警工作的開展，更好地輔助調(diào)度決策服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活，具有重大意義。

2 流域概況

友誼水庫位于河北省尚義縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)興和縣的交界處，控制永定河水系東洋河的主要支流二道河，該河發(fā)源于內(nèi)蒙古興和縣境內(nèi)，有5條支流。該流域地處長城以北，全部為丘陵地區(qū)，海拔高度為1200～1400m。內(nèi)蒙古興和縣和河北尚義縣南壕塹鎮(zhèn)屬壩上丘陵區(qū)，地形較平緩，相對高差小，興和附近為盆地，沿河兩側(cè)有較開闊的平川地帶，興和以下水庫附近的上游是丘陵和山區(qū)接壤地帶，山勢較陡，相對高差較大。該地區(qū)風(fēng)多雨少，十年九旱。砂壤土為流域內(nèi)土壤類型，黃土和黃砂土為二道河主要構(gòu)成土壤，前河大部分土壤為黑土和黑砂土。流域植被稀少，無森林，大部分地面為草原和耕地。流域多年平均降雨量為394mm，多年平均水面蒸發(fā)量為860mm(蒸發(fā)器為E601型)。歷史最大洪峰流量1810m3·s-1，發(fā)生在1911年(調(diào)查洪水)。流域主河道長80.6km，河道縱坡為3.34‰，流域平均寬度為34.7km。

友誼水庫是永定河水系東洋河上游一座防洪、灌溉為主綜合利用的大(Ⅱ)型水利樞紐工程，水庫控制流域面積2250km2，其中內(nèi)蒙古境內(nèi)約占80%，總庫容1.16億m3。2001年進行除險加固，2005年完工。汛限水位1194.0m，死水位1185.6m，死庫容549萬m3。水庫用水主要為懷安縣、萬全縣農(nóng)業(yè)灌溉用。

3 旱警水位的分析確定

水庫旱警水位的計算主要包括典型干旱年法、最大值法和綜合法，為更加科學(xué)合理的確定旱警水位，運用以上3種方法分別進行計算，再進行綜合分析對比。計算時段為10月—第2年5月，其中，10月—第2年2月是一般時段，第2年3—5月為用水重要時段。

3.1 典型干旱年法

3.1.1 水庫來水量計算

由于近年資料的連續(xù)性更好，且更具參考價值，計算水文年(當(dāng)年6月—第2年5月)1991—2020年有資料系列水庫年來水量頻率值，根據(jù)友誼水庫共計30a的來水量統(tǒng)計資料，計算得出多年平均來水量為3897.78萬m3，Cv取值0.74，Cs/Cv值為2.03，20%保證率來水量為5887.30萬m3，50%保證率來水量為3203.56萬m3，75%保證率來水量為1783.48萬m3，95%保證率來水量為641.69萬m3，來水保證率越高表示來水越少。

3.1.2 旱警水位計算

在友誼水庫來水量資料中找出對應(yīng)來水保證率75%(年總來水量1783.48萬m3)相近的干旱年份作為典型干旱年，典型年確定為2018年。2018年10月—第2年2月期間，第2年3—5月期間最高蓄水位即為其枯水期典型旱警水位，使用鐵路標(biāo)高。

計算結(jié)果見表1，10月—第2年2月，2月蓄水位最高，即該時段的旱警水位為1192.85m；第2年3—5月期間，3月蓄水位最高，即該時段的旱警水位為1192.87m。

3.2 最大值法

水庫旱警水位的確定需要考慮水庫所承擔(dān)的供水任務(wù)，如城鄉(xiāng)用水、工業(yè)用水、灌溉用水、生態(tài)用水等，適當(dāng)考慮經(jīng)濟社會發(fā)展及城鎮(zhèn)人口增長等因素并結(jié)合設(shè)計來水情況進行綜合確定。

表1 友誼水庫典型年對應(yīng)時段蓄水位表

3.2.1 各月來水量計算

根據(jù)確定的年來水量75%頻率值，將2018年各月來水量按比例進行縮放，計算典型干旱年時段各月來水量。

3.2.2 各月需水量分析

由于水庫旱警水位的確定是為了服務(wù)于今后的生產(chǎn)生活，需要考慮到需水量的未來趨勢，而計算多年前需水量意義不大，同時需要降低偶然因素的影響，統(tǒng)計分析了2011—2021年友誼水庫的各月用水量，僅灌溉用水和生態(tài)用水2項，無其他用水項目，且得到水庫管理部門認(rèn)可。

考慮到水庫所承擔(dān)的灌溉和生態(tài)為主要供水任務(wù)，逐項分析確定了上述時間段內(nèi)水庫供水對象的各月需水量。詳細(xì)統(tǒng)計結(jié)果見表2，計算時段內(nèi)多年平均用水總量為3675萬m3。

表2 友誼水庫各類用水分析成果表

3.2.3 缺水量計算

對上述時間段(10月—第2年2月和第2年3—5月)內(nèi)，水庫各月用水量和來水量之差進行計算，結(jié)果見表3。

3.2.4 旱警水位分析

以時段內(nèi)各月水庫缺水量最大值，加上死庫容549萬m3，10月—第2年2月時段最大缺水量為1619.88萬m3，相應(yīng)水庫水位1189.70m，第2年3—5月時段最大缺水量為1892萬m3，相應(yīng)水庫水位1190.43m，作為該時段最大旱警水位。

3.3 綜合法

根據(jù)計算表3，從最后一個月月末開始起調(diào)，在起調(diào)庫容(死庫容)基礎(chǔ)上，逆序遞推疊加各月缺水量，得到各月旱警水量和水位。取各時段內(nèi)各月旱警水位的最大值，作為該時段的綜合法旱警水位。

