近60 a潘家口水库控制流域径流情势研究.pdf

2023年7月收稿日期：20230115基金项目：“十四五”国家重点研发计划项目（2021YFC3200203）作者简介：王杰（1980），男，高级工程师，主要从事水文水资源规划设计工作。DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.07.018近60 a潘家口水库控制流域径流情势研究王杰，石宝，丁志宏（中水北方勘测设计研究有限责任公司规划发展研究院，天津300222）摘要：基于所选取的代表性水文站点和长系列天然与实测年径流量系列，分别采用Kendall非参数检验法、Hurst指数法、Mann-Whitney-Pettitt法分析了潘家口水库控制流域3个代表性水文站点的天然、实测年径流量系列变化的趋势性、持续性和突变性，研究结果可为优化引滦工程水资源调度工作提供技术参考。关键词：滦河；引滦工程；潘家口水库；年径流量；趋势性；持续性；突变性中图分类号：TV121+.4文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）07-0070-04Runoff Situation in Panjiakou Reservoir Watershed overthe Past 60 YearsWANG Jie，SHI Bao，DING Zhi-hong（Institute of Planning and Development，China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）Abstract：Based on selected representative hydrological stations and long series of natural and measured annual runoffdata，the trends，persistence and abrupt changes in the variations of natural and measured annual runoff series are analyzedfor three representative hydrological stations in Panjiakou Reservoir watershed using the Kendall non-parametric test，Hurst exponent method，and Mann-Whitney-Pettitt test.The aim is to provide technical references for optimizing the waterresources scheduling of Luanhe River Water Diversion Project.Key words：Luanhe River；Luanhe River Water Diversion Project；Panjiakou Reservoir；annual runoff；tendency；persistence；abrupt change引滦工程是包括潘家口、大黑汀 2 座水库，分水枢纽和引滦入津、引滦入唐2个输水工程在内的一个大型跨流域调水工程。潘家口水库控制流域径流情势是引滦枢纽工程水资源供给端的重要影响因素，主要包括入库径流量、上游重要节点径流量等，也是跨流域引调水工程发挥作用、产生效益的基础资源条件，直接影响着引滦工程系统的可持续发展。潘家口水库是滦河干流上的大（1）型多年调节水库，坝址位于河北唐山迁西县杨碴子村1，控制流域面积33 700 km2，约占滦河流域面积的75%，总库容 29.3 亿 m3，其中防洪库容 6.85 亿 m3、兴利库容19.15亿 m3，功能以供水为主，兼顾防洪、发电等效益，是引滦工程的龙头水库，直接控制着引滦工程的可供水量。潘家口水利枢纽包括潘家口水库主坝、2座副坝、坝后式水电站和下池工程。主坝为混凝土低宽缝重力坝，按1 000 a一遇洪水设计、5 000 a一遇洪水校核，最大泄洪能力为5.62万m3/s。坝顶长1 039 m，最大坝高 107.5 m，坝顶宽 7 m，最大坝底宽 90 m。大坝中间部分设有 18 孔溢洪道，最大泄洪能力为5.31万m3/s；30号和32号坝段为底孔坝段，共4个底孔，最大泄洪能力为3 100 m3/s。本文的径流情势变化分析包括趋势性、持续性和突变性分析，分别采用 Kendall 非参数检验法、Hurst 指数法、Mann-Whitney-Pettitt 法分析潘家口水库控制流域的天然、实测年径流量系列变化的趋势性、持续性和突变性。海河水利702023.No.71数据与方法1.1基础数据白城子水文站位于内蒙古多伦县蔡木山乡白城子村，地处滦河上游闪电河，控制流域面积4 105 km2，是滦河干流上游段的大（2）型水库西山湾水库的入库控制站，是国家重要水文站、滦河上游控制性水文站。