張正浩，張　強(qiáng),*，肖名忠，張　弛

1 中山大學(xué),水資源與環(huán)境系, 廣州　510275 2 中山大學(xué), 華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州　510275 3 大連理工大學(xué), 建設(shè)工程學(xué)部 水資源與防洪研究所, 大連　116024

?

遼河流域豐枯遭遇下水庫調(diào)度

張正浩1,2，張強(qiáng)1,2,*，肖名忠1,2，張弛3

1 中山大學(xué),水資源與環(huán)境系, 廣州510275 2 中山大學(xué), 華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州510275 3 大連理工大學(xué), 建設(shè)工程學(xué)部 水資源與防洪研究所, 大連116024

摘要:利用Copula函數(shù)分析遼河流域水庫入庫流量邊緣分布及其生態(tài)徑流量，得出水庫可調(diào)水范圍，在滿足生態(tài)流量基礎(chǔ)上，保障遼河流域城市供水。研究表明：(1)英那河與張家堡水庫入庫流量以對數(shù)正態(tài)分布為最佳邊緣分布，其余水庫入庫流量最佳邊緣分布均為廣義極值分布，同時(shí)，Gumbel Copula與Frank Copula函數(shù)對水庫入庫流量擬合效果最優(yōu)；(2)7組水庫組合中有3組水庫組合入庫流量(白石與錦凌、白石與青山、張家堡與碧流河)豐枯異步概率高于豐枯同步概率，且枯枯遭遇概率較低，分別為13%，12%以及13%。其余4組水庫組合枯枯遭遇概率皆高于27%，水庫間入庫水文過程發(fā)生同枯概率可能性較大；(3)使用90%保證率逐月頻率計(jì)算法所求流量是遼河流域9個(gè)水庫的最佳生態(tài)徑流量。(4)枯水月水庫間易發(fā)生枯枯遭遇，當(dāng)水庫間入庫徑流皆低于最小生態(tài)徑流標(biāo)準(zhǔn)，水庫無法對各自調(diào)水城市進(jìn)行供水調(diào)度，其中，大伙房與桓仁、白石與錦凌、白石與青山主要在1、2月無法對沈陽、凌海和綏中縣進(jìn)行輸水，桓仁與清河水庫僅在2002年5月無法對開原進(jìn)行供水，此時(shí)需考慮水庫提前蓄水以滿足城市用水需求。碧流河、英那河和張家堡水庫雖兩兩存在無法輸水情況，但可三者聯(lián)動對大連進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，緩解無法輸水問題。

關(guān)鍵詞：邊緣分布；Copula函數(shù)；豐枯遭遇；生態(tài)徑流；水庫調(diào)度

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源供需矛盾愈發(fā)突出，水庫作為調(diào)蓄的主要工程手段，在水資源的優(yōu)化配置中發(fā)揮著愈益重要的作用。分析不同區(qū)域水庫來水豐枯遭遇，對水資源的區(qū)域再分配過程有著重要的意義[1]。豐枯遭遇事件涉及兩兩水庫的入庫流量，需要多變量的方法進(jìn)行分析。另外，在保障供水的同時(shí)，考慮人類供水、水庫與生態(tài)系統(tǒng)三者共同需求已成為流域水庫調(diào)度與水資源配置的重點(diǎn)[2- 3]。郭生練等[4]使用Copula對南水北調(diào)中線工程水源區(qū)與各受水區(qū)的豐枯遭遇進(jìn)行了進(jìn)一步研究。牛軍宜等[5]利用三維Copula函數(shù)構(gòu)造了陡河水庫、潘家口水庫和于橋水庫年入庫天然徑流系列的三維聯(lián)合分布，然后利用此聯(lián)合分布計(jì)算了這3個(gè)水庫年天然來水量豐枯遭遇的概率。在流域生態(tài)徑流研究方面，張強(qiáng)等[6]系統(tǒng)分析了東江流域生態(tài)徑流，楊揚(yáng)[7]使用逐月最小生態(tài)徑流法與逐月頻率計(jì)算法對大伙房、桓仁和碧流河水庫入庫徑流進(jìn)行了生態(tài)流量的分析。前人的研究主要集中于水庫多目標(biāo)調(diào)度[7- 9]，往往分開對豐枯遭遇與生態(tài)需水進(jìn)行單獨(dú)研究，本文采用Copula函數(shù)同時(shí)考慮水庫入流豐枯遭遇概率以及最小生態(tài)基流的水庫聯(lián)合調(diào)水問題，不僅能夠?yàn)樗畮煺{(diào)度研究提供新的思路，其研究成果也將進(jìn)一步完善水庫間調(diào)度的解決方法，為水庫調(diào)度提供重要的指導(dǎo)建議。

