東江水流傳播時間簡要分析

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氣候區，具有明顯的干濕季節，流域內降雨徑流有年內時空分布不均、年際變化大的特征，最大徑流豐枯比達4.6(1959年/1963年)，歷史上洪澇、干旱災害頻發。20世紀60年代初—80年代中期，流域內相繼建成了新豐江、楓樹壩、白盆珠3座大型水庫，有效降低了流域洪澇災害風險，但局部洪澇仍時有發生。汛期如何科學調度水庫[1]，發揮其攔洪、削峰、錯峰作用，需要水流傳播時間作為基礎支撐。東江是我省重要的供水水源地，承擔了香港、深圳、廣州東部、東莞、惠州、河源等地3 000多萬人的供水任務，東江水資源是“政治水、經濟水、生命水、生態水”。枯水期實施供水水量調度[2]，尤其是精細化和應急調度[3]，保障下游供水安全，掌握水流傳播時間是必要條件；枯水研究歷來不如洪水，枯水傳播時間與洪水傳播時間有何聯系，亟待研究。

1990年以來，東江干流先后建成了12個梯級電站，河道采砂[4][5]等原因使得東江中下游河床下切明顯，這些人類活動對水流傳播時間影響如何，需系統分析。本文對東江干流及主要支流西枝江的洪水和枯水水流傳播時間進行了分析研究，獲得了東江水流傳播時間及相關規律，可為東江“興水利、除水害”提供有力技術依據。

2 流域概況

東江發源于江西省尋烏縣椏髻缽，流域面積為35 340 km2，干流長約為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(以下簡稱3大水庫)，3大水庫總控制流域面積為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個水文站，黃田、觀音閣、惠陽3個水位站；主要支流西枝江上有平山水文站，多祝、平潭2個水位站。東江干流楓樹壩水庫以下已投產運行的梯級電站共有10個，另有蘇蕾壩、瀝口2個梯級基本建成，但仍未正式運行。西枝江在惠東縣平山建有惠東西枝江水利樞紐。東江各梯級電站特征值統計見表1，東江流域主要水系、測站、水利工程分布示意見圖1。

表1 東江各梯級主要特征值統計

圖1 東江流域主要水系測站分布示意

3 水流傳播時間分析技術路線

本文采用實測資料統計分析、枯水期放水試驗、代表河段水力學模型等方法，分析東江3大水庫到各水文站洪水和枯水水流傳播時間。汛期洪水歷史資料豐富，洪峰明顯，易于統計傳播時間[6]，故先對汛期洪水流傳播時間進行分析，在此基礎上再進行枯水期小流量條件下的水流傳播時間分析。

汛期洪水水流傳播時間按不同流量級和不同時間段進行統計，流量分級根據各站洪水樣本數量按照500～1 000 m3/s不等，時間段根據年代和流域水利工程開發建設時間劃分。枯水期水流傳播受水利工程影響，較汛期洪水分析困難很多。本次除采用歷史資料統計以外，還采用放水試驗和代表河段水力學模型計算兩種方法進行綜合分析。歷史統計資料是選擇水庫發電調峰調頻波動出庫等特殊工況放水條件下資料進行統計。放水試驗是在枯水期區間來水較小情況下調度水庫加大出流，加強下游主要斷面的水位流量監測，追蹤水流傳播規律。水力學模型計算是選擇有河道地形資料的河段建立水力學模型[7-8]，模擬演算河道水流傳播過程，實時模擬分析水流傳播時間。最后，根據各種方法綜合得出東江水流傳播時間結論和規律。傳播時間分析節點概化示意見圖2，研究技術路線示意見圖3。

圖2 水流傳播時間主要分析節點概化示意

圖3 研究技術路線示意

4 洪水水流傳播時間分析

洪水水流傳播時間[9-10]統計樣本按照馬斯京根法樣本選取原則，即從各節點建站以來的歷史洪水資料中選擇區間來水較小的樣本。本次統計了東江、西枝江各水文水位站建站以來的427個洪水樣本，平均水流傳播時間結果見表2～3。代表河段東江河源—博羅、西枝江平山—平潭不同流量級、不同時段統計結果見表4～7(由于篇幅限制，其他河段統計結果不一一列出)。由表2～7可知：① 幾十年來，東江干流及主要支流西枝江洪水傳播時間總體未發生明顯變化，不同年代大部分河段水流時間基本一致；② 東江洪水傳播時間受洪水量級影響較小，不同量級洪水傳播時間無明顯變化規律；③ 梯級建成后，水流勢能明顯增加，水流可以更快到達下游，水流傳播時間會縮短；越往下游，河底比降逐漸減小，梯級建設增加的水流勢能占水流總勢能的比重加大，導致水流傳播加快現象會越明顯。

表2 東江洪水平均傳播時間統計

表3 西枝江洪水平均傳播時間統計

表4 河源—博羅不同流量級傳播時間統計分析

表5 河源—博羅不同時段水流傳播時間統計分析

表6 平山—平潭不同水位級水流傳播時間統計分析

表7 平山—平潭不同時段水流傳播時間統計分析

為進一步分析洪水水流傳播特性，除洪峰外，本文還對東江上、下游斷面相應洪水過程起漲和退水傳播時間進行了統計(結果見表8)。由表8可知，起漲傳播時間較洪峰短，退水時間較洪峰長，與天然洪水產匯流機理相吻合。初期洪水主要是地表徑流，匯流速度快，而河段的槽蓄量小，調蓄作用較小，傳播時間更快；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，調蓄作用明顯，傳播時間更慢。