三道河子水文站位于河北承德双滦区西地镇三道河子村，地处滦河干流中游，控制流域面积17 100 km2，是国家重要水文站、滦河中游控制性水文站。白城子、三道河子、潘家口水库3处水文站19562016 年的天然年径流量和实测年径流量，如图 12所示。1.2计算方法1.2.1趋势性趋势性反映的是径流时序长期的、整体的变化趋势，Kendall非参数秩次相关检验法是评价时间序列趋势性的常用方法2。非参数检验法亦称为无分布检验，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，而水文序列一般都是非正态分布的。Kendall非参数秩次相关检验法中，对于具有n个样本量的序列x，首先要确定所有对偶值（ni，xj）中的xi与xj的大小关系（设为），其中ji，i=1，2，n-1；j=2，3，n。Kendall秩次相关检验的统计量Uk定义如下：Uk=-1Var()1/2(0)0(=0)+1Var()1/2(0)0(=0)-1(10时，Uk收敛于标准正态分布。在显著性水平a条件下，临界值Ua/2在正态分布表中可以查到。当|UK|Ua/2时，拒绝原假设，表示序列x的变化趋势显著；当|UK|Ua/2时，接收原假设，表示序列x的变化趋势不显著；|UK|的值越大，表示序列x的趋势变化越显著。1.2.2持续性持续性反映的是径流时序前后数据之间的相互关联作用以及径流时序变化趋势是具有正持续性还是反持续性3，其计算方法如下。对于时间序列x（t）（t=1，2，n），定义下列量。均值序列为：x=1i=1x(t)（=1，2，n）（5）累计离差为：X(t,)=k=1t x(k)-x（1t）（6）极差序列为：R()=max X1 t (t,)-min X1 t (t,)（7）标准差序列为：S()=1i=1 x(t)-x20.5（8）对于比值R()/S()R/S，若存在如下关系R/S H，则说明时间序列 X(t)（t=1，2，n）存在Hurst现象，H称为Hurst指数，H值可根据计算出的（t，R/S）的值，在双对数坐标系ln（），ln（R/S）中用最小二乘法拟合，H对应于拟合直线的斜率。根据H的大小，可以判断时间序列趋势成分是图1白城子、三道河子、潘家口水库3处水文站19562016年天然年径流量图2白城子、三道河子、潘家口水库3处水文站19562016年实测年径流量年份年份三道河子站、潘家口水库站天然年径流量/亿m3807060504030201001956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011 20161956196319701977198419911998200520122019807060504030201002.72.21.71.20.70.2白城子站天然年径流量/亿m3三道河子潘家口水库白城子三道河子潘家口水库白城子2.72.21.71.20.70.2白城子站实测年径流量/亿m3三道河子站、潘家口水库站实测年径流量/亿m3王杰，石宝，丁志宏：近60 a潘家口水库控制流域径流情势研究712023年7月表现为正持续性还是反持续性。Hurst等人证明，若 X(t)是相互独立、方差有限的随机序列，则 H0.5。对于不同的Hurst指数H（0H1），存在3种情况：H0.5 时，表明时间序列变化是随机的。0.5H1 时，表明时间序列具有长程相关性，即过程具有正的持续性；反映在径流量序列变化上，从平均的观点来看，表明径流量过去的一个增加（减少）趋势意味着将来的一个增加（减少）趋势，H值越接近于 1，序列的正持续性越强；0H Xj)0(Xi=Xj)-1(Xi Xj)（10）令：Kt0=max|Ut,n(1 t n-1)（11）则：P0=2exp()-6Kt02n3+n2（12）当显著性水平既定时，若P0，则认为点t0为统计上的显著突变点，该序列突变显著。为了验证突变的可靠性，还可以对序列突变前后的显著性作t检验。2结果与分析2.1趋势性分析运用 Kendall检验法，对图 12所示的各站点19562016年的天然和实测年径流量系列进行趋势性分析，具体结果详见表1。由表1可知，3个站点的年天然、实测径流量序列全部呈现显著减少趋势，尤其是滦河中游的三道河子、潘家口水库的径流减少趋势显著性尤甚；而且，相较于天然径流量，实测径流量衰减趋势的显著性更加强烈，各站的实测系列|UK|值均大于相应天然情况下的对应值。滦河中游流域是滦河流域的暴雨中心区和主要产流区，暴雨洪水主要集中在7月下旬8月上旬，年际丰、枯变化悬殊，常出现连丰连枯现象，洪水具有陡涨陡落、峰高量大的特点5，该区域的天然年径流量呈现显著衰减趋势、实测径流量呈现强烈衰减趋势，这对于引滦工程水资源调度的可持续已经产生了重大现实不利影响。2.2持续性分析运用 Hurst 指数法，对图 12 所示的各站点19562016年的天然和实测年径流量系列进行持续性分析，具体结果详见表2。由表2 可知，3个站点的年天然、实测径流量序列全部呈现正的持续性。