水資源短缺是遼寧的基本省情，水資源總量逐年減少、時(shí)空分布不均、開發(fā)利用程度高是遼寧的基本水情。根據(jù)遼寧水資源東多西少的分布現(xiàn)狀，通過由源頭、北線和南線三線水庫組成的“東水濟(jì)西”水資源配置格局，能有效解決遼寧水資源短缺問題。在水庫豐枯遭遇研究中，枯水月水庫間易發(fā)生枯枯型遭遇，枯枯型遭遇發(fā)生時(shí)，水庫入庫流量較少，當(dāng)水庫間入庫徑流皆低于最小生態(tài)徑流標(biāo)準(zhǔn)，水庫無法對各自調(diào)水城市進(jìn)行供水調(diào)度，從而對城市用水造成極大影響。因此，研究源頭、北線和南線三線水庫間豐枯遭遇，對入庫流量作定量生態(tài)分析，不僅可以為遼河流域城市間輸水用水提供解決方案，更能使水庫徑流生態(tài)系統(tǒng)不因調(diào)水而受到破壞，其研究結(jié)果對維系遼河流域水庫生態(tài)系統(tǒng)以及遼寧省城市水資源配置具有重大意義?；诖?，本文選擇遼河流域源頭、北線和南線三線9個(gè)水庫進(jìn)行分析，探討近50年來水庫間豐枯遭遇情況，同時(shí)研究各水庫生態(tài)徑流，結(jié)合水庫豐枯遭遇與生態(tài)徑流情況對輸水城市進(jìn)行水庫生態(tài)調(diào)度，為遼河流域水庫水資源的優(yōu)化配置和區(qū)域水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)域和數(shù)據(jù)介紹

遼河流域地處我國東北地區(qū)，主要河流包括東遼河、西遼河、遼河干流和渾太河，地跨遼、吉、蒙、冀4省，流域面積21.9×108km2，多年平均降水量在300—1000 mm之間。遼河流域水庫沿南中北三線分布，本文選取東北地區(qū)位于源頭、北線、南線三線9個(gè)主要水庫作為研究對象，分別是源頭：大伙房、清河、桓仁；南線：英那河、碧流河、張家堡；北線：青山、錦凌、白石共9個(gè)水庫。其中大伙房、清河、桓仁、青山、錦凌、白石水庫為1956—2006年月入庫徑流數(shù)據(jù)，張家堡、英那河以及碧流河水庫為1956—2004年月入庫徑流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)完好，無缺省值。

2研究方法

2.1邊緣分布選擇和參數(shù)估計(jì)

水文頻率計(jì)算的兩個(gè)基本問題是分布線型選擇和參數(shù)的估計(jì)[10]。本文使用皮爾遜三型、廣義極值分布(GEV)以及對數(shù)正態(tài)分布(LOGN)對水文變量進(jìn)行邊緣分布擬合，同時(shí)通過AIC信息準(zhǔn)則和K- S檢驗(yàn)的值檢驗(yàn)分布擬合優(yōu)度。

2.2二維Copula聯(lián)合分布函數(shù)和非參數(shù)估計(jì)

本文采用此類型二維Copula函數(shù)中的Gumbel-Hougaard、Clayton和Frank Copula函數(shù)構(gòu)建不同水庫間的徑流聯(lián)合分布函數(shù)，通過Genest和Rivest提出的非參數(shù)估計(jì)方法計(jì)算3種Copula函數(shù)[11]，再根據(jù)OLS方法選取最優(yōu)Copula函數(shù)進(jìn)行遼河流域水庫間豐枯遭遇分析。

