田兆偉

(廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516003)

1 概述

東江流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有明顯的干濕季節(jié)，流域內(nèi)降雨徑流有年內(nèi)時(shí)空分布不均、年際變化大的特征，最大徑流豐枯比達(dá)4.6(1959年/1963年)，歷史上洪澇、干旱災(zāi)害頻發(fā)。20世紀(jì)60年代初—80年代中期，流域內(nèi)相繼建成了新豐江、楓樹壩、白盆珠3座大型水庫(kù)，有效降低了流域洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，但局部洪澇仍時(shí)有發(fā)生。汛期如何科學(xué)調(diào)度水庫(kù)[1]，發(fā)揮其攔洪、削峰、錯(cuò)峰作用，需要水流傳播時(shí)間作為基礎(chǔ)支撐。東江是我省重要的供水水源地，承擔(dān)了香港、深圳、廣州東部、東莞、惠州、河源等地3 000多萬(wàn)人的供水任務(wù)，東江水資源是“政治水、經(jīng)濟(jì)水、生命水、生態(tài)水”。枯水期實(shí)施供水水量調(diào)度[2]，尤其是精細(xì)化和應(yīng)急調(diào)度[3]，保障下游供水安全，掌握水流傳播時(shí)間是必要條件；枯水研究歷來(lái)不如洪水，枯水傳播時(shí)間與洪水傳播時(shí)間有何聯(lián)系，亟待研究。

1990年以來(lái)，東江干流先后建成了12個(gè)梯級(jí)電站，河道采砂[4][5]等原因使得東江中下游河床下切明顯，這些人類活動(dòng)對(duì)水流傳播時(shí)間影響如何，需系統(tǒng)分析。本文對(duì)東江干流及主要支流西枝江的洪水和枯水水流傳播時(shí)間進(jìn)行了分析研究，獲得了東江水流傳播時(shí)間及相關(guān)規(guī)律，可為東江“興水利、除水害”提供有力技術(shù)依據(jù)。

2 流域概況

東江發(fā)源于江西省尋烏縣椏髻缽，流域面積為35 340 km2，干流長(zhǎng)約為562 km，多年平均年降雨量為1 724 mm(1956—2015年，石龍以上)，汛期降雨約占全年降雨的80%。流域內(nèi)分別于1963年、1974年、1985年建成了新豐江、楓樹壩、白盆珠3大控制性水庫(kù)(以下簡(jiǎn)稱3大水庫(kù))，3大水庫(kù)總控制流域面積為11 740 km2，占石龍以上流域面積的42.8%，是東江的控制性水利工程。干流自上而下有龍川、河源、嶺下、博羅4個(gè)水文站，黃田、觀音閣、惠陽(yáng)3個(gè)水位站；主要支流西枝江上有平山水文站，多祝、平潭2個(gè)水位站。東江干流楓樹壩水庫(kù)以下已投產(chǎn)運(yùn)行的梯級(jí)電站共有10個(gè)，另有蘇蕾壩、瀝口2個(gè)梯級(jí)基本建成，但仍未正式運(yùn)行。西枝江在惠東縣平山建有惠東西枝江水利樞紐。東江各梯級(jí)電站特征值統(tǒng)計(jì)見表1，東江流域主要水系、測(cè)站、水利工程分布示意見圖1。

表1 東江各梯級(jí)主要特征值統(tǒng)計(jì)

圖1 東江流域主要水系測(cè)站分布示意

3 水流傳播時(shí)間分析技術(shù)路線

本文采用實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析、枯水期放水試驗(yàn)、代表河段水力學(xué)模型等方法，分析東江3大水庫(kù)到各水文站洪水和枯水水流傳播時(shí)間。汛期洪水歷史資料豐富，洪峰明顯，易于統(tǒng)計(jì)傳播時(shí)間[6]，故先對(duì)汛期洪水流傳播時(shí)間進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行枯水期小流量條件下的水流傳播時(shí)間分析。

