水量調(diào)度實(shí)施對(duì)東江流域徑流影響分析

關(guān)鍵詞：趨勢(shì)檢驗(yàn)；動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整；滑動(dòng)窗口；水量調(diào)度；相似事件識(shí)別

中圖分類號(hào)：TV21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-9235（2024）11-0014-10

東江是廣東省河源、惠州、廣州、東莞、深圳等地市的主要供水水源，其承擔(dān)香港、廣州、深圳、東莞、惠州、河源近5 000萬人口的供水任務(wù)，同時(shí)兼有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、壓咸、納污等多種任務(wù)［1-2］。新豐江、楓樹壩、白盆珠水庫作為流域內(nèi)的主要大型水庫（以下稱三大水庫），承載著粵港地區(qū)供水安全的作用，其流量變化對(duì)流域水資源的調(diào)控利用有著極大的影響［3-5］。水庫的人為調(diào)蓄作用，是改變河流天然徑流過程的主要原因之一，受到氣候變化、工程建設(shè)等多因素的復(fù)合影響，水庫在不同的時(shí)間段發(fā)揮著不同的作用［6-8］。為加強(qiáng)東江水資源的統(tǒng)一管理、科學(xué)調(diào)配和有效保護(hù)，2008年8月，廣東省政府頒布實(shí)施《廣東省東江流域水資源分配方案》，廣東省東江局根據(jù)來水預(yù)測(cè)、水庫蓄水情況以及各有關(guān)地級(jí)以上市用水計(jì)劃和水庫運(yùn)行調(diào)度方案編制廣東省東江流域枯水期水量調(diào)度計(jì)劃，加強(qiáng)新豐江、楓樹壩、白盆珠三大水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度工作。因此，對(duì)東江流域水量調(diào)度實(shí)施效果進(jìn)行分析，對(duì)東江流域水量調(diào)度的實(shí)施乃至區(qū)域可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

李寧等［9］從現(xiàn)行調(diào)度模式，三大水庫聯(lián)合調(diào)度特點(diǎn)等方面，分析了東江分水方案出臺(tái)實(shí)施后，近10 a社會(huì)效益與發(fā)電效益的改變；劉金鳳［10］從供水保障、水環(huán)境、壓咸效果、水庫運(yùn)用及發(fā)電效益分析了調(diào)度實(shí)施前10 a與后10 a的差異，東江流域水量調(diào)度工作對(duì)廣東經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有著重大意義；劉家福等［11］通過對(duì)鑒江干流枯水期水量調(diào)度前后流量變化分析，說明實(shí)施水量調(diào)度在防洪和水資源調(diào)配中發(fā)揮了極其重要的作用；呂樂婷等［12］發(fā)現(xiàn)旱季徑流逐漸由純粹依賴降雨演變?yōu)楦嘤扇斯に畮?、閘壩等補(bǔ)給調(diào)控，即人類活動(dòng)對(duì)東江徑流的影響有增強(qiáng)趨勢(shì)；陳艷等［13］對(duì)北江流域控制斷面生態(tài)流量的現(xiàn)狀保障情況進(jìn)行分析，提出水庫群調(diào)度模型，保障枯水期生態(tài)流量全面達(dá)標(biāo)。

本研究基于東江流域1979—2023年逐日降水量、三大水庫自建庫以來入庫出庫流量以及重要斷面的流量數(shù)據(jù)，分析東江流域1979年至今來水情況變化；同時(shí)從調(diào)度實(shí)施前后，枯水年三大水庫枯水期的出庫流量變化以及重要斷面的流量變化，分析總結(jié)水量調(diào)度實(shí)施后所取得的效果，以期為東江流域的水資源合理規(guī)劃、開發(fā)、利用提供參考。主要分析內(nèi)容有：①調(diào)度前后，東江流域降雨來水情況是否發(fā)生顯著改變；②調(diào)度方案實(shí)施后，枯水年枯水期重要斷面的達(dá)標(biāo)率變化；③降雨來水相對(duì)偏少的情況下，三大水庫的出庫流量穩(wěn)定性是否有所提升，以及供水安全是否得到保障。

1研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法

1. 1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

東江流域（圖1）位于珠江流域的東北端，南臨南海并毗鄰香港，西南部緊靠華南最大的經(jīng)濟(jì)中心廣州市，西北部與粵北山區(qū)韶關(guān)和清遠(yuǎn)兩市相接，東部與粵東梅汕地區(qū)為鄰。

