近50年来东江流域水资源年际变化规律研究 Study on Water Resource Change of Dongjiang River over the Past 50 Years

doi:10.12677/JWRR.2014.31011

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Journal of Water Resources Resear ch 水资源研究, 2 014, 3(1), 66-71

http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2014.31011 Published Online February 2014 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html)

Journal of Water Resources Resear ch 水资源研究 OPEN ACCESS

Study o n Water Resource Change of Dongjiang River

over the Past 50 Years

Bo Zhang, Pi ng Xie, Binbin Li, Xinan Li

State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan

Email: fmj1123@126.com

Received: S ep. 30th, 2013; revis ed: Nov. 20th, 2013; accepted: Nov. 26th, 2013

permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of th e

Abstract: Firstly, the hydrological variation diagnosis system (HVDS) was used to analyze the variation of

the an nua l ave ra ge flow ser ie s at four st ati o ns of D o ngj ia ng tr un k str e a m: Longc h uan s t ation, Heyuan st at i on,

Ling xia s tatio n and B o luo sta ti on. T he r esul ts show that : t he annua l ave ra ge fl o w se ri es a t Lo ngchua n st ati o n,

Heyuan statio n and Lingxia station were significantly inconsistent; the change-points were all in the year of

1972, and the interannual variation of water resource in Dongjiang River was analyzed. The main cause of

these variations was frequent human activities. Secondly, the frequency distributions of annual average flow

series before and after the change-point at Bo luo station, Lo ngch uan s tatio n, He yuan stat io n and Ling xia sta -

tion were conducted based on the hydrological frequency calculation theory for inconsistent series (HFCT),

and the differences of mean and various frequency characteristic values were analyzed. The results are valu-

able for the reasonable development and allocation of water resource and the planning and transformation of

floo d co nt rol engineerin g in Dongj iang River basin.

Keywords: Dongjiang River Ba s i n; Water R esource; Varia tio n Analysis; Fre quency Analysis

近50 年来东江流域水资源年际变化规律研究

张波，谢平，李彬彬，李析男

武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉

Email: fmj1123@126.com

收稿日期：2013 年9月30日；修回日期：2013 年11 月20日；录用日期：2013年11 月26 日

摘要：采用水文变异诊断系统对东江流域干流龙川站、河源站、岭下站、博罗站年平均流量序列进

行变异分析。诊断发现龙川站、河源站和岭下站年平均流量序列呈现显著的跳跃变异，且变异时间均

在1972 年，分析了东江流域水资源年际变化规律。物理成因分析表明频繁的人类活动是导致序列变

异的主要原因。根据变化环境下非一致性序列的水文频率计算原理，计算了博罗站和龙川站、河源站、

岭下站变异前后年平均流量的水文频率分布，并比较了均值和不同频率特征值之间的差异，该结果对

东江流域水资源合理开发和配置、防洪工程设计规划和改造具有一定的参考价值。

关键词：东江流域；水资源；变异分析；频率计算

作者简介：张波

(1989-)

