水量调度实施对东江流域径流影响分析

关键词：趋势检验；动态时间规整；滑动窗口；水量调度；相似事件识别

中图分类号：TV21 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）11-0014-10

东江是广东省河源、惠州、广州、东莞、深圳等地市的主要供水水源，其承担香港、广州、深圳、东莞、惠州、河源近5 000万人口的供水任务，同时兼有防洪、发电、航运、压咸、纳污等多种任务［1-2］。新丰江、枫树坝、白盆珠水库作为流域内的主要大型水库（以下称三大水库），承载着粤港地区供水安全的作用，其流量变化对流域水资源的调控利用有着极大的影响［3-5］。水库的人为调蓄作用，是改变河流天然径流过程的主要原因之一，受到气候变化、工程建设等多因素的复合影响，水库在不同的时间段发挥着不同的作用［6-8］。为加强东江水资源的统一管理、科学调配和有效保护，2008年8月，广东省政府颁布实施《广东省东江流域水资源分配方案》，广东省东江局根据来水预测、水库蓄水情况以及各有关地级以上市用水计划和水库运行调度方案编制广东省东江流域枯水期水量调度计划，加强新丰江、枫树坝、白盆珠三大水库联合优化调度工作。因此，对东江流域水量调度实施效果进行分析，对东江流域水量调度的实施乃至区域可持续发展有着重要的意义。

李宁等［9］从现行调度模式，三大水库联合调度特点等方面，分析了东江分水方案出台实施后，近10 a社会效益与发电效益的改变；刘金凤［10］从供水保障、水环境、压咸效果、水库运用及发电效益分析了调度实施前10 a与后10 a的差异，东江流域水量调度工作对广东经济社会发展有着重大意义；刘家福等［11］通过对鉴江干流枯水期水量调度前后流量变化分析，说明实施水量调度在防洪和水资源调配中发挥了极其重要的作用；吕乐婷等［12］发现旱季径流逐渐由纯粹依赖降雨演变为更多由人工水库、闸坝等补给调控，即人类活动对东江径流的影响有增强趋势；陈艳等［13］对北江流域控制断面生态流量的现状保障情况进行分析，提出水库群调度模型，保障枯水期生态流量全面达标。

本研究基于东江流域1979—2023年逐日降水量、三大水库自建库以来入库出库流量以及重要断面的流量数据，分析东江流域1979年至今来水情况变化；同时从调度实施前后，枯水年三大水库枯水期的出库流量变化以及重要断面的流量变化，分析总结水量调度实施后所取得的效果，以期为东江流域的水资源合理规划、开发、利用提供参考。主要分析内容有：①调度前后，东江流域降雨来水情况是否发生显著改变；②调度方案实施后，枯水年枯水期重要断面的达标率变化；③降雨来水相对偏少的情况下，三大水库的出库流量稳定性是否有所提升，以及供水安全是否得到保障。

1研究区域、数据与方法

1. 1研究区域与数据

东江流域（图1）位于珠江流域的东北端，南临南海并毗邻香港，西南部紧靠华南最大的经济中心广州市，西北部与粤北山区韶关和清远两市相接，东部与粤东梅汕地区为邻。

东江为珠江的一级支流，流域总面积约为3. 5万 km²，其干流全长约560 km，流域属亚热带季风气候，年均气温约为21 ℃，年均降雨约为1 800 mm。流域内分别于1963、1974、1985年建成新丰江、枫树坝、白盆珠三大控制性水库，三大水库控制集雨面积占东江博罗水文站以上流域面积的46. 3%，是东江水量调度的控制性水利工程，干流有龙川、河源、岭下、博罗4个水文站，其中博罗站为东江总控制站。从2008年开始实施的水量调度对发挥东江流域水资源综合效益、保障供水安全、保护生态环境起到了重要作用。

本文的研究数据有雨量、水库入库出库流量、干流控制断面流量：①雨量数据来源于东江流域内73个降水站点1979年1月至2023年4月逐日降水资料，流域面降水量采用泰森多边形法计算得到；②三大水库建库以来日均入库、出库流量；③1956年1 月至2023 年3 月博罗、龙川站断面日均流量。以上数据来源可靠，通过水文资料“三性审查”，确保其准确、可靠。