2.3豐枯遭遇情況劃分

豐枯指標(biāo)分為豐、平、枯3級，取豐、枯水劃分的累積概率分別為pf=62.5%和pk=37.5%[1]，通過最優(yōu)二維Copula模型可對水庫與水庫豐枯的遭遇性進(jìn)行研究，兩個(gè)水庫的豐枯遭遇可以分為豐豐、豐平、豐枯、平豐、平平、平枯、枯豐、枯平、枯枯共9種情況[1]。

2.4生態(tài)徑流及計(jì)算方法

這種肉由于含有多余的水份，致使肌肉色澤變淡，或呈淡灰紅色，有的偏黃，顯得腫脹，從切面上看濕漉漉的。銷售注水肉的肉案子上通常是濕的，嚴(yán)重的有積水，可見肉販隨時(shí)用抹布在擦拭。

河流生態(tài)需水量是指滿足維持河流系統(tǒng)特定的生態(tài)與環(huán)境功能(如輸沙、防污、防止海水侵、景觀娛樂等)而消耗的水量[12]。通過生態(tài)徑流計(jì)算方法計(jì)算河道生態(tài)需水量可以為水庫調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐。本文將9個(gè)水庫多年逐月入庫徑流資料作為下游河道天然徑流系列，進(jìn)行河道最小生態(tài)徑流計(jì)算。生態(tài)徑流計(jì)算方法有最小月平均實(shí)測法[13]、逐月最小流量法[14]、逐月頻率計(jì)算法[6]、年內(nèi)展布計(jì)算法[15]，如需對以上方法做進(jìn)一步了解，可參閱相應(yīng)參考文獻(xiàn)。

3結(jié)果

3.1最優(yōu)copula函數(shù)模型的確定

3.1.1邊際最優(yōu)分布函數(shù)的確定

由表1可知，在K-S臨界值為0.054的條件下，遼河流域9個(gè)水庫的皮爾遜三型分布K-S值均高于臨界值，表明對于遼河流域9個(gè)水庫而言，皮爾遜三型分布不適合用于水庫入庫流量的擬合。除清河、英那河、張家堡水庫外，其余6個(gè)水庫的入庫徑流最優(yōu)分布為廣義極值分布。對于清河、英那河、張家堡水庫而言，清河水庫最優(yōu)分布選擇廣義極值分布。英那河水庫與清河水庫分布選取情況相反，對數(shù)正態(tài)分布的AIC值比廣義極值分布的值低，而K-S值高于廣義極值分布，因此，選擇對數(shù)正態(tài)分布為英那河水庫最優(yōu)分布。張家堡水庫對數(shù)正態(tài)分布的K-S值和AIC值均低于廣義極值分布，因此其最優(yōu)分布為對數(shù)正態(tài)分布。

K-S的臨界值K-S critical value：0.054

3.1.2最優(yōu)Copula函數(shù)的確定

本文采用普通最小準(zhǔn)則(OLS)評價(jià)Copula方法的有效性，并選取OLS最小的Copula為最優(yōu)Copula。

從表2看出，遼河流域源頭水庫(大伙房與桓仁、清河與桓仁)Gumbel Hougaard Copula函數(shù)的OLS值均低于Clayton Copula函數(shù)與Frank Copula函數(shù)的OLS值，Gumbel Hougaard Copula函數(shù)為遼河流域源頭水庫的最優(yōu)Copula函數(shù)；對于遼河流域北線水庫(白石、錦凌、青山)而言，白石與錦凌、白石與青山Frank Copula函數(shù)的OLS最小，因此，選取Frank Copula為白石與錦凌、白石與青山水庫最優(yōu)Copula函數(shù)；遼河流域南線水庫(碧流河、英那河、張家堡)三者的最優(yōu)Copula函數(shù)各不相同，其中，英那河與碧流河為Gumbel Hougaard Copula，張家堡與英那河為Frank Copula，張家堡與碧流河為Clayton Copula。3種Copula函數(shù)在遼河流域水庫與水庫間不具有基本通用性，但Gumbel Hougaard Copula與Frank Copula函數(shù)對水庫擬合效果較優(yōu)。

