水量調度實施對東江流域徑流影響分析

關鍵詞：趨勢檢驗；動態時間規整；滑動窗口；水量調度；相似事件識別

中圖分類號：TV21 文獻標識碼：A 文章編號：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，其承擔香港、廣州、深圳、東莞、惠州、河源近5 000萬人口的供水任務，同時兼有防洪、發電、航運、壓咸、納污等多種任務［1-2］。新豐江、楓樹壩、白盆珠水庫作為流域內的主要大型水庫（以下稱三大水庫），承載著粵港地區供水安全的作用，其流量變化對流域水資源的調控利用有著極大的影響［3-5］。水庫的人為調蓄作用，是改變河流天然徑流過程的主要原因之一，受到氣候變化、工程建設等多因素的復合影響，水庫在不同的時間段發揮著不同的作用［6-8］。為加強東江水資源的統一管理、科學調配和有效保護，2008年8月，廣東省政府頒布實施《廣東省東江流域水資源分配方案》，廣東省東江局根據來水預測、水庫蓄水情況以及各有關地級以上市用水計劃和水庫運行調度方案編制廣東省東江流域枯水期水量調度計劃，加強新豐江、楓樹壩、白盆珠三大水庫聯合優化調度工作。因此，對東江流域水量調度實施效果進行分析，對東江流域水量調度的實施乃至區域可持續發展有著重要的意義。

李寧等［9］從現行調度模式，三大水庫聯合調度特點等方面，分析了東江分水方案出臺實施后，近10 a社會效益與發電效益的改變；劉金鳳［10］從供水保障、水環境、壓咸效果、水庫運用及發電效益分析了調度實施前10 a與后10 a的差異，東江流域水量調度工作對廣東經濟社會發展有著重大意義；劉家福等［11］通過對鑒江干流枯水期水量調度前后流量變化分析，說明實施水量調度在防洪和水資源調配中發揮了極其重要的作用；呂樂婷等［12］發現旱季徑流逐漸由純粹依賴降雨演變為更多由人工水庫、閘壩等補給調控，即人類活動對東江徑流的影響有增強趨勢；陳艷等［13］對北江流域控制斷面生態流量的現狀保障情況進行分析，提出水庫群調度模型，保障枯水期生態流量全面達標。

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據，分析東江流域1979年至今來水情況變化；同時從調度實施前后，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，分析總結水量調度實施后所取得的效果，以期為東江流域的水資源合理規劃、開發、利用提供參考。主要分析內容有：①調度前后，東江流域降雨來水情況是否發生顯著改變；②調度方案實施后，枯水年枯水期重要斷面的達標率變化；③降雨來水相對偏少的情況下，三大水庫的出庫流量穩定性是否有所提升，以及供水安全是否得到保障。

1研究區域、數據與方法

1. 1研究區域與數據

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濟中心廣州市，西北部與粵北山區韶關和清遠兩市相接，東部與粵東梅汕地區為鄰。

東江為珠江的一級支流，流域總面積約為3. 5萬 km²，其干流全長約560 km，流域屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫約為21 ℃，年均降雨約為1 800 mm。流域內分別于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%，是東江水量調度的控制性水利工程，干流有龍川、河源、嶺下、博羅4個水文站，其中博羅站為東江總控制站。從2008年開始實施的水量調度對發揮東江流域水資源綜合效益、保障供水安全、保護生態環境起到了重要作用。

本文的研究數據有雨量、水庫入庫出庫流量、干流控制斷面流量：①雨量數據來源于東江流域內73個降水站點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。以上數據來源可靠，通過水文資料“三性審查”，確保其準確、可靠。

1. 2研究方法

1. 2. 1MK趨勢、突變檢驗

在時間序列趨勢檢驗分析中，世界氣象組織推薦使用Mann－Kendall 檢驗方法（MK 趨勢檢驗），MK檢驗是一種考慮異常值并接受獨立數據的非參數檢驗，廣泛應用于水文氣象數據分析［14］。MK檢驗不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常數值的干擾，所以對于水文、氣象等非正態分布的數據比較適合，同時有計算簡單、意義明確的優點［15-16］。在近些年的研究中，MK 趨勢檢驗方法被普遍用于分析降水、徑流、氣溫等要素時間序列的趨勢變化。

