摘 要：
河道径流过程分析对于工程建设十分重要，现有水文模型主要以流域为研究对象，研究空间尺度通常较大，难以在小空间尺度内对河道径流量进行分析。本文基于二元水循环模式，从自然和社会两个方面系统性分析了对河道径流量的影响因素，建立二元水循环模式的河道实际径流计算方法。自然端综合考虑了上游入流、区间产汇流、河道分流及与地下水的交换量，社会端综合考虑了人工引水量、退水量及分水量，其中对农业退水量进一步细分至用水期退水和非用水期退水。以金马河温江段为研究案例，根据河道与规划闸坝、渠系的位置关系选择9个断面对径流量进行分析。根据计算结果，区间汇流占总径流量的12.5%,是金马河径流量的重要组成部分。金马河径流量年内分布具有明显的不均匀性，4—10月的径流量占总径流量的89.6%,主要以洪水的形式下泄，需要考虑修建梯级闸坝提升河道调蓄能力。岷江水厂取水口断面枯水年农业退水量对径流量的贡献率达到14.89%,表明枯水年社会端径流量对准确计算河道径流量具有重要影响，在水利工程建设相关的规范标准中需要加强对社会经济用水的可靠性、一致性及代表性等相关分析。本文提出的计算方法可以实现对小尺度河道径流量的计算，具有一定的理论意义与实际意义。
关键词：
水循环;二元模式;径流计算;岷江;
作者简介：
林鹏飞(1989—),男，工程师，博士，主要从事水资源综合配置研究。E-mail:swlinpengfei@126.com;
*游进军(1977—),男，正高级工程师，博士，从事水文学及水资源方面研究。E-mail:youjj@iwhr.com;
基金：
国家自然科学基金项目(52079143);
国家重点研发计划(2018YFC0407705,2017YFC0404405);
中电建成都院公司自主研究课题(P34516);
引用：
林鹏飞，游进军，井向阳，等． 基于二元水循环模式的河道实际径流计算———以岷江金马河段为例［J］. 水利水电技术( 中英文) ， 2021，52( 12) : 69-79.
LIN Pengfei，YOU Jinjun，JING Xiangyang，et al． Calculation of actual river runoff based on dualistic water cycle model － a case study of Minjiang Jinma Ｒiver section［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 12) : 69-79.
0 引 言
河道径流量分析计算是水利工程建设的基础。随着社会经济的快速发展，沿河道建设的小型水利工程及取水口数量不断增加，对于准确计算河道径流量的要求日益提高。人类活动对径流影响越来越显著，河道径流具有明显的自然和社会二元属性。单独依托天然产汇流模式分析河道径流量，将会导致计算的河流水量存在较大误差，难以反映河道真实的径流状况。目前，在河道水量调度效应方面对闸坝等工程规划建设及取水口论证的技术支撑不足，需要从自然水循环和社会水循环两个角度出发，充分考虑社会水循环对河道径流量的影响，提高计算精度。