1. 2研究方法

1. 2. 1MK趋势、突变检验

在时间序列趋势检验分析中，世界气象组织推荐使用Mann－Kendall 检验方法（MK 趋势检验），MK检验是一种考虑异常值并接受独立数据的非参数检验，广泛应用于水文气象数据分析［14］。MK检验不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常数值的干扰，所以对于水文、气象等非正态分布的数据比较适合，同时有计算简单、意义明确的优点［15-16］。在近些年的研究中，MK 趋势检验方法被普遍用于分析降水、径流、气温等要素时间序列的趋势变化。

MK趋势检验的基本步骤如下［17］。

a）提出2个假设。零假设（H0）：数据集中没有趋势；备择假设（H1）：数据集中存在趋势。

b）排序数据。对时间序列数据进行排序，得到一个新的排列。

c）计算统计量。定义检验统计量S。

该统计量表示同号排列（上升或下降）的数量减去反号排列的数量。

d）计算p 值。根据Mann-Kendall 统计量的分布，计算p 值。p 值表示零假设被拒绝的概率。

e）判断。判断p 值是否小于显著性水平，通常选择0. 05。如果p 值小于显著性水平，则拒绝零假设，表示数据集中存在趋势。

Mann-Kendall 趋势检验的优点之一是它不依赖于数据的分布，适用于非正态分布的时间序列数据。这使得它在不同类型的数据集上具有广泛的适用性。

1. 2. 2 低流量事件选取——连续滑动平均窗口

滑动窗口是指数据流上的一个区间，窗口中保存着数据流中最新进来的T 个数据，随着数据流上新的数据的到来，窗口队列不断更新第T+1数据进入，同时丢弃最早的一个数据，采用先进先出机制，保障窗口中总有T 个数据［18-19］。参考这一滑动窗口的思想，本文对低流量事件选取步骤如下：①采用固定大小的滑动窗口t，分别计算窗口内的平均流量，以窗口内最小日期为索引重新建立新序列；②确定未达标流量阈值m，在滑动窗口序列中选取所有未达标样本组成新序列；③序列中索引为连续日期的样本点为一次事件。

根据不同的研究目标与低流量事件的判定规则，滑动窗口t 的选择有所不同，需注意的是，滑动窗口不宜过大，当窗口过大时会缩小化极端事件。本文选取的滑动窗口t 为3。

1. 2. 3相似事件识别——多变量动态时间规整

多变量动态时间规整（Multivariate Dynamic Time Warping，MDTW）算法用于度量多维时间序列之间的相似性，是动态时间规整算法的多维扩展，考虑每个维度上的距离度量和对齐路径的形状。递归公式见式（3），以最小化从成本矩阵的左下角到右上角的路径上的元素的总和。这条路径被称为扭曲路径，在成本矩阵的每个元素处，路径向右、向上或向右对角向上［20］。

对于MDTW计算有2个方法：其一为计算单变量DTW下独立测量的所有维度的累积距离；其二为依赖DTW，计算多维向量空间下的两点之间的欧几里得距离［21］。

本研究中，以降水、三大水库入库流量为研究对象建立多维时间序列，通过识别分水方案实施前博罗断面低流量事件，匹配水量调度实施后的相似流量事件，通过对三大水库的出库流量变化以及博罗断面和龙川断面流量的达标率，对水量调度实施的效果进行分析。