，男，山东人，武汉大学水文水资源系，硕士研究生，主要从事变化环境下的水文水资源研究。

张波，等：近 50 年来东江流域水资源年际变化规律研究

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1. 研究背景

近百年来，全球气候发生了以气温升高为主要特

征的显著变化，极端气候事件明显增多，这都严重地

影响了经济社会的可持续发展[1]。气候变化对我国水

资源产生了显著影响，改变了自然状态下的河川径流

情势，与此同时，大量的水电工程开发运行后，使得

河川径流的情势发生了新的变化，传统的工程分析计

算方法在新的河川径流特征下的适用性存在问题。因

此，有必要对水电工程开发运行后河川径流的演变情

势进行分析和预测，掌握其变化规律和特点，对于科

学、合理的开发和配置水资源，提高水资源开发利用

的综合效益，建设节水型社会具有重要的意义[2]。

东江是珠江三大水系之一，连接赣澳港三地，是

香港特别行政区及广东省河源、惠州、东莞、深圳、

广州等城市 4000 多万居民的主要饮用水源地，关系

着东江流域、珠江三角洲地区的经济发展和香港的繁

荣稳定。谭莹莹等对东江流域不同时间尺度径流序列

进行了变异分析，发现径流变异主要受人类活动的影

响[3]。

王兆礼等应用 Mann-Kendall 趋势检验、小波分析

以及 R/S 分析等多种方法，探讨了东江流域径流年际

变化特征，发现径流序列变化趋势不明显，但存在 4

类尺度的周期性变化规律[4]。然而上述研究均侧重于

对径流年际变化规律进行研究，而忽视了对不同代表

年(丰、平、枯)的径流变化规律进行分析。各国通常

用多年平均河川径流量来表示水资源量，本文采用年

平均流量代表流域内水资源量，以东江流域为例，采

用水文变异诊断系统[5](谢平等，2010)对东江干流龙川

站、河源站、岭下站、博罗站年平均流量序列进行变

异分析，并在此基础上，采用变化环境下非一致性水

文频率计算方法[6](谢平等，2005)进行频率分析，以进

一步了解序列变异前后不同代表年(丰、平、枯)均值

和不同频率特征值之间的差异，东江三大水库及四个

主要水文控制站位置如图 1所示。通过研究东江流域

近50年来水资源年际径流变化规律，对于指导东江

流域水资源开发利用、制定东江流域水资源配置方案

等具有重要的意义。

2. 资料与研究方法

本文采用的资料为东江流域三大水库建成运行

Fi gure 1. Location diagram of three large reservoirs and four hy-

drological control stations at Dongj i an g River

图1. 东江三大水库及四个主要水文控制站位置示意图

前后干流自上游至下游的龙川、河源、岭下及博罗四

个水文控制站 1954~2005 年的实测径流系列以及采用

泰森多边形法对流域内雨量站加权求得的东江流域

1956~2000 年降雨量系列。

2.1. 水文变异诊断系统

由于受气候条件和人类活动的影响，水文要素往

往在时间和空间上发生变异，以往采用统计检验方法，

对水文序列进行变异识别与检验，但是各种方法各有

优缺点、往往会得出不一致的结论。针对这一问题，

谢平等[5](2010)在对各种检验方法的优缺点进行研究

的基础上，提出并构建了水文变异诊断系统，该系统

主要包括：初步诊断、详细诊断和综合诊断三部分。

其基本原理为：首先采用过程线法、滑动平均法、Hurst

系统法对序列进行初步诊断，判断序列是否存在变异；

如果存在变异，再利用多种检验方法进行详细诊断；

然后对跳跃和趋势诊断结果综合，以效率系数较大者

作为最后的变异形式；最后结合实际水文调查分析，

从物理成因上对变异形式和结论进行确认，得到水文

序列最终的变异诊断结果[7-10]。

2.2. 变化环境下非一致性序列的

水文频率计算方法

“非一致性”水文序列由确定性成分和随机性成

分组成；当水文序列的变化规律在一定时期内比较稳

定时，水文序列是一致的，其随机性成分起主导作用；

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当水文序列的变化规律在一定时期内发生突变或渐

变，即从一种稳定状态突变或渐变到另一种稳定状态

时，水文序列是非一致的，这种突变或渐变造成水文

序列变化规律的差异，即为水文序列的确定性成分；

当水文序列经过突变或渐变后达到新的平衡或稳定

状态时，其随机性成分又将起主导作用。基于上述分

析，谢平等(2005)[6]假设非一致性水文序列由相对一致

的随机性成分和非一致的确定性成分两部分组成，其

频率计算问题就可以归结为水文序列的分解与合成，

包括对水文序列的确定性成分进行模型预测和拟合

计算、随机性成分进行频率计算以及合成成分的数值

计算、参数和分布的推求等。本文采用非一致性水文

序列的合成计算，首先根据非一致性水文序列的确定

性规律和随机性规律，利用 Monte Carlo法随机生成

某个时间(刻)的样本序列；然后采用现行的水文频率

计算方法(如目估适线法、优化适线法、有约束加权适

线法等)，求得该样本序列满足 P-Ⅲ型频率分布的统

计参数，从而得到非一致性水文序列的合成分布规律；

最后根据合成分布规律，就可以解决两类水文频率计

算问题。用 Monte Carlo法随机生成某个时间(刻)的合

成样本序列可以分为三个步骤：一是根据确定性规律

预测某个具体时刻的确定性成分；二是利用Monte

Carlo 法生成满足随机性规律(P-III型分布)的纯随机

序列；最后将确定性成分与随机性成分进行数值合成，

得到合成后的样本序列，据此可以推求合成分布及其

参数[7]。