受人类活动的影响，河道径流主要由天然径流量和回归水量组成，属于二元水循环。水文学的一元静态范式核心思想是将受人类干扰的实测数据，基于用水统计数据还原到没有人类干扰的天然状态，而二元水循环注重解决人类活动影响下自然水循环与社会水循环互相影响及反馈问题。针对河道径流量研究主要有还原计算和还现计算两个方向，对径流进行还原计算是为了评价天然状态下区域的水资源量，为科学合理开发水资源提供支撑;而还现计算则在于考虑各种影响因素，尽量模拟真实的产汇流过程。河道径流还原计算的传统方法主要有分项调查法、综合修正法、降雨径流模型法等,主要思路是将天然径流量与人类取用水量分离计算。对径流量还原计算主要目的在于摸清水资源家底，但准确计算真实的径流量对水利工程规划建设更有实际意义。计算真实径流量主要利用分布式水文模型进行模拟计算，桑学峰等以SWAT分布式水文模型为基础，对灌溉和人工耗、用水模块进行了开发和改进，对加强人类活动影响的区域水循环过程进行了模拟，并且提高了模拟的精度。贾仰文等开发了流域二元水循环模型并对海河流域进行了分析计算，结果证明所建立的二元模型对径流过程、入海水量以及地下水流场等均具有合理的模拟精度。但水文模型的构建多以流域为范围开展研究，研究的空间尺度较大，针对小尺度的河道径流量模拟计算研究较少。河道周围一般为人类活动密集区，建设的小型水利工程及取水口较多，为了保证供水安全，对准确计算河道实际径流量的需求较高。由于水文站点密度不够，局部河道通常缺少实测径流数据，因此需要加强对小空间尺度的具体河道径流量分析计算。
受二元水循环思想的影响，很多学者重视人类活动对河道水量、水质的影响。李春晖等以黄河为例建立干流区间河道水量平衡关系，得到干流河道水量自然补损计算方程，提出了河道干流、区间等各项水量平衡关系。刘家宏等认为人类取用水侵占了天然径流量，是海河流域径流减少的重要原因，而且工业生活污水在海河的入海水量中占了很大比重。王西琴等认为河道的生态需水量不仅来源于天然降雨，而且受到社会系统排水的补充，其水量大小与水质状况受到人类利用水资源程度、利用效率、污水排放量等的影响。张亮等基于二元水循环对玛纳斯河流域河流生态需水水量与水质的综合评价，生态需水量综合考虑了地表径流量、取水量、河道回归水量。综上所述，目前基于二元水循环理论对具体河道径流量的计算主要将自然和社会因素进行分离，通过水量平衡方程进行还现计算，并且取得了不错的研究成果。本文在总结前人研究成果的基础上，针对人类活动影响较为频繁的平原河道进一步细化了自然端和社会端的影响因素，提出了基于二元水循环模式的河道实际径流计算方法，为相关的河道径流计算、工程论证分析提供借鉴和参考。
1 计算方法按照二元水循环的理论，分别从自然水循环和社会水循环两个角度对河道水量流入和流出项进行系统概化，如图1所示。河道径流量的组成主要由两部分组成，第一部分为自然水循环部分，按照与河道水量的交换关系可以分为上游入流、区间平汇流、自然河道分流量以及地下水转换量；第二部分为社会水循环部分，主要包括引水、分水及退水三项，其中引水、排水是社会经济系统水循环与自然生态系统水循环之间联系的纽带，也是社会经济系统水循环对自然生态系统水循环影响最敏感、最重要的形式。引水项主要指供社会经济引水量，城镇用水主要通过水厂取水，农业灌溉一般通过灌渠渠首取水，取水点较为明确。分水项主要指通过人工河道分水；退水项主要是社会经济用水之后的回归水量，其中城镇回归水量主要指经过污水处理厂处理后排入河道的水量，农业回归水量主要通过田间渠系汇入，可根据渠系控制范围内的用水排水特性确定。对于平原地区的农业引水渠道，在非用水期也存在一定量的引水，在用水期由于无法按照需求精准控制引水量，因此农业的回归水量主要包括引水退水量和用水退水量两部分。天然汇流、人工引水及回归水量等与河道位置相关，为了准确分析河道径流量需要根据相关水力联系划分河段，提高计算结果的准确性。
图1 河道径流分项关系示意
根据河道径流量主要影响因素的分析，直接计算河道径流量比较复杂，因此借鉴还原计算的思路将天然和社会端径流量进行分离，并基于水量平衡以平原河道为例建立计算公式。在某时段，区间干流河道的径流量计算公式为