東江為珠江的一級(jí)支流，流域總面積約為3. 5萬 km²，其干流全長約560 km，流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫約為21 ℃，年均降雨約為1 800 mm。流域內(nèi)分別于1963、1974、1985年建成新豐江、楓樹壩、白盆珠三大控制性水庫，三大水庫控制集雨面積占東江博羅水文站以上流域面積的46. 3%，是東江水量調(diào)度的控制性水利工程，干流有龍川、河源、嶺下、博羅4個(gè)水文站，其中博羅站為東江總控制站。從2008年開始實(shí)施的水量調(diào)度對(duì)發(fā)揮東江流域水資源綜合效益、保障供水安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境起到了重要作用。

本文的研究數(shù)據(jù)有雨量、水庫入庫出庫流量、干流控制斷面流量：①雨量數(shù)據(jù)來源于東江流域內(nèi)73個(gè)降水站點(diǎn)1979年1月至2023年4月逐日降水資料，流域面降水量采用泰森多邊形法計(jì)算得到；②三大水庫建庫以來日均入庫、出庫流量；③1956年1 月至2023 年3 月博羅、龍川站斷面日均流量。以上數(shù)據(jù)來源可靠，通過水文資料“三性審查”，確保其準(zhǔn)確、可靠。

1. 2研究方法

1. 2. 1MK趨勢(shì)、突變檢驗(yàn)

在時(shí)間序列趨勢(shì)檢驗(yàn)分析中，世界氣象組織推薦使用Mann－Kendall 檢驗(yàn)方法（MK 趨勢(shì)檢驗(yàn)），MK檢驗(yàn)是一種考慮異常值并接受獨(dú)立數(shù)據(jù)的非參數(shù)檢驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于水文氣象數(shù)據(jù)分析［14］。MK檢驗(yàn)不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常數(shù)值的干擾，所以對(duì)于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)比較適合，同時(shí)有計(jì)算簡單、意義明確的優(yōu)點(diǎn)［15-16］。在近些年的研究中，MK 趨勢(shì)檢驗(yàn)方法被普遍用于分析降水、徑流、氣溫等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化。

MK趨勢(shì)檢驗(yàn)的基本步驟如下［17］。

a）提出2個(gè)假設(shè)。零假設(shè)（H0）：數(shù)據(jù)集中沒有趨勢(shì)；備擇假設(shè)（H1）：數(shù)據(jù)集中存在趨勢(shì)。

b）排序數(shù)據(jù)。對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，得到一個(gè)新的排列。

c）計(jì)算統(tǒng)計(jì)量。定義檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S。

該統(tǒng)計(jì)量表示同號(hào)排列（上升或下降）的數(shù)量減去反號(hào)排列的數(shù)量。

d）計(jì)算p 值。根據(jù)Mann-Kendall 統(tǒng)計(jì)量的分布，計(jì)算p 值。p 值表示零假設(shè)被拒絕的概率。

e）判斷。判斷p 值是否小于顯著性水平，通常選擇0. 05。如果p 值小于顯著性水平，則拒絕零假設(shè)，表示數(shù)據(jù)集中存在趨勢(shì)。

Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)之一是它不依賴于數(shù)據(jù)的分布，適用于非正態(tài)分布的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。這使得它在不同類型的數(shù)據(jù)集上具有廣泛的適用性。

1. 2. 2 低流量事件選取——連續(xù)滑動(dòng)平均窗口

滑動(dòng)窗口是指數(shù)據(jù)流上的一個(gè)區(qū)間，窗口中保存著數(shù)據(jù)流中最新進(jìn)來的T 個(gè)數(shù)據(jù)，隨著數(shù)據(jù)流上新的數(shù)據(jù)的到來，窗口隊(duì)列不斷更新第T+1數(shù)據(jù)進(jìn)入，同時(shí)丟棄最早的一個(gè)數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)先出機(jī)制，保障窗口中總有T 個(gè)數(shù)據(jù)［18-19］。參考這一滑動(dòng)窗口的思想，本文對(duì)低流量事件選取步驟如下：①采用固定大小的滑動(dòng)窗口t，分別計(jì)算窗口內(nèi)的平均流量，以窗口內(nèi)最小日期為索引重新建立新序列；②確定未達(dá)標(biāo)流量閾值m，在滑動(dòng)窗口序列中選取所有未達(dá)標(biāo)樣本組成新序列；③序列中索引為連續(xù)日期的樣本點(diǎn)為一次事件。