從圖1—圖3可以看出，對于7組水庫豐枯遭遇情況，除白石與錦凌水庫、白石與青山水庫、張家堡與碧流河3組水庫豐枯組合外，其余4組水庫豐枯組合豐枯同步的概率范圍從59%到81%，豐枯異步的概率范圍從19%到41%，枯枯遭遇的概率范圍從27%到33%，豐枯同步的概率遠(yuǎn)高于豐枯異步的概率，4組水庫豐枯組合在正常來水年發(fā)生豐枯同步的概率極高，發(fā)生枯枯遭遇這種最惡劣情況的概率也不低。白石、錦凌、青山水庫同屬遼河流域北線水庫，張家堡與碧流河水庫屬于南線水庫，3組水庫組合豐枯同步概率均低于他們各自的豐枯異步概率，同時(shí)，他們的枯枯遭遇概率僅為13%、12%和13%，相對其他4種組合而言，概率較低。為了進(jìn)一步分析遼河流域水庫豐枯遭遇情況，本文分別從水庫源頭、北線和南線進(jìn)行分析。

遼河流域源頭水庫包括大伙房水庫、清河水庫以及桓仁水庫，從圖1可知，三大水庫枯枯遭遇的概率最大，為32%與27%，豐枯遭遇與枯豐遭遇的概率最小，分別為3%與4%，這表明，三大水庫間豐枯同時(shí)出現(xiàn)的可能性極小，枯枯出現(xiàn)的概率極大，不利于水庫間的調(diào)度。圖2、圖3是北線與南線水庫豐枯遭遇情況，與其他4組水庫間組合不同，白石與錦凌、白石與青山以及張家堡與碧流河豐枯與枯豐遭遇概率皆高于其枯枯概率，如白石與錦凌的豐枯概率為15%，枯豐概率為14%，枯枯概率為13%。低枯枯遭遇概率有利于水庫對下游城市進(jìn)行調(diào)度，因此，三者對下游調(diào)水補(bǔ)給優(yōu)于其他4組水庫組合。

綜上所述，7組水庫組合僅有3組(白石與錦凌、白石與青山、張家堡與碧流河)豐枯異步概率高于豐枯同步概率，且枯枯遭遇概率較低，其余4組水庫組合枯枯遭遇概率皆高于27%，水庫間發(fā)生同枯可能性較大，在同枯遭遇下，水庫間供水量同時(shí)不足，無法為下游城市進(jìn)行有效調(diào)水，因此，有必要先考慮各水庫的生態(tài)徑流狀況，求出各水庫最小生態(tài)徑流，再結(jié)合研究中普遍采用的37.5%枯水期分界線，對水庫進(jìn)行生態(tài)徑流條件下的水庫供水調(diào)配，使水庫同時(shí)滿足生態(tài)與供水需求。

3.3遼河流域水庫生態(tài)徑流分析

遼河流域水庫最小生態(tài)徑流評價(jià)分析

本文運(yùn)用4種方法計(jì)算的遼河流域9個(gè)水庫最小生態(tài)徑流，再通過Tenant法對各種方法進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果見表3。根據(jù)Tennant法的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[16]，可知：

(1)對遼河流域9個(gè)水庫而言，最小月平均流量法計(jì)算的徑流量并不能能使棲息地質(zhì)量維持在令人滿意的標(biāo)準(zhǔn)，除了大伙房、清河以及張家堡水庫占多年實(shí)測流量百分比高于10%外，其余6個(gè)水庫皆低于10%。

(2)雖然整體上逐月最小流量法與年內(nèi)展布計(jì)算法占多年實(shí)測流量百分比相同，但是由于逐月最小流量法取最小值容易出現(xiàn)極端情況，所以年內(nèi)展布計(jì)算法計(jì)算所得徑流量優(yōu)于逐月最小流量法[15]徑流量。