式中，Qto为断面的总径流量(m3);Qna为自然端径流量(m3);Qar为社会端径流量(m3)。
自然端径流量计算公式为
式中，Qup为上游入流量(m3),含重要支流的汇入流量；Qmi为区间汇流量(m3);Qdi为河道分水量(m3);Qls为与地下水的交换量(m3),平原河道一般以侧向渗漏为主。社会端径流量计算公式为
式中，Wou为退水回归量(m3);Wsu为人工取水量(m3);Wdi为人工渠系分水量(m3);其他符号意义同上。
退水回归量主要包括城镇退水量和农业退水量两部分，计算公式为
式中，Wouci为城镇用水退水量(m3),主要根据河道排污口确定相应的退水量；Wouaru为农业用水退水量(m3);Wouary为农业引水退水量(m3),其中包括渠道可能存在的沿线降水径流汇入。
非用水期农业退水量即为渠首的引水量，用水期的农业退水量计算公式为
式中，∑Wsuar为渠系的引水量(m3);∑Dar为断面区间内农业需水量(m3);γ为退水系数；其他符号意义同上。其中，各项径流项的具体计算需要根据研究区实际情况确定。
2 金马河概况与分析需求2.1 河段概况
岷江在都江堰鱼嘴处分为内、外二江，外江俗称金马河，上起都江堰市青城大桥，下至新津县红岩子，全长79.194 km, 主要承担岷江上游河段洪水的排洪任务，流经成都市都江堰、温江、崇州、双流、新津五市县，河流沿岸地势开阔平坦，河床宽窄不均，最宽处1 010 m, 一般为300～600 m, 河床较浅，平均比降3.44,洪枯流量变幅较大。金马河沿岸河渠关系复杂，基于各类规划资料以及实地调研对金马河、江安河、黑石河、杨柳河、羊马河等河渠水系关系进行梳理。金马河温江段左岸主要有江安一支渠、江安二支渠、江安三支渠、江安四支渠、战备二支渠、大郎堰引水干渠、灯盏窝引水干渠，其中大郎堰引水干渠和灯盏窝引水干渠为取水渠道，其他渠道均为排水渠道；右岸主要有临江堰、拥军渠、爱民渠、黑石河一支渠、黑石河三支渠及黑石河五支渠，所有干渠均为排水渠道。主要引、排渠道位置如图2所示。
图2 金马河水系示意
2.2 径流分析需求
金马河一直是岷江自来水厂的主要水源，由于双流区用水逐年增加，考虑对岷江自来水厂进行扩容，由于金马河面临着水质较差、枯季来水量不足和用水需求增加的问题，供水紧张程度不断增加。近年来，在人类活动干扰下岷江的径流量呈下降趋势,金马河段径流特征增加复杂化。为了提高调蓄能力，提出了在金马河分段设坝的设想,目前共计规划闸坝13座。其中，原规划闸坝中1#—6#闸坝和新增5座闸坝均位于双流区岷江自来水厂取水口上游。为了保证岷江水厂的取水安全、确定合适的水厂扩建规模，需要准确计算外江闸-岷江自来水厂取水口段(温江段)的径流量。综合考虑规划闸坝和两岸灌渠的位置关系，将金马河划分不同的区段并选取9个控制断面(见图3)对径流量进行计算。
图3 岷江中游闸坝、渠系及计算断面位置关系
3 径流量计算3.1 自然端径流量分析
根据金马河干流的水系图及实地调查，金马河温江段自然端径流量主要由上游入流、区间汇流组成，与地下水交换量较小因此不进行分析。
3.1.1 上游入流
都江堰鱼嘴将上游入流一分为三，分别为内江、外江(沙黑河)和金马河，如图4所示。岷江水量随着社会发展的需要，在都江堰鱼嘴处的内外江分水比例也在不断变化，特别是修建外江闸等水利工程之后，可以控制非汛期水量更多地分配到内江，导致了金马河严重的生态环境缺水问题。紫坪铺水库于2006年底全部建成投入使用，岷江干流的调节能力有所增强，金马河的断流时间有所减少。因受紫坪库水库和鱼嘴分水的影响，金马河的上游入流计算以鱼嘴分水处为上游入流量。由于金马河干流无监测数据，需要根据紫坪铺下泄水量和内外江的监测数据进行推求，金马河最上游断面的上游入流量计算公式为