根據(jù)不同的研究目標(biāo)與低流量事件的判定規(guī)則，滑動(dòng)窗口t 的選擇有所不同，需注意的是，滑動(dòng)窗口不宜過大，當(dāng)窗口過大時(shí)會(huì)縮小化極端事件。本文選取的滑動(dòng)窗口t 為3。

1. 2. 3相似事件識(shí)別——多變量動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整

多變量動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（Multivariate Dynamic Time Warping，MDTW）算法用于度量多維時(shí)間序列之間的相似性，是動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法的多維擴(kuò)展，考慮每個(gè)維度上的距離度量和對(duì)齊路徑的形狀。遞歸公式見式（3），以最小化從成本矩陣的左下角到右上角的路徑上的元素的總和。這條路徑被稱為扭曲路徑，在成本矩陣的每個(gè)元素處，路徑向右、向上或向右對(duì)角向上［20］。

對(duì)于MDTW計(jì)算有2個(gè)方法：其一為計(jì)算單變量DTW下獨(dú)立測(cè)量的所有維度的累積距離；其二為依賴DTW，計(jì)算多維向量空間下的兩點(diǎn)之間的歐幾里得距離［21］。

本研究中，以降水、三大水庫入庫流量為研究對(duì)象建立多維時(shí)間序列，通過識(shí)別分水方案實(shí)施前博羅斷面低流量事件，匹配水量調(diào)度實(shí)施后的相似流量事件，通過對(duì)三大水庫的出庫流量變化以及博羅斷面和龍川斷面流量的達(dá)標(biāo)率，對(duì)水量調(diào)度實(shí)施的效果進(jìn)行分析。

2研究結(jié)果

2. 1東江流域來水情況分析

東江流域來水時(shí)空分布不均，結(jié)合水量調(diào)度工作需求，時(shí)間上按照汛期（4—9月）、枯水期（10月至次年3月）2個(gè)時(shí)間段進(jìn)行分析。根據(jù)東江流域面平均降水量，三大水庫入庫流量以及斷面平均流量，反映東江流域來水年際變化過程。圖2、3分別表示東江流域汛期和枯水期降雨總量、平均入庫流量以及斷面流量變化趨勢(shì)，表1為對(duì)應(yīng)的具體趨勢(shì)分析情況。整體上看，汛期降雨總量、平均入庫流量以及斷面流量的趨勢(shì)線斜率均小于0，但其p 值均大于0. 05，說明汛期總降水，三大水庫入庫水量均有減小趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不顯著；與汛期相比，枯水期總降水量、新豐江水庫和白盆珠水庫入庫流量略微減少，其p 值均大于0. 05，變化不顯著；楓樹壩水庫位于東江流域上游區(qū)域，其入庫流量趨勢(shì)變化斜率為-0. 45，p 值為0. 04，一定程度上反映出上游來水有著顯著減少的趨勢(shì)。在自然條件變化以及流域內(nèi)人為活動(dòng)的影響下，東江流域降雨和來水量有著略微減少的趨勢(shì)，但枯水期博羅、龍川斷面流量均有增多趨勢(shì)。經(jīng)計(jì)算，枯水期博羅斷面流量變化趨勢(shì)斜率為1. 20，p 值為0. 09；龍川斷面流量變化趨勢(shì)斜率為0. 79，p 值為0. 01，顯著增多。

流域內(nèi)降雨徑流年際變化反映出人為調(diào)控對(duì)汛期、枯水期的流量過程有著一定的影響。汛期，博羅、龍川斷面徑流量降低，一是降雨來水偏少，自然條件下博羅斷面的整體流量減少；二是在實(shí)施水量調(diào)度后，三大水庫實(shí)現(xiàn)汛期的“蓄豐”功能，一定程度上減少了出庫流量。相反，在枯水期，三大水庫實(shí)現(xiàn)“補(bǔ)枯”功能，合理地控制了水庫的出庫流量，使得枯水期的斷面流量得到了改善。在降雨來水有略微減少趨勢(shì)的情況下，枯水期博羅、龍川斷面的流量增多，供水安全得到了改善與保障。總體上來說，東江流域降雨和來水情況未發(fā)生顯著改變，水量調(diào)度實(shí)施前后的來水狀況相似，但人為調(diào)蓄作用對(duì)汛期、枯水期重要斷面流量變化影響較大。

