田兆伟

(广东省水文局惠州水文分局，广东 惠州 516003)

1 概述

东江流域地处亚热带季风气候区，具有明显的干湿季节，流域内降雨径流有年内时空分布不均、年际变化大的特征，最大径流丰枯比达4.6(1959年/1963年)，历史上洪涝、干旱灾害频发。20世纪60年代初—80年代中期，流域内相继建成了新丰江、枫树坝、白盆珠3座大型水库，有效降低了流域洪涝灾害风险，但局部洪涝仍时有发生。汛期如何科学调度水库[1]，发挥其拦洪、削峰、错峰作用，需要水流传播时间作为基础支撑。东江是我省重要的供水水源地，承担了香港、深圳、广州东部、东莞、惠州、河源等地3 000多万人的供水任务，东江水资源是“政治水、经济水、生命水、生态水”。枯水期实施供水水量调度[2]，尤其是精细化和应急调度[3]，保障下游供水安全，掌握水流传播时间是必要条件；枯水研究历来不如洪水，枯水传播时间与洪水传播时间有何联系，亟待研究。

1990年以来，东江干流先后建成了12个梯级电站，河道采砂[4][5]等原因使得东江中下游河床下切明显，这些人类活动对水流传播时间影响如何，需系统分析。本文对东江干流及主要支流西枝江的洪水和枯水水流传播时间进行了分析研究，获得了东江水流传播时间及相关规律，可为东江“兴水利、除水害”提供有力技术依据。

2 流域概况

东江发源于江西省寻乌县桠髻钵，流域面积为35 340 km2，干流长约为562 km，多年平均年降雨量为1 724 mm(1956—2015年，石龙以上)，汛期降雨约占全年降雨的80%。流域内分别于1963年、1974年、1985年建成了新丰江、枫树坝、白盆珠3大控制性水库(以下简称3大水库)，3大水库总控制流域面积为11 740 km2，占石龙以上流域面积的42.8%，是东江的控制性水利工程。干流自上而下有龙川、河源、岭下、博罗4个水文站，黄田、观音阁、惠阳3个水位站；主要支流西枝江上有平山水文站，多祝、平潭2个水位站。东江干流枫树坝水库以下已投产运行的梯级电站共有10个，另有苏蕾坝、沥口2个梯级基本建成，但仍未正式运行。西枝江在惠东县平山建有惠东西枝江水利枢纽。东江各梯级电站特征值统计见表1，东江流域主要水系、测站、水利工程分布示意见图1。

表1 东江各梯级主要特征值统计

图1 东江流域主要水系测站分布示意

3 水流传播时间分析技术路线

本文采用实测资料统计分析、枯水期放水试验、代表河段水力学模型等方法，分析东江3大水库到各水文站洪水和枯水水流传播时间。汛期洪水历史资料丰富，洪峰明显，易于统计传播时间[6]，故先对汛期洪水流传播时间进行分析，在此基础上再进行枯水期小流量条件下的水流传播时间分析。

汛期洪水水流传播时间按不同流量级和不同时间段进行统计，流量分级根据各站洪水样本数量按照500～1 000 m3/s不等，时间段根据年代和流域水利工程开发建设时间划分。枯水期水流传播受水利工程影响，较汛期洪水分析困难很多。本次除采用历史资料统计以外，还采用放水试验和代表河段水力学模型计算两种方法进行综合分析。历史统计资料是选择水库发电调峰调频波动出库等特殊工况放水条件下资料进行统计。放水试验是在枯水期区间来水较小情况下调度水库加大出流，加强下游主要断面的水位流量监测，追踪水流传播规律。水力学模型计算是选择有河道地形资料的河段建立水力学模型[7-8]，模拟演算河道水流传播过程，实时模拟分析水流传播时间。最后，根据各种方法综合得出东江水流传播时间结论和规律。传播时间分析节点概化示意见图2，研究技术路线示意见图3。

图2 水流传播时间主要分析节点概化示意

图3 研究技术路线示意

4 洪水水流传播时间分析

洪水水流传播时间[9-10]统计样本按照马斯京根法样本选取原则，即从各节点建站以来的历史洪水资料中选择区间来水较小的样本。本次统计了东江、西枝江各水文水位站建站以来的427个洪水样本，平均水流传播时间结果见表2～3。代表河段东江河源—博罗、西枝江平山—平潭不同流量级、不同时段统计结果见表4～7(由于篇幅限制，其他河段统计结果不一一列出)。由表2～7可知：① 几十年来，东江干流及主要支流西枝江洪水传播时间总体未发生明显变化，不同年代大部分河段水流时间基本一致；② 东江洪水传播时间受洪水量级影响较小，不同量级洪水传播时间无明显变化规律；③ 梯级建成后，水流势能明显增加，水流可以更快到达下游，水流传播时间会缩短；越往下游，河底比降逐渐减小，梯级建设增加的水流势能占水流总势能的比重加大，导致水流传播加快现象会越明显。