汛期洪水水流傳播時(shí)間按不同流量級(jí)和不同時(shí)間段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，流量分級(jí)根據(jù)各站洪水樣本數(shù)量按照500～1 000 m3/s不等，時(shí)間段根據(jù)年代和流域水利工程開發(fā)建設(shè)時(shí)間劃分?？菟谒鱾鞑ナ芩こ逃绊?，較汛期洪水分析困難很多。本次除采用歷史資料統(tǒng)計(jì)以外，還采用放水試驗(yàn)和代表河段水力學(xué)模型計(jì)算兩種方法進(jìn)行綜合分析。歷史統(tǒng)計(jì)資料是選擇水庫(kù)發(fā)電調(diào)峰調(diào)頻波動(dòng)出庫(kù)等特殊工況放水條件下資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。放水試驗(yàn)是在枯水期區(qū)間來(lái)水較小情況下調(diào)度水庫(kù)加大出流，加強(qiáng)下游主要斷面的水位流量監(jiān)測(cè)，追蹤水流傳播規(guī)律。水力學(xué)模型計(jì)算是選擇有河道地形資料的河段建立水力學(xué)模型[7-8]，模擬演算河道水流傳播過(guò)程，實(shí)時(shí)模擬分析水流傳播時(shí)間。最后，根據(jù)各種方法綜合得出東江水流傳播時(shí)間結(jié)論和規(guī)律。傳播時(shí)間分析節(jié)點(diǎn)概化示意見圖2，研究技術(shù)路線示意見圖3。

圖2 水流傳播時(shí)間主要分析節(jié)點(diǎn)概化示意

圖3 研究技術(shù)路線示意

4 洪水水流傳播時(shí)間分析

洪水水流傳播時(shí)間[9-10]統(tǒng)計(jì)樣本按照馬斯京根法樣本選取原則，即從各節(jié)點(diǎn)建站以來(lái)的歷史洪水資料中選擇區(qū)間來(lái)水較小的樣本。本次統(tǒng)計(jì)了東江、西枝江各水文水位站建站以來(lái)的427個(gè)洪水樣本，平均水流傳播時(shí)間結(jié)果見表2～3。代表河段東江河源—博羅、西枝江平山—平潭不同流量級(jí)、不同時(shí)段統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4～7(由于篇幅限制，其他河段統(tǒng)計(jì)結(jié)果不一一列出)。由表2～7可知：① 幾十年來(lái)，東江干流及主要支流西枝江洪水傳播時(shí)間總體未發(fā)生明顯變化，不同年代大部分河段水流時(shí)間基本一致；② 東江洪水傳播時(shí)間受洪水量級(jí)影響較小，不同量級(jí)洪水傳播時(shí)間無(wú)明顯變化規(guī)律；③ 梯級(jí)建成后，水流勢(shì)能明顯增加，水流可以更快到達(dá)下游，水流傳播時(shí)間會(huì)縮短；越往下游，河底比降逐漸減小，梯級(jí)建設(shè)增加的水流勢(shì)能占水流總勢(shì)能的比重加大，導(dǎo)致水流傳播加快現(xiàn)象會(huì)越明顯。

表2 東江洪水平均傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)

表3 西枝江洪水平均傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)

表4 河源—博羅不同流量級(jí)傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析

表5 河源—博羅不同時(shí)段水流傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析

表6 平山—平潭不同水位級(jí)水流傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析

表7 平山—平潭不同時(shí)段水流傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析

為進(jìn)一步分析洪水水流傳播特性，除洪峰外，本文還對(duì)東江上、下游斷面相應(yīng)洪水過(guò)程起漲和退水傳播時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(結(jié)果見表8)。由表8可知，起漲傳播時(shí)間較洪峰短，退水時(shí)間較洪峰長(zhǎng)，與天然洪水產(chǎn)匯流機(jī)理相吻合。初期洪水主要是地表徑流，匯流速度快，而河段的槽蓄量小，調(diào)蓄作用較小，傳播時(shí)間更快；退水階段，壤中流和地下徑流組成比例增大，匯流速度減小，而河段槽蓄量大，調(diào)蓄作用明顯，傳播時(shí)間更慢。

