3.2 来水与需水的周期性及其相关性

3.2.1 来水的周期性

来水的周期性是指来水量按照一定时间反复变化。由于来水量（通常主要指降水量、径流量、地下水补给量等）受到的影响十分复杂，并不是纯粹按照某一个固定周期和固定振幅变化的，而是按照多种时间周期和振幅变化的。例如，短期变化、年内季节性变化（即年周期变化）、长短不等的连续多年变化等。例如，海河流域天然年径流量除了存在年周期外，还存在8～12年、14～20年以及35年的旱涝变化周期。太阳对地球的影响最大，无论是从光热的角度，引力的角度，还是运动的角度都是最大的。这就决定了太阳对地球气候变化的影响也最大、在影响地球某一地区来水量变化的众多因素中也是影响最大的因素。地球绕太阳运行的周期为一年。不仅地球环绕太阳一周的时间为一年，地球与太阳的距离变化周期、太阳直射到地球南北半球的位置变化周期等也为一年。这些变化直接影响着地球上水分的蒸发、运移、降落等过程和路径。所以在来水量变化的各种周期中，年周期的规律性最突出，或者说季节变化规律最强。从多方面的观测数据的统计结果也可以看出太阳的巨大影响及其影响的年周期变化规律。例如，潮白河的径流主要集中于每年的6—10月，占全年径流总量的59%～76%；松花江干流中游段的年径流过程呈双峰型，4—5月为春汛但径流量不大，8月径流量达到年内峰值；位于乌江流域中游的黔中水库群（包括平寨水库和红枫湖水库等）汛期是6—8月，枯水期是12月至次年3月。总之，来自不同地区的降水、径流等方面的实际观察系列都表明，在各种来水周期中，年周期最明显、最可靠，总是如期而至，到时而去。因此，在水资源配置和水库调度中，年周期用得最多。

分析和认识黔中水库群入库径流量的统计特性，对于科学应对未来径流量变化对水库水量调度可能造成的影响具有重要的参考意义。这里运用周期分析方法对平寨和红枫湖两个最重要的控制性水库的入库年径流特性作进一步分析，分别探究其趋势性和周期性。

1.平寨水库来水量多年周期分析

对平寨水库坝址断面1968—2007年40年来水量过程 （以后直接称平寨水库来水量，其他水库同理）进行 Morlet小波分析，得到小波变换等值线图 [图3.1（a）]。从图中可以看出，在大尺度上 （20～35年）上，来水量存在明显的周期震荡，表现为“多 少 多”的变化；在小尺度上 （10～15年），来水量也出现了周期震荡，表现为“多 少 多 少”的循环变化。进一步探究来水量随时间变化的主周期，绘制小波方差图[图3.1（b）]。观察得出：第一峰值出现在25年时间尺度下，第二峰值出现在13年时间尺度下，表明平寨水库来水量的年际变化主周期为25年，且存在13年左右的次周期。

2.红枫湖水库来水量多年周期分析

对红枫湖水库1968—2007年40年来水量过程进行Morlet小波分析，得到小波变换等值线图［图3.2（a）］。从图中可以看出，在大尺度上（15～35年）上来水量存在明显的周期震荡，表现为“多-少-多”的变化；在小尺度上（5～10年），来水量也出现了周期震荡，表现为“多-少-多-少”的循环变化。进一步探究来水量随时间变化的主周期，绘制小波方差图［图3.2（b）］。观察得出：第一峰值出现在25年时间尺度下，第二峰值出现在6年时间尺度下，表明红枫湖水库来水量的年际变化主周期为25年，且存在6年左右的次周期。

3.平寨和红枫湖水库来水量年周期分析

图3.3和图3.4分别展示出平寨和红枫湖水库1968—2007年的月来水流量过程线，从图中可以明显看出月来水流量的年内周期性变化规律。图3.3中实线为月来水流量过程线，虚线为汛期低流量线，右边数字49为该线流量值，汛期90%的月份平均流量在此线以上，即可靠性90%；点画线为枯水期高流量线，右边数字20为该线流量值；枯水期90%的月份的平均流量在此线以下，可靠性也为90%。该图表明，平寨水库每年月流量的丰、平、枯变化特征显著，波峰波谷出现时间规律性强。枯水期1—3月来水流量小，汛期6—8月来水流量大，其余月份来水流量居中，尽管过程线形状稍有差异，但每年都保持着基本相同的变化规律性和周期性。图3.4展示的是红枫湖水库月来水流量变化过程，汛期低流量线和枯水期高流量线的可靠度都为90%。该库月来水流量同样存在明显的年内周期性变化规律。