MK趨勢檢驗的基本步驟如下［17］。

a）提出2個假設。零假設（H0）：數據集中沒有趨勢；備擇假設（H1）：數據集中存在趨勢。

b）排序數據。對時間序列數據進行排序，得到一個新的排列。

c）計算統計量。定義檢驗統計量S。

該統計量表示同號排列（上升或下降）的數量減去反號排列的數量。

d）計算p 值。根據Mann-Kendall 統計量的分布，計算p 值。p 值表示零假設被拒絕的概率。

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，表示數據集中存在趨勢。

Mann-Kendall 趨勢檢驗的優點之一是它不依賴于數據的分布，適用于非正態分布的時間序列數據。這使得它在不同類型的數據集上具有廣泛的適用性。

1. 2. 2 低流量事件選取——連續滑動平均窗口

滑動窗口是指數據流上的一個區間，窗口中保存著數據流中最新進來的T 個數據，隨著數據流上新的數據的到來，窗口隊列不斷更新第T+1數據進入，同時丟棄最早的一個數據，采用先進先出機制，保障窗口中總有T 個數據［18-19］。參考這一滑動窗口的思想，本文對低流量事件選取步驟如下：①采用固定大小的滑動窗口t，分別計算窗口內的平均流量，以窗口內最小日期為索引重新建立新序列；②確定未達標流量閾值m，在滑動窗口序列中選取所有未達標樣本組成新序列；③序列中索引為連續日期的樣本點為一次事件。

根據不同的研究目標與低流量事件的判定規則，滑動窗口t 的選擇有所不同，需注意的是，滑動窗口不宜過大，當窗口過大時會縮小化極端事件。本文選取的滑動窗口t 為3。

1. 2. 3相似事件識別——多變量動態時間規整

多變量動態時間規整（Multivariate Dynamic Time Warping，MDTW）算法用于度量多維時間序列之間的相似性，是動態時間規整算法的多維擴展，考慮每個維度上的距離度量和對齊路徑的形狀。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，在成本矩陣的每個元素處，路徑向右、向上或向右對角向上［20］。

對于MDTW計算有2個方法：其一為計算單變量DTW下獨立測量的所有維度的累積距離；其二為依賴DTW，計算多維向量空間下的兩點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象建立多維時間序列，通過識別分水方案實施前博羅斷面低流量事件，匹配水量調度實施后的相似流量事件，通過對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標率，對水量調度實施的效果進行分析。

2研究結果

2. 1東江流域來水情況分析

東江流域來水時空分布不均，結合水量調度工作需求，時間上按照汛期（4—9月）、枯水期（10月至次年3月）2個時間段進行分析。根據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，表1為對應的具體趨勢分析情況。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，但變化趨勢不顯著；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域，其入庫流量趨勢變化斜率為-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。在自然條件變化以及流域內人為活動的影響下，東江流域降雨和來水量有著略微減少的趨勢，但枯水期博羅、龍川斷面流量均有增多趨勢。經計算，枯水期博羅斷面流量變化趨勢斜率為1. 20，p 值為0. 09；龍川斷面流量變化趨勢斜率為0. 79，p 值為0. 01，顯著增多。

流域內降雨徑流年際變化反映出人為調控對汛期、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；二是在實施水量調度后，三大水庫實現汛期的“蓄豐”功能，一定程度上減少了出庫流量。相反，在枯水期，三大水庫實現“補枯”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生顯著改變，水量調度實施前后的來水狀況相似，但人為調蓄作用對汛期、枯水期重要斷面流量變化影響較大。