3. 变异分析

3.1. 变异诊断

采用水文变异诊断系统[5]对1954~2005共52年龙

川站、河源站、岭下站、博罗站的年平均流量序列分

别进行变异分析。变异诊断结果见表 1。

由表 1中的诊断结果，可以得出如下主要结论：

1) 龙川站、河源站、岭下站年平均流量序列均在

1972 年发生显著跳跃变异，根据 Hurst 系数的大小，

确定上述三站的变异强度均为中变异。

2) 年降水量序列无变异，年平均流量序列的变异

受降水影响不显著。

3) 龙川站、河源站、岭下站的变异形式均为跳跃

向上的中变异，说明自 1972 年之后，上述三站的

年径流量有所增加，；而位于东江干流下游的博罗站

年平均流量序列并未发生变异，表明，虽上游来水量

增大，但下游同期取用水量也有较大的增长，来水与

用水综合作用，削弱了来水的增量，因而下游博罗站

年平均流量序列并未发生变异。

4) 近50 年来，东江流域上、中游水资源总量增

多，下游水资源总量未发生明显变化。

3.2. 物理成因分析

东江年降雨量序列未发生变异，由于径流对降雨

的敏感性远大于对气温的敏感性[11]，可以将降雨的变

化代表气候变化的影响，所以认为气候变化对径流变

异的影响不显著。结合东江流域水电工程分析，东江

控制性三大水库：新丰江水库、枫树坝水库、白盆珠

水库，其中东江干流龙川站上游枫树坝水库 1970 年8

月动工兴建，于 1973 年10月建成蓄水，同年底第一

台机组投入发电，1974年底第二台机组投入运行，水

库总库容为 19.32 亿m3。龙川站、河源站、岭下站年

平均流量序列的变异时间点均为 1972 年,与枫树坝水

库投入运行时间基本吻合，说明上游枫树坝水库的修

建，改变了天然状态下东江干流的河川径流情势，水

库的调节作用增大了水库下游的水资源量。由此得出，

近50年来，频繁的人类活动，改变了东江流域水资

源的年际变化规律。

4. 频率计算

变异分析表明东江干流上游、中游三个水文控制

站年平均流量序列发生了不同程度的变异，序列失去

了一致性。本文采用变化环境下非一致性水文频率计

算方法对东江干流上述四个水文控制站年平均流量

序列分别进行频率计算和分析，并比较序列变异前后

不同代表年(丰、平、枯)均值和不同频率特征值之间

的差异，计算结果见表 2，变异前后频率曲线见图 2，

表格中所列变幅是指变异后相对于变异前的百分比。

由表 2可以看出：

1) 龙川站、河源站、岭下站年平均流量序列变异

前后均值差异幅度分别为：20.6%、22.2%、17.1%，

年径流有显著的增加。

2) 龙川站、河源站、岭下站三站 P = 90%枯水年

年平均流量变异前后差异幅度分别为：35.2%、37.5%、

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Table 1. Variation dia gnos is r es u l t s of ann ual average fl o w at four Dongjiang trunk stream stations

表1. 东江干流四站年平均流量变异诊断结果

诊断方法东江流域年降

水量

龙川站年

平均流量

河源站年

平均流量

岭下站年

平均流量

博罗站年

平均流量

初步诊断 Hurst 系数 0.516 0.717 0.78 0.74 0.612

整体变异程度无变异中变异中变异中变异无变异

详细诊断

跳跃

滑动 F检验 1959(−) 1983(+) 1974(+) 1959(−) 1963(+)

滑动 T检验 1961(−) 1972(+) 1972(+) 1972(+) 1956(−)

Lee -Heghinan 法 1956(0) 1972(0) 1972(0) 1956(0) 1956(0)

有序聚类法 1956(0) 1972(0) 1972(0) 1972(0) 1956(0)

极差/标准差 RS 1959(0) 1962(0) 1956(0) 1974(0) 1998(0)

Brown-Forsythe 1961(−) 1972(−) 1972(+) 1956(+) 1956(−)

滑动游程检验法 1958(−) 1956(+) 1972(−) 1955(+) 1987(−)

滑动秩和检验 1956(−) 1972(+) 1972(+) 1972(+) 1956(−)

最优信息二分割 1987(0) 1956(0) 1986(0) 1976(0) 1999(0)

Mann-Kendall 1974(+) 1974(+) 1970(+) 1960(+) 1972(+)

BAYES方法 1956(−) 1972(+) 1972(+) 1972(+) 1956(−)

趋势

趋势变异程度无趋势变异无趋势变异无趋势变异无趋势变异无趋势变异

相关系数检验 - - - - -

Spearman 法 - - - - -

Kendall 法 - - - - -

综合诊断

跳跃

跳跃点 1956 1972 1972 1972 1956

跳跃综合权重 0.45 0.69 0.8 9 0.49 0.69

跳跃综合显著性 2(−) 2(+) 3(+) 3(+) 4(−)

趋势趋势综合显著性 3(−) 3(−) 3(−) 3(−) 3(−)

选择跳跃效率系数 4.88 7.18 11 .1 5 7.02 7.52

趋势效率系数 0.07 0 .3 1.02 0.22 2.52

诊断结论 - 1972(+)↑ 1972(+)↑ 1972(+)↑ -

注：表中+表示跳跃或趋势显著，−表示跳跃或趋势不显著，0表示不能进行显著性检验；第一显著性水平 α = 0.1，第二显著性水平 β = 0.02；↑↓分别表示跳跃/