式中，Qup1为金马河第一个断面上游入流量(m3);Wz为紫坪铺水库的下泄水量(m3); Qnj为内江引水量(m3);Qsg为沙沟河进口监测流量(m3);Qhs为黑石河进口监测流量(m3)。
图4 都江堰渠首分水示意
由于数据资料系列较短，直接选取典型年可能存在较大的不合理性，因此对金马河的来水系列进行重新组合。将金马河的日流量序列转换为月流量序列，按照每个月来水量排序，并依次按照平、偏枯、枯和特枯4种情况选择不同月对应的年份，将其组合得到新的不同频率年的月系列来水量序列(见表1)。
3.1.2 区间降雨汇流
区间降雨汇流是金马河重要的来水量，主要依据降雨-径流公式求取，计算公式为
式中，Qmik为断面k的区间汇流量(m3);Pk-1,K为断面k与上级断面区间的降雨量(mm);Ak-1,K为断面k与上级断面区间的汇流面积(km2);βk为径流系数。
根据公式(7)可知，计算各断面的区间汇流需要确定降雨量、汇流面积、降雨径流系数等相关参数。
降雨量计算。降雨量的计算根据天然降雨量不同频率方式组合。首先根据气象局0.5°网格的1961—2018年系列长度的日降雨资料，其中金马河范围内网格点为两个，采用网格平均值作为金马河流域降水。然后对于每个月序列数据按照从大到小进行排序，按照经验频率计算得到每个月序列的对应经验频率，选取50%、75%、90%、95%对应的月值作为平、偏枯、枯、特枯不同水平年的降雨数据。
汇流面积。利用中国科学院国际科学数据服务平台下载得到金马河范围内SRTM90 m分辨率DEM数据，以金马河下游控制断面点新津大桥为流域出口，根据金马河沿线高程分布，结合区域水系分布与排水关系分析，得出金马河的汇流范围如图5所示，总汇流面积约为212 km2。
图5 金马河流域范围
降雨-径流系数确定。径流系数采用多年平均径流系数，金马河流域多年平均径流系数参考成都市水资源规划确定。考虑到金马河流域汇流范围小，且研究区内土壤含水量较高，因此降雨产流损失较少，综合上述因素取金马河流域径流系数为0.8。
区间降雨汇流量确定。按照降雨-径流系数法计算不同段面以上区间汇流量，计算结果如表2所列。
3.2 社会端径流项
社会端径流量主要由退水量和取水量两部分组成，根据金马河干流的水系图及实地调查，金马河温江段取水量主要为农业灌溉取水，区间内无城镇取水。退水量主要为农业退水，无城镇排水。因此，本次社会端径流量仅分析农业取水和农业退水量。
3.2.1 退水量
根据渠道引水能力及农业引水量综合分析计算，根据公式(5)得到金马河左右岸不同频率年各支渠的退水量，具体结果如表3和表4所列。其中，金马河左岸(江安河)多年平均实际退水量为2.31亿m3,金马河右岸(黑石河)多年平均实际退水量为1.78亿m3。
3.2.2 取水量
金马河沿岸农业取水灌区主要包括左岸的都江堰内江灌区江安河灌区、大郎堰灌区和灯盏窝灌区，右岸的都江堰外江灌区。其中，都江堰内江灌区江安河灌区的取水主要来自江安河，都江堰外江灌区取水主要来自沙黑总河，这两个灌区的取水对金马河的水资源量不产生影响。而大郎堰灌区和灯盏窝灌区均从金马河取水，需要重点分析其取水量和取水过程。
农业需水量可根据灌区的作物类型、灌溉定额、种植面积求取，计算公式为
式中，Dar为农业需水量(m3);Mi,t为t时段作物i的种植面积(hm2);βi,t为t时段作物i的灌溉定额(m3/hm2)。
大郎堰灌区和灯盏窝灌区种植结构相似，均为大春种水稻，小春种小麦或油菜，灌溉定额根据《四川省用水定额》(DB 51 T 2138—2016)按照不同来水频率年取值。结合农业需水量，一般用水期引水量按略大于需求引水，用水高峰期按照需求引水，农业取水量计算结果如表5所列。其中，大郎堰灌区年均取水量为为2 037万m3,灯盏窝灌区年均取水量为128万m3。