2. 2重要斷面達(dá)標(biāo)率分析

枯水期通過三大水庫放水進(jìn)行水量調(diào)節(jié)，盡可能使下游各斷面流量達(dá)到最小流量要求，以保障流域內(nèi)的用水需求。東江流域枯水期水量調(diào)度對(duì)控制斷面最小控制流量要求如下：博羅站最小下泄流量為320 m³/s，龍川、博羅斷面生態(tài)基流分別不小于35 m³/s、不小于79 m³/s。根據(jù)分水方案制定目標(biāo)，供水保障分析以博羅、龍川水文站枯水期流量為分析對(duì)象，從枯水期平均流量、最小日均流量、達(dá)標(biāo)率、枯水徑流占全年百分比等幾個(gè)指標(biāo)，對(duì)調(diào)度前后枯水年情況、三大水庫建庫以來情況進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)GB/T 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》，設(shè)定距平百分率P 作為劃分徑流豐平枯的標(biāo)準(zhǔn)（距平百分率P=（某年年徑流量-多年平均徑流量）/多年平均徑流量×100%），當(dāng)P≤-10%時(shí)，定為枯水年。本文通過博羅斷面年均流量劃分東江流域枯水年，博羅斷面流量距平百分率變化見圖4。自1956—2008年，Plt;-10%的年份共有22場，水量調(diào)度實(shí)施前枯水年概率為42%；2008—2022年，Plt;-10%的年份共有6場，實(shí)施后枯水年發(fā)生概率為40%，調(diào)度前后枯水年發(fā)生概率未有明顯變化。博羅、龍川斷面特征指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表見表2。由表2知，水量調(diào)度實(shí)施后博羅站枯水年枯水期平均流量為342 m³/s，較調(diào)度前的320m³/s增多7%，最小日均流量為53. 9 m³/s，比調(diào)度前增加125%；龍川站枯水年枯水期平均流量為143m³/s，較水量調(diào)度實(shí)施前的85. 6 m³/s增加了67%，最小日均流量為11. 6 m³/s，與水量調(diào)度實(shí)施前最小流量基本持平。圖5揭示了博羅、龍川站的枯水年達(dá)標(biāo)率變化，相較于水量調(diào)度實(shí)施前，博羅站日均流量達(dá)標(biāo)率由42%提升到59%，枯水期的徑流量占年徑流量的百分比也得到了明顯的提高，由26%提高到36%；龍川站日均流量達(dá)標(biāo)率由86% 提升到98%，枯水期的徑流量占年徑流量的百分比由28%提高到38%。自建庫以來，博羅、龍川站平均流量較調(diào)度前分別提升4%、23%，日均流量達(dá)標(biāo)率均提升5%，調(diào)度效果顯著。

通過上述分析可得，水量調(diào)度實(shí)施后，枯水期博羅斷面的平均流量、最小日均流量得到了顯著的提升，龍川斷面流量也較調(diào)度前得到極大的改善；博羅、龍川斷面日均流量達(dá)標(biāo)率有了顯著的增長，枯水期徑流量占全年百分比有了很大的提升，水量調(diào)度效果顯著，下游供水安全得到了保障。

2. 3典型事件流量變化分析

博羅斷面作為東江流域控制總站，其流量變化極大影響著下游取水用戶的用水安全。根據(jù)上述分析，通過連續(xù)滑動(dòng)平均窗口方法，設(shè)置滑動(dòng)窗口為3，博羅控制總站的流量閾值為320 m³/s，共挑選出事件場數(shù)159場。在水量調(diào)度實(shí)施之前，根據(jù)博羅斷面達(dá)標(biāo)率，對(duì)達(dá)標(biāo)率前5低年份中的低流量事件進(jìn)行篩選，共選出4場典型低流量事件為研究對(duì)象，根據(jù)三大水庫日均入庫流量以及總降水量，通過MDTW方法，計(jì)算相同事件長度下的最低距離，選出水量調(diào)度實(shí)施后的相似時(shí)間段。典型事件見表3。