表8 起漲和退水傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析 h

5 枯水水流傳播時(shí)間分析

5.1 歷史資料統(tǒng)計(jì)

新豐江、楓樹壩水庫(kù)有電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)時(shí)，出庫(kù)流量有明顯峰谷周期特征，枯水期區(qū)間來(lái)水少時(shí)，東江來(lái)水有2/3是由3大水庫(kù)發(fā)電放水補(bǔ)充，可根據(jù)這一特征分析追蹤枯水水流傳播規(guī)律。新豐江水庫(kù)出庫(kù)—嶺下典型過(guò)程線見圖2所示，由圖2可知，由于受下游風(fēng)光梯級(jí)調(diào)度影響，河源站流量過(guò)程波動(dòng)幅度相對(duì)較大，但總體趨勢(shì)與新豐江出庫(kù)一致，下游觀音閣、嶺下站經(jīng)河道調(diào)蓄坦化后，過(guò)程較平滑，與河源站有較好的峰谷對(duì)應(yīng)關(guān)系。經(jīng)過(guò)從上至下對(duì)比，發(fā)現(xiàn)楓樹壩水庫(kù)大壩—龍川水文站、新豐江水庫(kù)大壩—河源水文站—嶺下水文站河段，有相對(duì)較好峰谷對(duì)應(yīng)關(guān)系，可分析枯水傳播時(shí)間。其余龍川—河源、嶺下—博羅以及西枝江全河段由于梯級(jí)調(diào)蓄或水位變幅過(guò)小等原因，該方法難以統(tǒng)計(jì)水流傳播規(guī)律。

圖2 新豐江—嶺下典型樣本過(guò)程線示意

本次楓樹壩—龍川河段共統(tǒng)計(jì)到2016—2020年21個(gè)樣本，平均傳播時(shí)間為7 h；新豐江—嶺下河段共統(tǒng)計(jì)2017—2020年30個(gè)樣本，平均傳播時(shí)間為18 h，與洪水傳播時(shí)間相當(dāng)。

5.2 放水試驗(yàn)

在枯水期區(qū)間來(lái)水較小條件下，加大水庫(kù)出庫(kù)，模擬特殊工況下的應(yīng)急補(bǔ)水通過(guò)加密對(duì)下游各站點(diǎn)水位、流量過(guò)程的監(jiān)測(cè)[11-12]，追蹤分析水流傳播時(shí)間。2019年枯水期新豐江水庫(kù)、白盆珠水庫(kù)各進(jìn)行了1次放水試驗(yàn)，試驗(yàn)期間水庫(kù)出庫(kù)及各水文站過(guò)程線見圖3～4。

圖3 新豐江水庫(kù)放水試驗(yàn)各站流量過(guò)程線示意

圖4 白盆珠水庫(kù)放水試驗(yàn)各站流量過(guò)程線

由圖3可知，新豐江水庫(kù)模擬持續(xù)加大補(bǔ)水18 h后，嶺下站基本達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)流量過(guò)程。來(lái)水經(jīng)風(fēng)光梯級(jí)調(diào)蓄后，嶺下站19 h后有相應(yīng)響應(yīng)，與洪水傳播時(shí)間基本一致，進(jìn)一步印證了歷史資料統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)論。

由圖4可知，白盆珠水庫(kù)由20 m3/s持續(xù)加大到80 m3/s出庫(kù)12 h后，平山出現(xiàn)明顯漲水過(guò)程，與洪水傳播時(shí)間基本一致。受惠東西枝江樞紐調(diào)度影響，平山流量過(guò)程仍有日周期變化。平山到平潭流量過(guò)程有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系，但水流傳播時(shí)間只有2 h，較洪水的8小時(shí)明顯縮短。

