2.2 水资源量变化特性分析

珠江三角洲水系是由西北江思贤滘以下、东江石龙以下的网河水系和注入三角洲的其他河流组成的复合三角洲，其中西江、北江以及东江来水量，占据珠江三角洲主要水资源来源。为了解决枯季水资源短缺问题，珠江防汛抗旱总指挥部在国家防汛抗旱总指挥部的授命下，先后实施珠江流域骨干水库调度和珠江水量统一调度。在此背景下，分析西江、北江和东江水资源量的变化特性，对珠江三角洲水资源调度影响极为重要。

2.2.1 年际变化特性分析

1.分析方法与手段

水文现象是一种自然现象，往往异常复杂，基本存在两种规律,即动态物理规律（成因规律）和统计规律，这也决定了水文现象的发生有其必然性一面，也具有偶然性一面。基于这两种规律，水文学研究方法具有多学科交叉与渗透，确定性与随机性相结合，通过水文试验、水文模型揭示水文规律等特点。水文计算中通常是将复杂的水文现象做简化处理，借鉴系统概念将许多互相关联部分组成一个总体，水文计算基本上是根据以往发生的水文现象来分析预测未来的水文情势，因预测期长短不同而采用不同的方法。预测期较短时，必然性起主要作用，往往采用动态规律相结合的方法；预测期较长时，必然性退居次要地位，偶然性显示其重要性，因此多采用统计方法进行概率预测。本书中的水资源特征分析，综合两种方法进行研究。

（1）Mann-Kendall法。Mann-Kendall法（以下简称M-K法）以序列平稳为前提，具体计算方法如下。

对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列，即

其中

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量

式中：UF₁=0；E(s_k)、Var(s_k)分别为累计数s_k的均值和方差，在x₁,x₂,…,x_n相互独立，有相同连续分布时，可由式(2.2-4)算出，即

UF_k为标准正态分布，它是按时间序列x的顺序x₁，x₂，…，x_n计算出的统计量序列，给定显著性水平α，查正态分布表，若|UF_k|＞U_α，则表明序列存在明显的趋势变化。按时间序列x的逆序x_n，n_n-1，…x₁，再重复上述过程，同时使UB_k=-UF_k（k=n，n-1，1），UB₁=0。

若UF_k或UB_k的值大于0，则表明降水序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势，当它们超过临界值时，表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UF_k和UB_k两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

M-K法的优点在于不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，可以是随机序列，更适合于水文气象等非正态分布的数据。该方法还能明确水文序列的演变趋势是否存在突变现象以及突变开始的时间，并指出突变区域，本书用Mann-Kendall法来分析西江、北江、东江的径流量的年际变化特征。

（2）线性回归方法。线性回归方法是建立水文序列x_i与相应的时序i之间的线性回归方程来检验时间序列变化的趋势性。该方法可以给出时间序列是否具有递增或递减的趋势，并且线性方程的斜率在一定程度上表征了时间序列的平均趋势变化率，这是目前趋势性分析中较简便的方法，其不足是难以判别序列趋势性变化是否显著。线性回归方程为

式中：x_i为时间序列；i为相应的时序；a为线性方程斜率，表征时间序列的平均趋势变化率；b为截距。

（3）累积距平法。累积距平法也是一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法。累积距平曲线呈上升趋势，表示累积距平值增加；反之减小。

对于序列x，其某一时刻t的累积距平表示为

其中

（4）变差系数。变差系数C_v是水文统计中的一个重要参数，用来说明水文变量长期变化的稳定程度。C_v值大，说明变量变化剧烈；否则平缓稳定。公式为

式中：x_i为年径流量；x为多年平均年径流量；n为年数。

年径流量的C_v值反映年径流量总体系列的离散程度，C_v值大，年径流的年际变化剧烈，对于水资源的利用不利，并且易发生洪涝灾害；C_v值小，年径流量的年际变化小，有利于径流资源的利用。

2.年际变化计算与分析

采用以上方法，收集珠西江、北江、东江3个控制性水文站1959—2010年共计52a的水文实测资料，由图2.2-1、图2.2-2可以看出，西江、北江、东江径流量有明显的丰枯变化，长系列呈下降趋势。由表2.2-1可以看出，西江、北江、东江各水文站1959—2010年径流量系列变差系数分别为0.19、0.26、0.27，变差系数较小，有利于水资源的开发和利用。