計算結(jié)果如表4所示，10月—第2年2月，10月的旱警水量最大，為3503.88萬m3，其對應(yīng)的水位1193.66m為該分時段的旱警水位；第2年3—5月，3月的旱警水量最大，為2433萬m3，其對應(yīng)的水位1191.64m為該分時段的旱警水位。

3.4 對比及確定

根據(jù)水庫1991—2020年的歷史資料，此次分析采用30a歷年月最低水位資料與分析水位進行比對。按月統(tǒng)計低于分析水位的次數(shù)，計算結(jié)果見表5，典型干旱年法計算出各月的出現(xiàn)次數(shù)為25～30次，約1a出現(xiàn)1次；最大值法計算出各月的出現(xiàn)次數(shù)為12～24次，1～3a出現(xiàn)1次；綜合法計算出各月的出現(xiàn)次數(shù)為26～29次，約1a出現(xiàn)1次。經(jīng)統(tǒng)計，歷年月最低水位低于典型干旱年法所計算水位的概率達(dá)80%以上，低于最大值法所計算水位的概率，一般時段為40%～60%、用水重要時段達(dá)65%，歷年月最低水位低于綜合法所計算水位的概率也達(dá)到80%以上，對比可看出，最大值法計算的分析水位更加準(zhǔn)確合理。

表3 友誼水庫最大值法旱警水位計算表

表4 友誼水庫綜合法旱警水位計算表

表5 友誼水庫歷年月最低水位低于分析水位次數(shù)統(tǒng)計表

通過上述分析，最終確定采用最大值法計算的分析水位為旱警水位，10月—第2年2月即一般時段旱警水位為1189.70m；第2年3—5月即用水重要時段旱警水位為1190.43m，重現(xiàn)期約2a一遇。經(jīng)過分析確定，此旱警水位基本合理。

4 農(nóng)業(yè)干旱分析及建議

4.1 干旱情況及原因

友誼水庫在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護等方面發(fā)揮著十分重要的作用，是防洪、灌溉的基礎(chǔ)設(shè)施，可以有效蓄水保水，用于枯水期灌溉農(nóng)田，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供強有力的水源支撐，提高農(nóng)業(yè)灌溉效益，也可以為生活用水提供支持。近年來干旱頻繁發(fā)生，給社會生活經(jīng)濟活動等各個方面都帶來了影響，尤其是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響巨大。華北地區(qū)受季風(fēng)氣候影響，降水量存在較大的季節(jié)性差異，夏季多冬季少，水資源時空分布不均勻，在農(nóng)作物生長的關(guān)鍵時節(jié)不具備充沛的降水量來維持供給，干旱在一年四季都有可能發(fā)生，春旱時間為3—5月，正值播種時節(jié)，氣溫上升快，空氣相對溫度低，土壤水分損失快；夏旱大多在7—8月，由于夏季氣溫高，蒸發(fā)量大，且降雨經(jīng)常為陣雨、暴雨，強度高、歷時短，作物對降水的有效利用率低，較易發(fā)生旱情，并且對作物影響很大；秋旱經(jīng)常發(fā)生在處暑到秋分時節(jié)，而冬季西北風(fēng)多，降水少，有時會出現(xiàn)土壤底墑減少的情況，影響作物越冬。

極端天氣是干旱形成的主要原因，地形地貌等也在一定程度上影響了降水分布的差異性，會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱不同頻率和強度的發(fā)生。張家口地區(qū)降雨時空分布不均，山高坡陡，土壤蓄水保水能力不強，水資源開發(fā)利用難度較大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無法抵御異常天氣發(fā)生導(dǎo)致的干旱災(zāi)害。另外，植被種類與覆蓋程度的差異，也直接影響著干旱的發(fā)生程度，植被覆蓋率高、土壤結(jié)構(gòu)良好的地區(qū)，蓄水保水能力會比較強，農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生程度就比較輕，反之則嚴(yán)重。

4.2 改善及建議

一些不正確的人類活動導(dǎo)致水環(huán)境污染、水土流失等不良情況的發(fā)生，在一定程度上加劇了水資源的缺乏，從而也影響了干旱的發(fā)生；但同時科學(xué)規(guī)范的人類活動也可以減輕干旱的危害，如近年來已經(jīng)通過地下水開采綜合治理、改善水利農(nóng)田基本建設(shè)、推廣應(yīng)用各類節(jié)水設(shè)施等種種行之有效的方法，很大程度上保護了水資源，避免了水土流失、地下水水位持續(xù)下降等不利情況的發(fā)生，對農(nóng)業(yè)干旱的影響進行了人為因素上的改善，但消除干旱災(zāi)害依舊是不可能的，還需要尊重適應(yīng)自然規(guī)律，以可持續(xù)發(fā)展原則統(tǒng)籌規(guī)劃，通過水利工程及非工程措施減輕干旱災(zāi)害帶來的影響。

目前，加強墑情監(jiān)測和提升干旱預(yù)警能力的行動已經(jīng)在加大力度開展，相關(guān)設(shè)施設(shè)備的更新，旱情預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)和政策法規(guī)的制定還有待進一步完善和提升，防災(zāi)抗旱工作的科學(xué)化、規(guī)范化，可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加科學(xué)有效的服務(wù)和技術(shù)支持。旱警水位的確定為下一步確定發(fā)布旱警信號等級水位做好基礎(chǔ)工作，還需要分級設(shè)置預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，并制定相應(yīng)的干旱預(yù)警方案，其關(guān)鍵在于要考慮不同的保證率和不同的預(yù)警指標(biāo)，同時考慮用水需求程度等情況，并依據(jù)用水功能轉(zhuǎn)變等情況及時做出調(diào)整，以保證合理性和實用性，為科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)提供有效依據(jù)。