5.3 代表河段水力學(xué)模型計(jì)算

通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法能得到水流傳播的總體規(guī)律，但不同邊界條件，各樣本之間還存在一定差異，較難得到精準(zhǔn)的傳播時(shí)間。物理放水試驗(yàn)顯示枯水期平山以下河段水流傳播時(shí)間較汛期明顯縮短，但樣本只有1個(gè)，考慮整個(gè)枯水期的用水需求，又不宜進(jìn)行多次放水試驗(yàn)，結(jié)論需進(jìn)一步驗(yàn)證。建立水力學(xué)數(shù)學(xué)模型可實(shí)時(shí)模擬水流演進(jìn)過(guò)程，計(jì)算結(jié)果可與物理模型結(jié)論進(jìn)行相互印證，提高傳播時(shí)間分析可靠性和精度[13]。建立水力學(xué)數(shù)學(xué)模型需要詳細(xì)的河道地形資料，本次只選擇有河道地形資料的西枝江平山～東新橋作為代表河段，建立一維非恒定流河道演進(jìn)模型，模型經(jīng)歷史資料率定后，進(jìn)行河道水流模擬計(jì)算。白盆珠水庫(kù)放水試驗(yàn)時(shí)段，平潭站斷面模型計(jì)算與實(shí)測(cè)流量過(guò)程線見圖5。

由圖5可知，數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與物理放水試驗(yàn)過(guò)程吻合較好，二者結(jié)果可相互認(rèn)證，西枝江下游河段枯水期水流傳播時(shí)間較汛期縮短結(jié)論基本可靠。

圖5 平潭站模型計(jì)算與實(shí)測(cè)流量過(guò)程線示意

綜合以上枯水期的分析可知：① 根據(jù)新豐江水庫(kù)大壩—河源—嶺下(河段長(zhǎng)約97 km，上游約20 km處只有1個(gè)風(fēng)光梯級(jí)，大部分為天然河道)、白盆珠水庫(kù)大壩—平山水文站分析可知，天然河道條件下，枯水期水流傳播時(shí)間與洪水水流傳播時(shí)間基本一致；② 枯水期梯級(jí)調(diào)蓄對(duì)水流傳播影響較大，越往下游，梯級(jí)數(shù)量增多、庫(kù)容增大，影響越顯著；③ 根據(jù)西枝江下游河段的分析結(jié)果可知，梯級(jí)蓄水后，枯水水流傳播時(shí)間較洪水明顯縮短。東江、西枝江枯水平均水流傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)表見表9～10。

表9 東江枯水平均傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)

表10 西枝江枯水平均傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論與展望

本文統(tǒng)計(jì)了大量水流傳播時(shí)間歷史資料，開展了枯水期放水試驗(yàn)，建立了代表河段水力學(xué)模型，系統(tǒng)深入地分析了東江干流和主要支流西枝江的水流傳播時(shí)間，得出了較為客觀的結(jié)論，可為東江防洪、供水調(diào)度提供有力依據(jù)。然而由于東江水利工程眾多，影響因素復(fù)雜，樣本數(shù)量限制等多種因素，東江水流傳播時(shí)間尤其是小流量條件下水流傳播時(shí)間還有許多值得深入研究的問(wèn)題。比如條件允許情況下可開展更多工況下的試驗(yàn)，增加分析樣本；可以進(jìn)一步構(gòu)建全流域的水力學(xué)模型，實(shí)時(shí)模擬水流計(jì)算；目前主要從水動(dòng)力角度去研究，水流傳播是否就是水流質(zhì)點(diǎn)的傳播，可進(jìn)一步開展同位素或染色劑試驗(yàn)追蹤等研究水流質(zhì)點(diǎn)的傳播規(guī)律，為突發(fā)水污染應(yīng)急處理提供支持。