表8 起漲和退水傳播時間統計分析 h

5 枯水水流傳播時間分析

5.1 歷史資料統計

新豐江、楓樹壩水庫有電網調峰調頻任務時，出庫流量有明顯峰谷周期特征，枯水期區間來水少時，東江來水有2/3是由3大水庫發電放水補充，可根據這一特征分析追蹤枯水水流傳播規律。新豐江水庫出庫—嶺下典型過程線見圖2所示，由圖2可知，由于受下游風光梯級調度影響，河源站流量過程波動幅度相對較大，但總體趨勢與新豐江出庫一致，下游觀音閣、嶺下站經河道調蓄坦化后，過程較平滑，與河源站有較好的峰谷對應關系。經過從上至下對比，發現楓樹壩水庫大壩—龍川水文站、新豐江水庫大壩—河源水文站—嶺下水文站河段，有相對較好峰谷對應關系，可分析枯水傳播時間。其余龍川—河源、嶺下—博羅以及西枝江全河段由于梯級調蓄或水位變幅過小等原因，該方法難以統計水流傳播規律。

圖2 新豐江—嶺下典型樣本過程線示意

本次楓樹壩—龍川河段共統計到2016—2020年21個樣本，平均傳播時間為7 h；新豐江—嶺下河段共統計2017—2020年30個樣本，平均傳播時間為18 h，與洪水傳播時間相當。

5.2 放水試驗

在枯水期區間來水較小條件下，加大水庫出庫，模擬特殊工況下的應急補水通過加密對下游各站點水位、流量過程的監測[11-12]，追蹤分析水流傳播時間。2019年枯水期新豐江水庫、白盆珠水庫各進行了1次放水試驗，試驗期間水庫出庫及各水文站過程線見圖3～4。

圖3 新豐江水庫放水試驗各站流量過程線示意

圖4 白盆珠水庫放水試驗各站流量過程線

由圖3可知，新豐江水庫模擬持續加大補水18 h后，嶺下站基本達到一個平穩流量過程。來水經風光梯級調蓄后，嶺下站19 h后有相應響應，與洪水傳播時間基本一致，進一步印證了歷史資料統計分析的結論。

由圖4可知，白盆珠水庫由20 m3/s持續加大到80 m3/s出庫12 h后，平山出現明顯漲水過程，與洪水傳播時間基本一致。受惠東西枝江樞紐調度影響，平山流量過程仍有日周期變化。平山到平潭流量過程有較好對應關系，但水流傳播時間只有2 h，較洪水的8小時明顯縮短。

5.3 代表河段水力學模型計算

通過統計學方法能得到水流傳播的總體規律，但不同邊界條件，各樣本之間還存在一定差異，較難得到精準的傳播時間。物理放水試驗顯示枯水期平山以下河段水流傳播時間較汛期明顯縮短，但樣本只有1個，考慮整個枯水期的用水需求，又不宜進行多次放水試驗，結論需進一步驗證。建立水力學數學模型可實時模擬水流演進過程，計算結果可與物理模型結論進行相互印證，提高傳播時間分析可靠性和精度[13]。建立水力學數學模型需要詳細的河道地形資料，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模型，模型經歷史資料率定后，進行河道水流模擬計算。白盆珠水庫放水試驗時段，平潭站斷面模型計算與實測流量過程線見圖5。

由圖5可知，數學模型計算結果與物理放水試驗過程吻合較好，二者結果可相互認證，西枝江下游河段枯水期水流傳播時間較汛期縮短結論基本可靠。

圖5 平潭站模型計算與實測流量過程線示意

綜合以上枯水期的分析可知：① 根據新豐江水庫大壩—河源—嶺下(河段長約97 km，上游約20 km處只有1個風光梯級，大部分為天然河道)、白盆珠水庫大壩—平山水文站分析可知，天然河道條件下，枯水期水流傳播時間與洪水水流傳播時間基本一致；② 枯水期梯級調蓄對水流傳播影響較大，越往下游，梯級數量增多、庫容增大，影響越顯著；③ 根據西枝江下游河段的分析結果可知，梯級蓄水后，枯水水流傳播時間較洪水明顯縮短。東江、西枝江枯水平均水流傳播時間統計表見表9～10。

表9 東江枯水平均傳播時間統計

表10 西枝江枯水平均傳播時間統計

6 結論與展望

本文統計了大量水流傳播時間歷史資料，開展了枯水期放水試驗，建立了代表河段水力學模型，系統深入地分析了東江干流和主要支流西枝江的水流傳播時間，得出了較為客觀的結論，可為東江防洪、供水調度提供有力依據。然而由于東江水利工程眾多，影響因素復雜，樣本數量限制等多種因素，東江水流傳播時間尤其是小流量條件下水流傳播時間還有許多值得深入研究的問題。比如條件允許情況下可開展更多工況下的試驗，增加分析樣本；可以進一步構建全流域的水力學模型，實時模擬水流計算；目前主要從水動力角度去研究，水流傳播是否就是水流質點的傳播，可進一步開展同位素或染色劑試驗追蹤等研究水流質點的傳播規律，為突發水污染應急處理提供支持。