(3)總體而言，通過對比計(jì)算，90%保證率逐月頻率計(jì)算法計(jì)算所得徑流量最好，除青山水庫計(jì)算徑流量為60.47 m3/s 低于10%，因此采用Tennant法建議的最小流量66.52 m3/s外，錦凌、清河與碧流河的最佳生態(tài)徑流量分別為126.41、318.08、288.34 m3/s，處于Tenant評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的10%—20%范圍內(nèi)，基本符合生態(tài)需求；英那河與張家堡水庫徑流量為217.65 m3/s和256.41 m3/s，高于20%，兩個(gè)水庫棲息地質(zhì)量維持在適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)；大伙房、桓仁與白石水庫徑流量分別為1736.9、4067.1 m3/s與1995.1 m3/s，百分比處于30%—60%內(nèi)，其質(zhì)量皆能維持在最佳的標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文根據(jù)90%保證率逐月頻率計(jì)算法計(jì)算9個(gè)水庫最小生態(tài)徑流，并以此作為水庫調(diào)度的最低標(biāo)準(zhǔn)。

3.4遼河流域水庫調(diào)度分析

本文選取9個(gè)水庫最后5a枯水月(1、2、3、4、5、10、11、12月)進(jìn)行水庫調(diào)度分析，其中，枯水期分界線為徑流序列累積頻率37.5%分界線，最小生態(tài)徑流為90%逐月頻率計(jì)算法結(jié)果。從圖4—圖6可以看出，源頭水庫中的大伙房水庫與桓仁水庫可調(diào)水量最大，兩者調(diào)水的目的地是沈陽，近5年1月與2月皆發(fā)生枯枯遭遇，且兩水庫入庫流量不能滿足生態(tài)系統(tǒng)最低標(biāo)準(zhǔn)，在考慮水庫生態(tài)系統(tǒng)的條件下無法對沈陽進(jìn)行調(diào)水?；溉逝c清河水庫調(diào)水目的地是開原，雖然清河可調(diào)水量并不多，但是從2005年開始，2005年與2006年基本上枯水月的水量均高于最小生態(tài)徑流，兩年間可調(diào)水量最小時(shí)為200.2 m3/s，最大時(shí)為1856.3 m3/s，可對開原進(jìn)行少量調(diào)水。除2002年5月兩個(gè)水庫入庫徑流皆低于最小生態(tài)徑流標(biāo)準(zhǔn)，無法對開原進(jìn)行調(diào)水外，其余時(shí)間兩水庫均能進(jìn)行交替式或疊加式調(diào)水。對于以上兩種無法調(diào)水情況，可令大伙房水庫與桓仁水庫在12月提前蓄水，以及引入其他水庫和從外調(diào)水以滿足沈陽1、2月枯水月的用水要求，同時(shí)令桓仁與清河水庫在4月提前蓄水以滿足開原5月用水需求。再分析遼河流域北線水庫，3個(gè)水庫中，白石水庫是引水水庫，錦凌水庫與青山水庫是受水水庫，但是，白石水庫最小生態(tài)徑流為1995.1 m3/s，高于其枯水期分界線1208 m3/s，因此，當(dāng)白石水庫與錦凌水庫、白石水庫與青山水庫枯枯遭遇時(shí)，白石水庫無法進(jìn)行調(diào)水，所以對白石水庫與錦凌水庫而言，當(dāng)錦凌水庫入庫流量也低于最小生態(tài)徑流，如2002年1月、12月、2003年1月、2月、12月以及2004年1月和2月，兩者無法對凌海市進(jìn)行調(diào)水。對于白石水庫與青山水庫而言，雖然兩者枯枯遭遇概率并不高，從圖5可知，近5年白石與青山水庫均沒有發(fā)生枯枯遭遇，青山水庫近5年枯水月入庫流量均高于枯水線，但是，由于青山水庫入庫徑流較少，當(dāng)其流量處于枯水線附近時(shí)，如2002年4月、12月，2003年1、2、3、4月等，其可調(diào)水量僅為59.06 m3/s，此時(shí)，若遭遇白石水庫入庫徑流低于最小生態(tài)徑流時(shí)，如2003年與2004年1、2月，則難以對綏中縣進(jìn)行調(diào)水。在這兩種情況下，由于白石水庫無法調(diào)水，應(yīng)考慮錦凌水庫與青山水庫分別提前蓄水或引入外調(diào)水來滿足凌海市與綏中縣的用水需求。