换言之，3个站点的年天然、实测径流量在未来将继续保持显著减少的趋势，三道河子、潘家口水库的正持续性尤其显著；滦河流域主要产流区天然、实测径流量在未来仍将继续衰减的不利预期对于引滦工程的可持续发展、水资源优化配置与调度提出了重大挑战。2.3突变性分析运用Mann-Whitney-Pettitt突变检验法，对图12所示的各站点19562016年的天然和实测年径流量系列进行突变性分析，具体结果详见表3。表1潘家口水库控制流域各站点的径流序列趋势性径流属性天然实测站点白城子三道河子潘家口水库白城子三道河子潘家口水库Ua/21.96|UK|2.875 64.767 34.331 14.219 55.090 74.586 9趋势性减少减少减少减少减少减少趋势性是否显著是是是是是是表2潘家口水库控制流域各站点的径流序列持续性径流属性天然实测站点白城子三道河子潘家口水库白城子三道河子潘家口水库Hurst指数0.798 00.860 20.830 00.827 20.868 40.795 2持续性正正正正正正未来变化趋势减少减少减少减少减少减少海河水利722023.No.7由表3可知，3个站点的年天然、实测径流量序列发生突变的年份具有一定的区域特征。具体而言，滦河上游区域在20世纪70年代中后期发生突变，而滦河流域中游流域则是在20世纪末期发生突变；相较于天然径流量，实测径流量的突变性普遍地要更加剧烈，各站的实测系列|UK|值均大于相应天然情况下的对应值。潘家口水库坝址以上控制流域面积3.37万km2。据统计，截至2022年4月，上游流域内共有庙宫、西山湾、双峰寺3座大型水库，闪电河、大河口、丰宁水电站、钓鱼台、黄土梁、窟窿山、老虎沟、大庆 8座中型水库；各类橡胶坝将近80座，总蓄水量近6 000万m3。滦河干流上游段的大河口、西山湾、丰宁水电站等水库的建成时间与三道河子水文站、潘家口水库的年实测径流量系列发生突变（即阶段的径流量均值减少）的年份是比较吻合的，这说明上游大中型水库的建设可能会直接导致潘家口水库汛期（79月）实测入库径流量发生突变，进而导致全年实测入库径流量发生突变（减少）。3结语近 60 a来的潘家口水库控制流域的长系列天然、实测年径流量均呈现显著衰减趋势，未来大概率仍将维持衰减趋势，引滦工程水资源调度的可持续性面临重大影响，上游大中型水库建设投运对潘家口水库实测入库径流存在明显的影响。参考文献1 徐士忠，王芳，仇新征.南水北调与引滦供水联合调度初探J.中国水利，2015（2）：21-23，20.2 时延锋，李福孟，王志峰，等.19612020年沂蒙山区极端降水时空变化特征J.水资源与水工程学报，2022，33（5）：17-26.3 丁志宏，冯平，牛军宜.黑河莺落峡年径流量时序变化的趋势特性及丰枯演化规律研究J.干旱区资源与环境，2009，23（10）：59-63.4 闫俊杰，闫敏，崔东，等.近55年新疆伊犁河谷气温和降水变化趋势分析J.水电能源科学，2017，35（10）：13-16，12.5 徐好峰，高滢钦，周广刚.滦河下游防御超标准洪水对策探讨J.海河水利，2022（6）：34-37.表3潘家口水库控制流域各站点的径流序列突变性径流属性天然实测站点白城子三道河子潘家口水库白城子三道河子潘家口水库Ua/21.96|UK|2.875 64.767 34.331 14.219 55.090 74.586 9突变年份197419981998197419981998监测，对于影响设施结构安全的及时采取相应的加固处理措施。4.4运用新技术，提升城市供水设施风险评估和应急处置能力运用云技术、物联网等新技术，搭建供水设施智慧化管理平台，在供水设施管理过程中要加强对供水设施进行实时监测，掌握其安全状态及运行情况，建立供水设施隐患风险信息库，进行分析研判和风险评估控制；对供水管线爆管等应急事件，通过风险评估进行风险预判和安全预警，提前解决问题，提升安全预警和响应处置能力。提高城市供水设施城市化、智慧化管理水平，更好地服务和保障城市供水安全。5结语北京市第一次全国自然灾害综合风险普查共投入人力1万余人次，历时7个月，利用档案资料查阅和现场实地调查相结合方式，经过自查核查，最终形成供水管线成果数据32 604条、供水厂站及配套设施成果数据790条。通过供水设施承灾体普查，基本摸清了北京市供水设施自然灾害风险底数，建立健全了供水设施基础数据台账，为北京市供水监督管理和风险防范提供了支撑和依据。参考文献1 宋树华.浅析房山区自然灾害综合风险普查实施方法J.城市与减灾，2021（3）：29-33.2 吴吉东.承灾体调查总体情况介绍J.城市与减灾，2021（2）：20-23.3 张配豪.“摸底”自然灾害风险J.人民周刊，2021（11）：46-47.4 汪明.第一次全国自然灾害综合风险普查总体技术体系解读J.城市与减灾，2021（2）：2-4.5 王圣伟.承灾体调查中的市政设施调查J.城市与减灾，2021（2）：30-34.6 国务院第一次全国自然灾害综合风险普查领导小组办公室.市政设施调查M.北京：应急管理出版社，2021：106-149.（上接第54页）王杰，石宝，丁志宏：近60 a潘家口水库控制流域径流情势研究73