表2 东江洪水平均传播时间统计

表3 西枝江洪水平均传播时间统计

表4 河源—博罗不同流量级传播时间统计分析

表5 河源—博罗不同时段水流传播时间统计分析

表6 平山—平潭不同水位级水流传播时间统计分析

表7 平山—平潭不同时段水流传播时间统计分析

为进一步分析洪水水流传播特性，除洪峰外，本文还对东江上、下游断面相应洪水过程起涨和退水传播时间进行了统计(结果见表8)。由表8可知，起涨传播时间较洪峰短，退水时间较洪峰长，与天然洪水产汇流机理相吻合。初期洪水主要是地表径流，汇流速度快，而河段的槽蓄量小，调蓄作用较小，传播时间更快；退水阶段，壤中流和地下径流组成比例增大，汇流速度减小，而河段槽蓄量大，调蓄作用明显，传播时间更慢。

表8 起涨和退水传播时间统计分析 h

5 枯水水流传播时间分析

5.1 历史资料统计

新丰江、枫树坝水库有电网调峰调频任务时，出库流量有明显峰谷周期特征，枯水期区间来水少时，东江来水有2/3是由3大水库发电放水补充，可根据这一特征分析追踪枯水水流传播规律。新丰江水库出库—岭下典型过程线见图2所示，由图2可知，由于受下游风光梯级调度影响，河源站流量过程波动幅度相对较大，但总体趋势与新丰江出库一致，下游观音阁、岭下站经河道调蓄坦化后，过程较平滑，与河源站有较好的峰谷对应关系。经过从上至下对比，发现枫树坝水库大坝—龙川水文站、新丰江水库大坝—河源水文站—岭下水文站河段，有相对较好峰谷对应关系，可分析枯水传播时间。其余龙川—河源、岭下—博罗以及西枝江全河段由于梯级调蓄或水位变幅过小等原因，该方法难以统计水流传播规律。

图2 新丰江—岭下典型样本过程线示意

本次枫树坝—龙川河段共统计到2016—2020年21个样本，平均传播时间为7 h；新丰江—岭下河段共统计2017—2020年30个样本，平均传播时间为18 h，与洪水传播时间相当。

5.2 放水试验

在枯水期区间来水较小条件下，加大水库出库，模拟特殊工况下的应急补水通过加密对下游各站点水位、流量过程的监测[11-12]，追踪分析水流传播时间。2019年枯水期新丰江水库、白盆珠水库各进行了1次放水试验，试验期间水库出库及各水文站过程线见图3～4。

图3 新丰江水库放水试验各站流量过程线示意

图4 白盆珠水库放水试验各站流量过程线

由图3可知，新丰江水库模拟持续加大补水18 h后，岭下站基本达到一个平稳流量过程。来水经风光梯级调蓄后，岭下站19 h后有相应响应，与洪水传播时间基本一致，进一步印证了历史资料统计分析的结论。

由图4可知，白盆珠水库由20 m3/s持续加大到80 m3/s出库12 h后，平山出现明显涨水过程，与洪水传播时间基本一致。受惠东西枝江枢纽调度影响，平山流量过程仍有日周期变化。平山到平潭流量过程有较好对应关系，但水流传播时间只有2 h，较洪水的8小时明显缩短。

5.3 代表河段水力学模型计算

通过统计学方法能得到水流传播的总体规律，但不同边界条件，各样本之间还存在一定差异，较难得到精准的传播时间。物理放水试验显示枯水期平山以下河段水流传播时间较汛期明显缩短，但样本只有1个，考虑整个枯水期的用水需求，又不宜进行多次放水试验，结论需进一步验证。建立水力学数学模型可实时模拟水流演进过程，计算结果可与物理模型结论进行相互印证，提高传播时间分析可靠性和精度[13]。建立水力学数学模型需要详细的河道地形资料，本次只选择有河道地形资料的西枝江平山～东新桥作为代表河段，建立一维非恒定流河道演进模型，模型经历史资料率定后，进行河道水流模拟计算。白盆珠水库放水试验时段，平潭站断面模型计算与实测流量过程线见图5。

由图5可知，数学模型计算结果与物理放水试验过程吻合较好，二者结果可相互认证，西枝江下游河段枯水期水流传播时间较汛期缩短结论基本可靠。

图5 平潭站模型计算与实测流量过程线示意

综合以上枯水期的分析可知：① 根据新丰江水库大坝—河源—岭下(河段长约97 km，上游约20 km处只有1个风光梯级，大部分为天然河道)、白盆珠水库大坝—平山水文站分析可知，天然河道条件下，枯水期水流传播时间与洪水水流传播时间基本一致；② 枯水期梯级调蓄对水流传播影响较大，越往下游，梯级数量增多、库容增大，影响越显著；③ 根据西枝江下游河段的分析结果可知，梯级蓄水后，枯水水流传播时间较洪水明显缩短。东江、西枝江枯水平均水流传播时间统计表见表9～10。

表9 东江枯水平均传播时间统计

表10 西枝江枯水平均传播时间统计

6 结论与展望

本文统计了大量水流传播时间历史资料，开展了枯水期放水试验，建立了代表河段水力学模型，系统深入地分析了东江干流和主要支流西枝江的水流传播时间，得出了较为客观的结论，可为东江防洪、供水调度提供有力依据。然而由于东江水利工程众多，影响因素复杂，样本数量限制等多种因素，东江水流传播时间尤其是小流量条件下水流传播时间还有许多值得深入研究的问题。比如条件允许情况下可开展更多工况下的试验，增加分析样本；可以进一步构建全流域的水力学模型，实时模拟水流计算；目前主要从水动力角度去研究，水流传播是否就是水流质点的传播，可进一步开展同位素或染色剂试验追踪等研究水流质点的传播规律，为突发水污染应急处理提供支持。