對于遼河流域南線水庫，碧流河、英那河以及張家堡水庫的調(diào)水區(qū)域是大連，他們枯水期分界線與最小生態(tài)徑流線皆非常接近，其中，英那河水庫的枯水期分界線為320.87 m3/s,最小生態(tài)徑流為217.64 m3/s，在這范圍內(nèi)可調(diào)水僅為103.23 m3/s，而碧流河水庫與張家堡水庫在最小生態(tài)徑流與枯水期分界線范圍內(nèi)的可調(diào)水分別為194.36 m3/s與68.42 m3/s，所以三者發(fā)生兩兩枯枯遭遇時(shí)對調(diào)水容易產(chǎn)生不利影響，由于3個(gè)水庫都是對大連進(jìn)行調(diào)水，因此考慮三者聯(lián)合調(diào)水，當(dāng)3個(gè)水庫中有任意一個(gè)水庫可進(jìn)行調(diào)水即可對大連進(jìn)行水量的調(diào)度，所以一共有3種情況,情況一：其中一個(gè)水庫調(diào)水，另外兩個(gè)水庫不調(diào)水；情況二：兩個(gè)水庫調(diào)水，另外一個(gè)水庫不調(diào)水；情況三：3個(gè)水庫同時(shí)調(diào)水；對于情況一，如2000年1月，英那河水庫與張家堡水庫入庫流量皆低于最小生態(tài)徑流，此時(shí)，碧流河水庫入庫流量高于枯水期分界線，可用于對大連調(diào)水，調(diào)水量為206.5 m3/s。對于情況二，如2004年3月，英那河水庫無法進(jìn)行調(diào)水，而張家堡水庫和碧流河水庫可以進(jìn)行聯(lián)合調(diào)水，其可調(diào)水量為兩個(gè)水庫可調(diào)水量總和，為1317.86 m3/s。第3種情況是最佳狀況，如2004年10月，聯(lián)合可調(diào)水量最大，為7303m3/s。但是，最不利調(diào)水情況即3個(gè)水庫同時(shí)低于最小生態(tài)徑流情況仍然存在，如2000年4月，2001年4月、5月，2002年5月，2003年1月、5月以及2004年1、2、4月，這些月份3個(gè)水庫均無法在維持生態(tài)系統(tǒng)的條件下對大連進(jìn)行供水，因此需要考慮外調(diào)水進(jìn)行大連市的調(diào)水。

4結(jié)論

(1)對于遼河流域9個(gè)水庫而言，皮爾遜三型分布不適合用于水庫入庫流量的擬合。對于清河、英那河、張家堡水庫而言，廣義極值分布和對數(shù)正態(tài)分布的K-S值均低于臨界值，通過檢驗(yàn)，其中，清河水庫對數(shù)正態(tài)分布的K-S值為0.12，低于廣義極值分布的0.0238，但是對數(shù)正態(tài)分布的AIC值為1937高于廣義極值分布的1747，在K-S值均通過檢驗(yàn)的情況下，AIC值較低的分布擬合效果更好，因此，選擇廣義極值分布為清河水庫最優(yōu)分布。英那河水庫與清河水庫情況相反，對數(shù)正態(tài)分布的AIC值比廣義極值分布的值低，而K-S值高于廣義極值分布，在這種情況下，選擇對數(shù)正態(tài)分布為英那河水庫最優(yōu)分布。對于張家堡水庫而言，對數(shù)正態(tài)分布的K-S值和AIC值均低于廣義極值分布，因此張家堡水庫的最優(yōu)分布為對數(shù)正態(tài)分布。其余6個(gè)水庫的入庫徑流最優(yōu)分布為廣義極值分布。

(2)遼河流域南線水庫(碧流河、英那河、張家堡)三者的最優(yōu)Copula函數(shù)各不相同，其中，英那河與碧流河為Gumbel Hougaard Copula，張家堡與英那河為Frank Copula，張家堡與碧流河為Clayton Copula。除張家堡與碧流河外，其余6組水庫組合Gumbel Hougaard Copula與Frank Copula函數(shù)的OLS值均低于Clayton Copula的OLS值，這表明，3種Copula函數(shù)在遼河流域水庫與水庫間不具有基本通用性，但Gumbel Hougaard Copula與Frank Copula函數(shù)對水庫擬合效果較優(yōu)。