趋势上升、下降。

Table 2. Hydrologic frequency calculation parameters and results at four Dongjiang trunk stream stations

表2. 东江干流四站水文频率计算参数及计算结果汇总

计算序列

计算结果

龙川站河源站岭下站博罗站

变异前变异后变幅% 变异前变异后变幅% 变异前变异后变幅%

统计

参数

均值 175 211 20.6 396 484 22.2 539 631 17.1 729

Cv 0.369 0.308 −16.5 0.331 0.267 −19.3 0.308 0.267 −13.3 0.279

Cs 0.738 0.742 0.5 0.661 0.650 −1.7 0.616 0.639 3.7 0.557

频

率

计

算

P = 0.1% 444 481 8.3 925 1000 8.1 1200 1310 9.2 1520

P = 1% 359 396 10.3 762 844 10.8 997 1100 10.3 1280

P = 5% 293 329 12.3 633 718 13.4 837 935 11. 7 1090

P = 10% 261 297 13.8 570 656 15.1 759 855 12.6 999

P = 50% 167 203 21.6 382 470 23.0 521 613 17.7 711

P = 90% 99.1 134 35.2 240 330 37 .5 340 430 26.5 484

P = 95% 84.0 119 41 .7 208 298 43.3 298 388 30.2 430

P = 99% 60.2 95.3 5 8.3 156 246 57.7 229 320 39.7 341

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(a) (b)

Figure 2. Frequency curve of annual average flow at four Dongjiang trunk stream stations; (a) Theoretical frequency curves of annual aver-

age flow bef o r e an d a ft er chan g e-point at Longchuan statio n; (b) Theoretic al fr eq uenc y curv es o f annu a l av era g e flo w be f ore an d after

change-point at Heyuan station; (c) Theor etical frequency curves of annual average flow before and after change-point at Lingxia station; (d)

The oretic al fre q u en cy cu rv e s o f an nual av era ge flow at Boluo station

图2. 东江干流四站年平均流量频率曲线；(a) 龙川站年平均流量变异前后理论频率曲线；(b) 河源站年平均流量变异前后理论频率曲线；

26.5%；P = 95%枯水年年平均流量变异前后差异幅度

分别为：41.7%、43.3%、30.2%；P = 99%枯水年年平

均流量变异前后差异幅度分别为：58.3% 、57.7%、

39.7%。枯水年径流增加显著，且整体河源站增幅最

大。

3) 龙川站、河源站、岭下站三站 P = 50%平水年

年平均流量变异前后差异幅度分别为：21.6%、23.0%、

17.7%。平水年增幅小于枯水年，且河源站增幅最大。

4) 龙川站、河源站、岭下站三站 P = 0.1%丰水年

年平均流量变异前后差异幅度分别为：8.3%、8.1%、

9.2%；P = 1%丰水年年平均流量变异前后差异幅度分

别为：10.3%、10.8%、10.3%；P = 5%丰水年年平均

流量变异前后差异幅度分别为：12.3%、13.4%、11.7%；

P = 10%丰水年年平均流量变异前后差异幅度分别为：

13.8%、15.1%、12.6%。丰水年增幅小于枯水年、平

水平，且整体河源站增幅最大。

5. 结论和讨论

1) 东江年降雨量序列未发生变异，气候变化对水

资源变化的影响不显著。

2) 龙川站、河源站、岭下站年平均流量序列均在

1972 年发生跳跃向上的变异，且变异强度均为中变异。

结合东江流域水电工程分析，认为龙川上游枫树坝水

库的修建，显著的改变了东江河川径流的情势，增加

了水库下游的水资源量。

3) 频率计算结果表明龙川站、河源站、岭下站年

平均流量变异后均有较大幅度增加，且河源站总体变

幅程度最大。枯水年水资源量增幅大于丰水年，对于

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P = 99%的年平均流量，上述三站变异后年平均流量增

幅分别为：58.3%、57.7%、39.7%，枯水年水资源量

有显著增加。

4) 年平均流量序列变异有利有弊。近 50 年来，

东江干流上、中游水资源量的增加，对于缓解当地供

水期水资源供需矛盾起到了一定作用；但年径流量的

增加，降低了河道堤坝的防洪等级，直接危及河道两

岸城市人民的生命财产安全，增加了汛期防洪的压力，

特别是岭下站下游惠州段，惠州大堤堤围大部分防洪

标准为 20 年一遇，部分堤围防洪标准仅为 5年一遇，

惠州上游年径流量的增大，势必增大惠州段的防洪压

力，建议当地要加强惠州大堤的续建加固力度，提高

惠州大堤的防洪标准。

致谢

感谢国家自然科学基金项目的支持，感谢第十一

届中国水论坛推荐！

基金项目

国家自然科学基金项目(51179131; 51190094)。

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