2研究结果

2. 1东江流域来水情况分析

东江流域来水时空分布不均，结合水量调度工作需求，时间上按照汛期（4—9月）、枯水期（10月至次年3月）2个时间段进行分析。根据东江流域面平均降水量，三大水库入库流量以及断面平均流量，反映东江流域来水年际变化过程。图2、3分别表示东江流域汛期和枯水期降雨总量、平均入库流量以及断面流量变化趋势，表1为对应的具体趋势分析情况。整体上看，汛期降雨总量、平均入库流量以及断面流量的趋势线斜率均小于0，但其p 值均大于0. 05，说明汛期总降水，三大水库入库水量均有减小趋势，但变化趋势不显著；与汛期相比，枯水期总降水量、新丰江水库和白盆珠水库入库流量略微减少，其p 值均大于0. 05，变化不显著；枫树坝水库位于东江流域上游区域，其入库流量趋势变化斜率为-0. 45，p 值为0. 04，一定程度上反映出上游来水有着显著减少的趋势。在自然条件变化以及流域内人为活动的影响下，东江流域降雨和来水量有着略微减少的趋势，但枯水期博罗、龙川断面流量均有增多趋势。经计算，枯水期博罗断面流量变化趋势斜率为1. 20，p 值为0. 09；龙川断面流量变化趋势斜率为0. 79，p 值为0. 01，显著增多。

流域内降雨径流年际变化反映出人为调控对汛期、枯水期的流量过程有着一定的影响。汛期，博罗、龙川断面径流量降低，一是降雨来水偏少，自然条件下博罗断面的整体流量减少；二是在实施水量调度后，三大水库实现汛期的“蓄丰”功能，一定程度上减少了出库流量。相反，在枯水期，三大水库实现“补枯”功能，合理地控制了水库的出库流量，使得枯水期的断面流量得到了改善。在降雨来水有略微减少趋势的情况下，枯水期博罗、龙川断面的流量增多，供水安全得到了改善与保障。总体上来说，东江流域降雨和来水情况未发生显著改变，水量调度实施前后的来水状况相似，但人为调蓄作用对汛期、枯水期重要断面流量变化影响较大。

2. 2重要断面达标率分析

枯水期通过三大水库放水进行水量调节，尽可能使下游各断面流量达到最小流量要求，以保障流域内的用水需求。东江流域枯水期水量调度对控制断面最小控制流量要求如下：博罗站最小下泄流量为320 m³/s，龙川、博罗断面生态基流分别不小于35 m³/s、不小于79 m³/s。根据分水方案制定目标，供水保障分析以博罗、龙川水文站枯水期流量为分析对象，从枯水期平均流量、最小日均流量、达标率、枯水径流占全年百分比等几个指标，对调度前后枯水年情况、三大水库建库以来情况进行对比分析。根据GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》，设定距平百分率P 作为划分径流丰平枯的标准（距平百分率P=（某年年径流量-多年平均径流量）/多年平均径流量×100%），当P≤-10%时，定为枯水年。本文通过博罗断面年均流量划分东江流域枯水年，博罗断面流量距平百分率变化见图4。自1956—2008年，Plt;-10%的年份共有22场，水量调度实施前枯水年概率为42%；2008—2022年，Plt;-10%的年份共有6场，实施后枯水年发生概率为40%，调度前后枯水年发生概率未有明显变化。博罗、龙川断面特征指标统计表见表2。由表2知，水量调度实施后博罗站枯水年枯水期平均流量为342 m³/s，较调度前的320m³/s增多7%，最小日均流量为53. 9 m³/s，比调度前增加125%；龙川站枯水年枯水期平均流量为143m³/s，较水量调度实施前的85. 6 m³/s增加了67%，最小日均流量为11. 6 m³/s，与水量调度实施前最小流量基本持平。图5揭示了博罗、龙川站的枯水年达标率变化，相较于水量调度实施前，博罗站日均流量达标率由42%提升到59%，枯水期的径流量占年径流量的百分比也得到了明显的提高，由26%提高到36%；龙川站日均流量达标率由86% 提升到98%，枯水期的径流量占年径流量的百分比由28%提高到38%。自建库以来，博罗、龙川站平均流量较调度前分别提升4%、23%，日均流量达标率均提升5%，调度效果显著。

通过上述分析可得，水量调度实施后，枯水期博罗断面的平均流量、最小日均流量得到了显著的提升，龙川断面流量也较调度前得到极大的改善；博罗、龙川断面日均流量达标率有了显著的增长，枯水期径流量占全年百分比有了很大的提升，水量调度效果显著，下游供水安全得到了保障。