2. 2重要斷面達標率分析

枯水期通過三大水庫放水進行水量調節，盡可能使下游各斷面流量達到最小流量要求，以保障流域內的用水需求。東江流域枯水期水量調度對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、博羅斷面生態基流分別不小于35 m³/s、不小于79 m³/s。根據分水方案制定目標，供水保障分析以博羅、龍川水文站枯水期流量為分析對象，從枯水期平均流量、最小日均流量、達標率、枯水徑流占全年百分比等幾個指標，對調度前后枯水年情況、三大水庫建庫以來情況進行對比分析。根據GB/T 22482—2008《水文情報預報規范》，設定距平百分率P 作為劃分徑流豐平枯的標準（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P≤-10%時，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，水量調度實施前枯水年概率為42%；2008—2022年，Plt;-10%的年份共有6場，實施后枯水年發生概率為40%，調度前后枯水年發生概率未有明顯變化。博羅、龍川斷面特征指標統計表見表2。由表2知，水量調度實施后博羅站枯水年枯水期平均流量為342 m³/s，較調度前的320m³/s增多7%，最小日均流量為53. 9 m³/s，比調度前增加125%；龍川站枯水年枯水期平均流量為143m³/s，較水量調度實施前的85. 6 m³/s增加了67%，最小日均流量為11. 6 m³/s，與水量調度實施前最小流量基本持平。圖5揭示了博羅、龍川站的枯水年達標率變化，相較于水量調度實施前，博羅站日均流量達標率由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%；龍川站日均流量達標率由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度前分別提升4%、23%，日均流量達標率均提升5%，調度效果顯著。

通過上述分析可得，水量調度實施后，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度前得到極大的改善；博羅、龍川斷面日均流量達標率有了顯著的增長，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。根據上述分析，通過連續滑動平均窗口方法，設置滑動窗口為3，博羅控制總站的流量閾值為320 m³/s，共挑選出事件場數159場。在水量調度實施之前，根據博羅斷面達標率，對達標率前5低年份中的低流量事件進行篩選，共選出4場典型低流量事件為研究對象，根據三大水庫日均入庫流量以及總降水量，通過MDTW方法，計算相同事件長度下的最低距離，選出水量調度實施后的相似時間段。典型事件見表3。

分別計算不同事件下三大水庫的出庫流量與出庫標準差，以及重要斷面的平均流量與達標率，從流量大小與穩定性兩方面，說明水量調度的實施對出庫過程的影響。入庫過程見圖6，出庫過程見圖7，典型事件統計特征對比見表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，標準差明顯減小。在事件1中，水量調度實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；水量調度實施后三大水庫的平均出庫流量由實施前的164 m3/s提升至247 m3/s，較實施前增加51%；三大水庫的出庫流量標準差均有明顯降低，其中新豐江水庫的出庫流量標準差從52. 1m3/s降低到18. 9 m3/s，楓樹壩水庫的標準差從23. 4m3/s減少到7. 02 m3/s，白盆珠水庫的標準差從3. 43m3/s減小到1. 84 m3/s，調度后確保了出庫過程的穩定性，具有更加穩定的供水能力。在相同的來水條件下，通過實施水量調度，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，博羅斷面達標率由30% 上升至100%，龍川斷面則從85% 提升到100%。事件2—4規律與事件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，調度后博羅、龍川斷面流量均達到調度目標。

通過上述分析可得，在降雨和來水相似情況下，面對低流量事件，實施水量調度后三大水庫平均出庫流量顯著增加，標準差顯著減小，出庫更加穩定；博羅、龍川斷面平均流量顯著增加，供水保障程度顯著提高。三大水庫的標準差均顯著降低，進一步證明水量調度對出庫流量穩定性的積極影響，為保障下游供水安全提供了關鍵支持。

3結論

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

a）近50a來，汛期、枯水期流域內總降雨量與三大水庫的入庫流量并未出現顯著的變化，流域徑流主要來源于降雨，兩者關系密切。水量調度實施后，在降雨和來水情況未發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，枯水期徑流由依賴降雨條件演變為水庫閘壩的補給調控。

b）水量調度實施前后，自然條件下東江流域枯水年出現概率未有顯著變化。枯水年枯水期，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，斷面的達標率顯著提高，三大水庫充分發揮“蓄豐補枯”的功能，東江流域汛期、枯水期年內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，通過實施水量調度，使得三大水庫的出庫流量顯著增加，標準差顯著減小，流量過程更加穩定；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。