由表2.2-2、图2.2-3可以看出，西江、北江、东江径流量不同年代年平均径流量有明显的差异，西江高要站20世纪70、90年代年平均径流量较大，20世纪60年代年平均径流量次之，20世纪80年代及21世纪初年平均径流量较小；北江石角站20世纪70、90年代年平均径流量较大，20世纪80年代及21世纪初年平均径流量次之，20世纪60年代年平均径流量最小；东江博罗站20世纪70、80年代年平均径流量较大，20世纪90年代及21世纪初年平均径流量次之，20世纪60年代年平均径流量最小。

利用M-K法对西江、北江、东江控制性水文站径流量序列进行计算分析(图2.2-4)，结果表明，西江高要站径流量序列在1968—1987年和1997—2003年具有上升趋势，其他时段具有下降趋势，但是变化趋势都没有通过95%的置信度检验，上升或下降趋势不显著。北江石角站径流量序列在1996—2008年具有上升趋势，在1963—1974年和1986—1994年具有下降趋势，上升或下降趋势不显著。东江博罗站径流量序列在1976—1988年具有上升趋势，在1959—1975年和1989—1996年具有下降趋势，上升或下降趋势不显著。

利用1971—2004年珠江三角洲马口站、三水站、澜石站等14个主要代表水文（水位）站（图2.2-5）的水文、地形等资料进行分析。在研究大量资料的基础上，分析了珠江三角洲的水资源变化特性。由图2.2-5可以看出，珠江三角洲各代表站年变化幅度存在明显差异，靠近上游的马口站和三水站年平均水位变化幅度、年最高水位变化幅度、年最低水位变化幅度都较大，水位显著下降的原因主要是河道下切的影响；澜石站、板沙尾站、小榄站、马鞍站、竹银站、横门站、灯笼山站、横山站和白蕉站的水位变化主要受流量、潮汐变化的双重影响，有不少代表站水位有较明显的下降趋势，与近20年大规模的河道采砂也有重要关系；大横琴站、三灶站和黄金站近珠江口门处，海平面上升是水位增加趋势的主要影响因素。

2.2.2 年内变化特性分析

1.分析方法与手段

（1）年内分配不均匀系数。径流量年内分配不均匀系数C_u是反映河川径流年内分配不均匀性的一个指标。径流量年内分配不均匀系数C_u计算公式为

式中：R_i为年内各月径流量；为年内月平均径流量。

C_u值越大，则年内各月径流量差异越大，径流量年内分配越不均匀，从而反映对径流量调控难度较大。

年内分配不均匀系数C_u的优点是能直观地反映径流量年内特征。本报告用来分析径流量的年内变化不均匀特征。

（2）年内分配完全调节系数。年内分配完全调节系数C_r是反映河川径流年内分配不均匀性的一个指标。年内分配完全调节系数C_r计算公式为

年内分配完全调节系数C_r与年内分配不均匀系数C_u相似，值越大，则年内各月径流量年内分配越集中，即各月径流量差异越大。

年内分配完全调节系数优点是类似年内分配不均匀系数，计算简单，能直观地反映径流量年内特征。

（3）集中程度。分别采用集中度C_n和集中期D表示。集中度C_n就是将各月的径流量按一定角度以向量方式累加，其各分量之和的合成量占年总量的百分数；集中期D是指径流量向量合成后的方位，即表示一年中最大月径流量出现的月份。集中度和集中期的计算公式如下。

集中度为

集中期为

12个月的分量和构成合成量的水平、垂直分量为

合成量为

式中：r_i为月平均径流量;θ_i为各月对应的角度。

本书数据基于水文年，不考虑2月是28d或29d，不区分大月、小月，各月代表的角度1月为15°、2月为45°，以后各月均按30°累加所得。考虑到平面三角学的基本原理，正弦、余弦值由于所在象限中所具有的正、负号不相同，集中期计算时不仅要视R的正、负号，而且要视R_x、R_y的正、负号去决定D的大小及其所在象限或其角度值。

集中程度研究方法的优点是能很好地反映径流量年内集中程度和全年径流量集中的重心所出现的月份，本报告采用集中度C_n和集中期D研究了西江、北江、东江控制性水文站径流量在年内各时段的集中程度以及最大径流量出现的时间。