经分析，桂家湖、高寨、鹅顶、革寨、大洼冲、凯掌、松柏山、花溪、阿哈等水库的月来水流量都存在类似的年周期规律性，只不过因为它们的集水面积较小，空间均化效果较小，汇流时间短，月来水流量较大时期缩短到6—7月。综合年周期和月周期的分析可知：①水库来水量存在着年周期和多年周期；②年周期规律性很强，很可靠且相对比较简单而明显（对一般水库都存在，同一水库丰、平、枯水期比较稳定），多年周期规律性不强，很不可靠，相对比较复杂且不明显（对不同水库年际周期的时间尺度不同，且可能存在多种时间尺度的年际周期，每种都不明显，综合表现出来的水量变化比较杂乱，水多、水少出现的时间难以预料）。由于水库调节能力的制约以及多年需求量变化规律难寻等方面原因，加之来水量的多年周期规律性不强，其多年周期一般很少能够被用于水库调度或水资源配置模型中。黔中水库群来水量的年周期规律性明显而可靠，并且可以方便地运用于水库中长期调度。本书基于年周期序贯决策的水库优化调度模型正是充分运用了水库来水量的年周期规律，可以最大化水库群联合调度效益。

3.2.2 需水的周期性

需水的周期性是指某种需水量按照一定时间反复变化。由于地球绕太阳运行的周期为一年以及太阳在许多重要方面（例如光、能、引力、气候等）对地球的影响变化周期均为年，导致了地球动物和植物的繁殖生长及活动规律普遍存在一定的年周期变化规律，伴随着这些规律其需水量也具有年周期变化规律。人类活动不仅与一般动物具有类似性，而且其政治、社会、生活及生产活动更是增强了年周期性，例如，政治活动、节假日、集会、生产计划、度假、娱乐等都具有明确的日期/时期/季节性和年周期性，相应的用水行为和用水量也存在着明显的年周期变化规律。这些规律决定了自然界和人类社会的各种需水比较普遍地存在一定的年周期变化特征。不同需水表现出的年内需水过程不同，年周期性变化的强弱程度也就不同。在以往的水资源配置和水库调度研究中，通常将社会经济需水按照用水行业划分为城镇生活、农村生活、工业与三产、农业、河道内生态环境、河道外生态环境（含城镇生态环境和农村生态环境）等，主要就是为了较好地反映各行业的用水特征，分析掌握各种需水的年内实际变化规律并进行合理预测。受不同因素影响，各行业的需水量变化过程不尽相同，但都具有以年为基本周期的变化规律，尤以农业需水量和生态环境需水量最为突出。受区域种植模式、作物生长规律、气候变化规律（特别是降水量变化规律）等的影响，农业灌溉需水量（或简称农业需水量）过程往往呈现出以年为基本周期的强烈变化规律；而且受降水量（尤其是在作物生长期内的有效降水量）不确定性的影响，不同来水年份不同季节同种农作物的需水量也是不同的；一般情况下某一时期降水量越多作物需水量就越小，降水量越少作物需水量就越大，因此有很强的不确定性。以黔中地区为例，该地区农业需水量主要集中于6—8月，基本是单峰型过程；2020年不同来水频率下黔中地区农业需水量过程如图5.1所示。与农业需水量不同，城镇生活、农村生活、工业和三产的需水量受人类社会活动规律的影响相对较大，受降水量变化的影响相对较小，在一定用水量条件下，年内需水量过程是相对稳定的，在水资源配置中通常近似认为各月相同；城镇生态需水过程、农村生态需水过程与农业需水过程类似，但由于其需要水利工程供应的水量在总需水量中的比重一般较小，因此在有的应用实例中为了简便省事也近似认为其需水量过程各年每月需水量相同。从周期规律和不确定性的角度看，生活、工业与三产、城镇生态、农村生态需水均具有以年为基本周期的周期规律。因此，在水资源配置和水库调度中，需水量都是按照年计划计算的。为了反映不同来水量对需水量的影响，通常按照典型年法，计算不同来水频率下的年内需水过程和年需水量。