分別計(jì)算不同事件下三大水庫的出庫流量與出庫標(biāo)準(zhǔn)差，以及重要斷面的平均流量與達(dá)標(biāo)率，從流量大小與穩(wěn)定性兩方面，說明水量調(diào)度的實(shí)施對(duì)出庫過程的影響。入庫過程見圖6，出庫過程見圖7，典型事件統(tǒng)計(jì)特征對(duì)比見表4。在相似降水和入庫條件下，三大水庫的出庫流量顯著增加，標(biāo)準(zhǔn)差明顯減小。在事件1中，水量調(diào)度實(shí)施前三大水庫平均入庫流量為122 m³/s，相似條件下的入庫流量為130 m³/s；水量調(diào)度實(shí)施后三大水庫的平均出庫流量由實(shí)施前的164 m3/s提升至247 m3/s，較實(shí)施前增加51%；三大水庫的出庫流量標(biāo)準(zhǔn)差均有明顯降低，其中新豐江水庫的出庫流量標(biāo)準(zhǔn)差從52. 1m3/s降低到18. 9 m3/s，楓樹壩水庫的標(biāo)準(zhǔn)差從23. 4m3/s減少到7. 02 m3/s，白盆珠水庫的標(biāo)準(zhǔn)差從3. 43m3/s減小到1. 84 m3/s，調(diào)度后確保了出庫過程的穩(wěn)定性，具有更加穩(wěn)定的供水能力。在相同的來水條件下，通過實(shí)施水量調(diào)度，博羅斷面流量從276 m³/s提高到387 m³/s，龍川斷面流量從54. 6 m³/s提高到127 m³/s，斷面流量提高效果顯著，博羅斷面達(dá)標(biāo)率由30% 上升至100%，龍川斷面則從85% 提升到100%。事件2—4規(guī)律與事件1相同，博羅斷面流量分別由292、269、201 m³/s提高到419、343、375 m³/s，龍川斷面流量分別由99、57、63 m³/s提高到422、65、101 m³/s，調(diào)度后博羅、龍川斷面流量均達(dá)到調(diào)度目標(biāo)。

通過上述分析可得，在降雨和來水相似情況下，面對(duì)低流量事件，實(shí)施水量調(diào)度后三大水庫平均出庫流量顯著增加，標(biāo)準(zhǔn)差顯著減小，出庫更加穩(wěn)定；博羅、龍川斷面平均流量顯著增加，供水保障程度顯著提高。三大水庫的標(biāo)準(zhǔn)差均顯著降低，進(jìn)一步證明水量調(diào)度對(duì)出庫流量穩(wěn)定性的積極影響，為保障下游供水安全提供了關(guān)鍵支持。

3結(jié)論

本研究分析了東江流域水量調(diào)度實(shí)施前后，流域內(nèi)來水變化情況、枯水年枯水期博羅、龍川斷面達(dá)標(biāo)率以及調(diào)度前典型低流量事件與相似條件下調(diào)度后的出庫過程，從流域內(nèi)來水總量、三大水庫出庫流量大小和穩(wěn)定性以及重要斷面達(dá)標(biāo)率等方面，論述水量調(diào)度的實(shí)施對(duì)枯水期三大水庫出庫過程和博羅、龍川斷面的流量影響，主要結(jié)論有以下3個(gè)方面。

a）近50a來，汛期、枯水期流域內(nèi)總降雨量與三大水庫的入庫流量并未出現(xiàn)顯著的變化，流域徑流主要來源于降雨，兩者關(guān)系密切。水量調(diào)度實(shí)施后，在降雨和來水情況未發(fā)生顯著變化的情況下，枯水期博羅、龍川斷面的流量有增加的趨勢(shì)，枯水期徑流由依賴降雨條件演變?yōu)樗畮扉l壩的補(bǔ)給調(diào)控。

b）水量調(diào)度實(shí)施前后，自然條件下東江流域枯水年出現(xiàn)概率未有顯著變化?？菟昕菟?，博羅斷面日均流量由320m³/s提升到342 m³/s，龍川斷面日均流量由85. 6 m³/s提高到143 m³/s，最小日均流量也有所提升；博羅、龍川斷面枯水期徑流量占全年百分比均有所提升，斷面的達(dá)標(biāo)率顯著提高，三大水庫充分發(fā)揮“蓄豐補(bǔ)枯”的功能，東江流域汛期、枯水期年內(nèi)徑流分配逐漸趨于均勻化。

c）在降雨來水條件不利的情況下，通過實(shí)施水量調(diào)度，使得三大水庫的出庫流量顯著增加，標(biāo)準(zhǔn)差顯著減小，流量過程更加穩(wěn)定；博羅、龍川斷面平均流量顯著增加，枯水期的供水安全得到了充分的保障。