（4）相对变化幅度。相对变化幅度包括极大比C_max、极小比C_min以及极值比C_m等指标，计算公式为

式中：R_max为最大月平均径流量;R_min为最小月平均径流量;R为年平均径流量。

相对变化幅度的优点是能有效地反映径流量的变化程度，本书采用相对变化幅度来研究西江、北江、东江控制性水文站径流量的变化特征。

2.年内变化计算与分析

珠江流域每年4月进入汛期，降水量集中在4—9月。珠江流域内的西江、北江和东江流域径流年内分布略有差异。西江来水量主要集中在5—9月，占西江流域全年的72.5%；枯季集中在10月至次年3月，占西江流域全年的23.1%。北江汛期较西江早，石角站来水量主要集中在4—9月，占北江流域全年的75.7%；枯季集中在10月至次年3月，占北江流域全年的24.3%。东江博罗站来水量也集中在4—9月，占东江流域全年的70.3%；枯季集中在10月至次年3月，占北江流域全年的29.7%。

北江流域以4月、5月、6月共3个月的来水量最为集中，占全年的48.4%，6月是全年月分配的高峰值，为18.8%；东江流域和西江流域均以6月、7月和8月共3个月的来水量最为集中，分别占全年的40.1%和50.5%，东江在6月达全年月分配之峰值的16.5%，西江则以7月达全年峰值的18.2%。由此可见，汛期最大来水量的3个月以西江的来水最为集中，北江次之，东江的集中程度最低。西北江下游进入三角洲网河区后，汛期来水量在各月分配较西江、北江干流相对均匀和相对平缓，峰态趋于偏平；西江马口站4月的来水分配值比干流的高要站大，是由于北江较早进入汛期，北江水位较西江水位高，致使北江来水经思贤滘向西江分水的结果（表2.2-3、图2.2-6）。

为了识别西江、北江、东江径流量的年内变化规律，重点选取西江、北江、东江高要站、石角站、博罗站3个控制性水文站进行研究，分析西江、北江、东江径流量年内分配不均匀系数、年内分配完全调节系数、集中程度和变化幅度。

由表2.2-4、图2.2-7和图2.2-8可以看出，西江、北江、东江径流量的年内变化在不同时间段存在差异。

（1）自20世纪60年代以来，西江高要站、北江石角站径流量年内分配不均匀系数、年内分配完全调节系数、集中程度、极大比、极值比较大，并且长系列变化趋势不明显；东江博罗站径流量年内分配不均匀系数、年内分配完全调节系数、集中程度、极大比、极值比较小，并且长系列具有明显的下降趋势，径流量年内分配具有明显均匀化趋势；东江博罗站比西江高要站、北江石角站径流量年内分配更均匀，有利于水资源的开发和利用。

（2）自20世纪60年代以来，西江高要站、北江石角站径流量极小比较小，并且长系列变化趋势不明显；东江博罗站径流量极小比较大，并且长系列具有明显的上升趋势，说明东江年最小流量有增加趋势。

（3）西江高要站集中期主要在7月和8月，北江石角站集中期主要在5月和6月，东江博罗站集中期主要在6月和7月，西江、北江、东江径流量集中期长系列变化趋势不明显。随着经济社会的快速发展，水利工程建设、水土流失治理、取用水等人类活动的影响逐步加剧，一定程度上对径流起到了削峰填谷作用，使下游枯季径流增加，汛期径流减少，东江流域此调节作用将更加明显，对下游河段水资源的影响有所增加，长远来看，这种水资源变化特征对下游增加供水、减少水旱灾害等方面是有利的。

利用1973—2004年逐月水位数据，分析珠江三角洲潮水位年内变化特征。由表2.2-5可以看出，珠江口潮水位的年内变化在不同年代存在明显的时空差异。位于珠江口深处的马口站在20世纪70年代和20世纪90年代以来水位的年内变化大于80年代，其他站在20世纪70年代水位的年内变化最大，20世纪80年代以来趋于均匀；马口站和澜石站水位年内变化不均匀系数和集中度最大，近口门处的横门站、灯笼山站和三灶站水位年内变化不均匀系数和集中度较小；马口站和澜石站水位集中期最小，主要在7月，横门站和灯笼山站较大，分别在8月和9月，三灶站最大，主要在10月，说明年内水位集中期由珠江口深处向河口处有后推（或增加）趋势。初步分析马口站和澜石站水位年内变化受径流变化影响较大，而近口门处的横门站、灯笼山站和三灶站水位年内变化受潮汐和海平面变化的影响较大。