2. 3典型事件流量变化分析

博罗断面作为东江流域控制总站，其流量变化极大影响着下游取水用户的用水安全。根据上述分析，通过连续滑动平均窗口方法，设置滑动窗口为3，博罗控制总站的流量阈值为320 m³/s，共挑选出事件场数159场。在水量调度实施之前，根据博罗断面达标率，对达标率前5低年份中的低流量事件进行筛选，共选出4场典型低流量事件为研究对象，根据三大水库日均入库流量以及总降水量，通过MDTW方法，计算相同事件长度下的最低距离，选出水量调度实施后的相似时间段。典型事件见表3。

分别计算不同事件下三大水库的出库流量与出库标准差，以及重要断面的平均流量与达标率，从流量大小与稳定性两方面，说明水量调度的实施对出库过程的影响。入库过程见图6，出库过程见图7，典型事件统计特征对比见表4。在相似降水和入库条件下，三大水库的出库流量显著增加，标准差明显减小。在事件1中，水量调度实施前三大水库平均入库流量为122 m³/s，相似条件下的入库流量为130 m³/s；水量调度实施后三大水库的平均出库流量由实施前的164 m³/s提升至247 m³/s，较实施前增加51%；三大水库的出库流量标准差均有明显降低，其中新丰江水库的出库流量标准差从52. 1m³/s降低到18. 9 m³/s，枫树坝水库的标准差从23. 4m³/s减少到7. 02 m³/s，白盆珠水库的标准差从3. 43m³/s减小到1. 84 m³/s，调度后确保了出库过程的稳定性，具有更加稳定的供水能力。在相同的来水条件下，通过实施水量调度，博罗断面流量从276 m³/s提高到387 m³/s，龙川断面流量从54. 6 m³/s提高到127 m³/s，断面流量提高效果显著，博罗断面达标率由30% 上升至100%，龙川断面则从85% 提升到100%。事件2—4规律与事件1相同，博罗断面流量分别由292、269、201 m³/s提高到419、343、375 m³/s，龙川断面流量分别由99、57、63 m³/s提高到422、65、101 m³/s，调度后博罗、龙川断面流量均达到调度目标。

通过上述分析可得，在降雨和来水相似情况下，面对低流量事件，实施水量调度后三大水库平均出库流量显著增加，标准差显著减小，出库更加稳定；博罗、龙川断面平均流量显著增加，供水保障程度显著提高。三大水库的标准差均显著降低，进一步证明水量调度对出库流量稳定性的积极影响，为保障下游供水安全提供了关键支持。

3结论

本研究分析了东江流域水量调度实施前后，流域内来水变化情况、枯水年枯水期博罗、龙川断面达标率以及调度前典型低流量事件与相似条件下调度后的出库过程，从流域内来水总量、三大水库出库流量大小和稳定性以及重要断面达标率等方面，论述水量调度的实施对枯水期三大水库出库过程和博罗、龙川断面的流量影响，主要结论有以下3个方面。

a）近50a来，汛期、枯水期流域内总降雨量与三大水库的入库流量并未出现显著的变化，流域径流主要来源于降雨，两者关系密切。水量调度实施后，在降雨和来水情况未发生显著变化的情况下，枯水期博罗、龙川断面的流量有增加的趋势，枯水期径流由依赖降雨条件演变为水库闸坝的补给调控。

b）水量调度实施前后，自然条件下东江流域枯水年出现概率未有显著变化。枯水年枯水期，博罗断面日均流量由320m³/s提升到342 m³/s，龙川断面日均流量由85. 6 m³/s提高到143 m³/s，最小日均流量也有所提升；博罗、龙川断面枯水期径流量占全年百分比均有所提升，断面的达标率显著提高，三大水库充分发挥“蓄丰补枯”的功能，东江流域汛期、枯水期年内径流分配逐渐趋于均匀化。

c）在降雨来水条件不利的情况下，通过实施水量调度，使得三大水库的出库流量显著增加，标准差显著减小，流量过程更加稳定；博罗、龙川断面平均流量显著增加，枯水期的供水安全得到了充分的保障。