(3)7組水庫組合僅有3組(白石與錦凌、白石與青山、張家堡與碧流河)豐枯異步概率高于豐枯同步概率，且枯枯遭遇概率較低，枯豐、豐枯、平枯、枯平相加概率較高，其余6組水庫組合枯枯遭遇概率皆高于27%，水庫與水庫間發(fā)生同枯可能性較大。

(4)本文逐月頻率計(jì)算法選擇90%的保證率，通過各水庫最優(yōu)分布進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果除青山水庫外，其余水庫能夠較好地體現(xiàn)徑流的年內(nèi)豐枯變化過程。其中，大伙房水庫、桓仁水庫以及白石水庫效果最佳，其最小生態(tài)徑流量分別為1736.9、4067.1 m3/s和1995.1 m3/s，達(dá)到Tenant法評價(jià)下的“滿意”水平。綜上所述，90%保證率逐月頻率計(jì)算法可求出遼河流域9個(gè)水庫的最佳生態(tài)徑流量，其次是年內(nèi)展布計(jì)算法的結(jié)果，而最小月平均實(shí)測法效果最差。

(5)9個(gè)水庫對各自調(diào)水城市均存在無法進(jìn)行水庫調(diào)度的情況，其中，源頭水庫中，大伙房水庫與桓仁水庫無法調(diào)水情況主要發(fā)生在枯水月1月與2月，由于兩大水庫可調(diào)水量最大，發(fā)生無法調(diào)水情況時(shí)，對調(diào)水區(qū)域沈陽影響最大?；溉逝c清河水庫調(diào)水目的地是開原，除2002年5月兩個(gè)水庫入庫徑流皆低于最小生態(tài)徑流標(biāo)準(zhǔn)，無法對開原進(jìn)行調(diào)水外，其余時(shí)間兩水庫均能進(jìn)行交替式或疊加式調(diào)水。流域北線水庫中，由于引水水庫白石水庫最小生態(tài)徑流為1995.1 m3/s，高于其枯水期分界線1208 m3/s，只要白石水庫入庫流量處于枯水期，則無法進(jìn)行調(diào)水，所以存在較多無法調(diào)水的情況。對于源頭和北線水庫無法調(diào)水的所有情況，需要考慮各供水水庫提前蓄水，同時(shí)引入外調(diào)水進(jìn)行調(diào)度，以滿足城市用水需求。對于流域南線水庫，由于3個(gè)水庫都是對大連進(jìn)行調(diào)水，而他們兩兩間調(diào)水較為困難，因此考慮三者聯(lián)合調(diào)水，以解決大連用水問題。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]鄭紅星, 劉昌明. 南水北調(diào)東中兩線不同水文區(qū)降水豐枯遭遇性分析. 地理學(xué)報(bào), 2000, (5): 523- 532.

[2]Lajoie F, Assani A A, Roy A G, Mesfioui M. Impacts of dams on monthly flow characteristics. The influence of watershed size and seasons. Journal of Hydrology, 2007, 334(3/4): 423- 439.

[3]Yin X A, Yang Z F, Petts G E, Kondolf G M. A reservoir operating method for riverine ecosystem protection, reservoir sedimentation control and water supply. Journal of Hydrology, 2014, 512: 379- 387.

[4]閆寶偉, 郭生練, 肖義. 南水北調(diào)中線水源區(qū)與受水區(qū)降水豐枯遭遇研究. 水利學(xué)報(bào), 2007, 38(10): 1178- 1185.

[5]牛軍宜, 馮平, 丁志宏. 基于多元Copula函數(shù)的引灤水庫徑流豐枯補(bǔ)償特性研究. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào): 地球科學(xué)版, 2009, 39(6): 1095- 1100.

[6]張強(qiáng), 崔瑛, 陳永勤. 水文變異條件下的東江流域生態(tài)徑流研究. 自然資源學(xué)報(bào), 2012, 27(5): 790- 800.

[7]楊揚(yáng). 考慮生態(tài)需水分析的水庫調(diào)度研究 [D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2012

[8]周惠成, 劉莎, 程愛民, 張春波. 跨流域引水期間受水水庫引水與供水聯(lián)合調(diào)度研究. 水利學(xué)報(bào), 2013, 44(8): 883- 891.