3.3 径流量分析
综合考虑来水量和取水量，根据金马河断面对金马河的径流量进行汇总，如表6所列。可以看出，由于受区间汇流的影响，从上游往下游断面的径流量呈现增加趋势。其中，断面9处受大郎堰和灯盏窝取水影响，断面径流量稍有下降。断面1处的径流量均为上游来水，多年平均来水量为37.8亿m3。断面9处的总径流量为43.2亿m3,即金马河段的区间增加径流量为5.4亿m3。
从各断面径流量的年内分布来看，金马河段径流量具有明显的年内不均匀性。从断面9不同频率年的径流量分布图(见图6)可以看出，金马河区间的径流量主要分布在4—10月。其中，95%来水频率年4—10月径流量占总径流量的89.6%,由于金马河干流缺少调蓄工程拦蓄，各部分径流量将会以洪水的形式下泄。金马河段不具有修建大型水库工程的条件，通过修建梯级闸坝联合调控对提升河道蓄水能力具有一定意义。
图6 断面9不同频率来水年径流量分布
对不同断面的径流量组成成分进行分析(见图7),从金马河上游到下游断面，上游来水量占来水量的比例逐渐降低。区间产流和区间退水量相比，在流域上游两者的贡献比相差不大，但是在流域下游区间累计的农业退水量逐渐增大。断面9农业退水量为4.08亿m3,占总来水量的9.42%,可见计算金马河流域的径流量时区间的农业退水量是重要的影响因素。进一步分析不同来水频率年的径流量组成成分，断面9退水量贡献率在平水年为10.51%,枯水年增加至11.24%,枯水年社会端径流量成分的占比明显增加，可见计算河道径流量时考虑人类活动对其影响具有一定必要性。
图7 不同断面、不同来水频率年各径流项贡献率
4 结 论受人类活动的影响，平原河流修建小型水利工程及加强取水口水量论证的需求日益增加，对准确计算河道径流量提出了更高的要求。目前，针对计算小尺度河道真实径流量的技术方法较为薄弱，本文从二元水循环的角度提出了基于二元水循环模式的河道实际径流计算方法，并对金马河温江段的河道径流量进行了计算。通过对计算结果的分析，主要得到以下结论：
(1)金马河温江段最上游断面径流量为37.8亿m3,岷江水厂取水口(断面9)径流量为43.2亿m3,区间增加径流量为5.4亿m3,占总径流量的12.5%,区间汇流量是金马河段径流量的重要组成部分。
(2)金马河径流量主要集中在4—10月份，年内分布具有明显的不均匀性，需要考虑修建梯级闸坝进行联合调控来提升河道蓄水能力。
(3)社会端径流量对金马河径流量具有明显的影响，左右岸灌区退水量是径流的重要组成部分，岷江水厂取水口断面特枯水年农业退水量占径流量的14.89%,对保证供水安全具有重要作用。
(4)相关水利工程建设的规范标准中需要强调社会端径流项对河道径流量的影响，加强对社会经济用水的可靠性、一致性及代表性分析。在规划建设中不仅要考虑自然径流计算，同时需要耦合社会端进行分析计算，尤其在枯水期需要重点分析人工控制因素的影响。
河道径流过程的影响因素较多，目的也不尽相同，不仅对水利工程建设规划有指导意义，同时对断面水量监控等水资源管理也有辅助决策作用。进一步完善二元模式下的河道径流量模拟预测分析，一方面需要强化机理研究，加强自然端和社会端动态耦合，完善各分项径流量的计算方法，提高模拟计算的精度；另一方面也需要和实际管理需求结合，提出与实际管理需求相适应的分析方法和分析因素，如强化水质影响因素的分析，实现水质水量联合计算为水环境监控管理服务。
水利水电技术（中英文）
水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