[9]祝雪萍. 跨流域引水與水庫供水聯(lián)合調(diào)度及變化條件對其影響研究 [D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2013.

[10]陳永勤, 孫鵬, 張強(qiáng), 陳曉宏. 基于Copula的鄱陽湖流域水文干旱頻率分析. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2013, (1): 75- 84.

[11] Genest C, Rivest L P. Statistical inference procedures for bivariate Archimedean Copulas. Journal of the American Statistical Association, 1993, 88(423): 1034- 1043.

[12]張麗, 李麗娟, 梁麗喬, 李九一, 姜德娟, 胥銘興, 宋文獻(xiàn). 流域生態(tài)需水的理論及計(jì)算研究進(jìn)展. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(7): 307- 312.

[13]李麗娟, 鄭紅星. 海灤河流域河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算. 地理學(xué)報(bào), 2000, 55(4): 495- 500.

[14]于龍娟, 夏自強(qiáng), 杜曉舜. 最小生態(tài)徑流的內(nèi)涵及計(jì)算方法研究. 河海大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2004, 32(1): 18- 22.

[15]潘扎榮, 阮曉紅, 徐靜. 河道基本生態(tài)需水的年內(nèi)展布計(jì)算法. 水利學(xué)報(bào), 2013, 44(1): 119- 126.

[16]郭利丹, 夏自強(qiáng), 林虹, 王勇. 生態(tài)徑流評價(jià)中的Tennant法應(yīng)用. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(4): 1787- 1792.

Reservoir- based ecological water operation in the Liaohe River basin characterized by synchronous occurrence of wet/dry events

ZHANG Zhenghao1,2, ZHANG Qiang1,2,*, XIAO Mingzhong1,2, ZHANG Chi3

1DepartmentofWaterResourcesandEnvironment,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China2KeyLaboratoryofWaterCycleandWaterSecurityinSouthernChinaofGuangdongHighEducationInstitute,Guangzhou510275,China3InstituteofWaterResourcesandFloodControl,FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China

Key Words:marginal distribution; copula functions; synchronous encounter; ecological flow; reservoir operation

Abstract：Allocation of water resources from river basins draining into reservoirs is a challenging task, particularly, if the ecological water requirement is taken into account. In this study, copula functions were used to analyze hydrologically the possible synchronous occurrence of dry and wet regimes in the Liaohe River. The ecological streamflow requirements were considered during the water resource allocation. The following results were obtained. (1) The probability distribution with the highest goodness-of-fit for the Yinna River and Zhangjiabao reservoir inflow was the log-normal distribution and that for the reservoir inflow of other rivers was the generalized extreme-value distribution. Further, the Gumbel and Frank copulas had the best fitting efficacy for the inflow series of the reservoirs. (2) The synchronous wet/dry events occurred at a higher probability of more than 27% at 4 out of 7 pairs of water reservoirs and at the rate of 13%, 12%, and 13% at the other three pairs of water reservoirs, i.e., Baishi vs. Jinling, Baishi vs. Qingshan, and Zhangjiabao vs. Biliuhe, respectively. Further, the probability of synchronous dry instream events was high in these reservoirs. (3) The method of minimal monthly runoff at 90% guarantee rate suggest the best ecological runoff at the nine water reservoirs. (4) Dry-dry events occurred at a higher frequency during low-flow periods. The water resource allocation or operation cannot be executed when the reservoir instream flow is lower than the minimum ecological streamflow. Joint water operation of the reservoirs based on the occurrence probability of dry-dry events and minimum ecological streamflow can satisfy the regional water requirement.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金重大國際合作研究項(xiàng)目(51320105010); 國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51425903); 中山大學(xué)濱海小流域自然地理綜合過程觀測與實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)(2012年度)資助

收稿日期:2014- 09 24 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 05

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: zhangq68@mail.sysu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201409241890

張正浩，張強(qiáng)，肖名忠，張弛.遼河流域豐枯遭遇下水庫調(diào)度.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(7):2024- 2033.

Zhang Z H, Zhang Q, Xiao M Z, Zhang C.Reservoir- based ecological water operation in the Liaohe River basin characterized by synchronous occurrence of wet/dry events.Acta Ecologica Sinica,2016,36(7):2024- 2033.