从前述分析可知，来水和需水过程都存在周期性变化规律，在各种周期中，年周期最突出、最可靠，也比较容易运用。因此，在中长期水资源优化配置或水库优化调度中应该进行完整的年周期优化才相对合理，即使是不能够进行完全年调节的季调节水库也需要做完整的年调度利用计划；如果优化期短于一年，则不能够完整反映来水和需水的年周期变化，也就不能够很好地制定出较好的水库调节能力利用计划，从而影响中长期优化调度质量，即使是递推性质的中长期优化调度也是如此。

至于来水系列表现出来的多年周期是否可用，是否值得用，目前所见到的来水系列多年周期分析结果，都只能说明可能存在若干个时间长度不等的多年周期。从这些分析结果看，同一条河流或水库的来水系列可以得出多个时间长度不等的多年周期，相互掺杂，很难找出每个多年周期出现的规律，更无法找出它们的组合规律。由于各条河流的来水系列的长度都很有限，一般远远达不到寻找这种多年周期组合规律性所要求的长度。迄今为止实际观察得到的来水系列都没有能够满足实际利用要求的多年周期。另外，大多数河流水库调节库容相对有限，出于保障防洪安全的需要，汛期多数时间水库调节库容不敢充分利用，只有极小机会（即洪水大于等于水库设计洪水时）能充分利用。加之来水量过程的年周期性变化很强，汛期来水量很大，常常是枯水期的数倍甚至10多倍以上（集水面积越小的河道断面的来水量相差倍数越大），几乎年年汛期大多数水库都会产生弃水，因而没有进行多年调节的能力。例如，2016年，长江汛期降水量较多，尤其是中游地区降水量特别多，7月不仅沿江广大农村成为泽国，武汉市等不少城市街上也可以划船。即使在洪灾如此巨大的情况下，同期，三峡水库也只是利用小部分调节库容适当削减下泄洪量，减轻有关城市的防洪压力，蓄水位仍然保持在150多米。该蓄水位以上大部分调节库容仍然空着不敢用，因为不知道未来上游来水量多大。长江干支流其他大型水库也是如此。其他大江大河的大中型水库，遇到类似情况也是如此。即使是多年调节水库，多数也只是能够调节连续枯水年（像密云水库数十年蓄不满的个例极少）。在以往多年调节水库应用实践中，多采用确定型方法，都是按照设计枯水段（连续枯水年）和多年调节水库的调节库容进行跨年调节，没有考虑多年周期。所以，一般水资源系统或水库群缺乏进行多年周期的调控能力。另外从经济学或实际效益代价权衡的角度，把水资源系统或水库群的调控能力增加到能够调控完整的多年周期程度，一点不缺水，是很不经济的和很不现实的。总之从多方面看，目前及今后一段时期，来水的多年周期是不可能在实际的水资源配置和水库调度中广泛应用的，建立基于多年周期的水资源优化配置理论、方法和模型的难度是极大的。

3.2.3 需水与来水的相关性

社会经济需水及生态环境需水都与来水存在一定的相关性：年需水总量和年内各时段的需水量都与来水量特别是年降水总量和时段降水量有一定的相关性。农业需水量和生态环境需水量与降水量的相关关系最强，月旬降水量越多时段内的需水量就越小。降水量过程存在明显的年周期变化规律，农业需水量和生态环境需水量也存在很强的年周期变化规律。红枫湖水库的集水区域大致与研究区相同，该库来水量的变化基本上能够反映研究区的来水量变化情况。图3.5给出了不同来水频率年下，研究区的农业需水量和红枫湖水库来水量的月变化过程及年值的关系。该图显示，二者有明显的相关性，来水量越小的年份农业需水量越大。城乡居民生活需水量和二、三产业需水量，与来水量或降水量的相关性，远没有农业需水量和生态环境需水量那样明显。

3.2.4 发电与来水的相关性

水电站设计规模的大小以及电站建成后不同时间尺度内的发电量多少都与其所在河流断面的径流量存在直接而密切的关系，与集水区域的降水量有间接关系。径流量或降水量越多，电站的装机容量就越大，出力和发电量就越大，反之亦然。在既定的电站装机容量下，同样是径流量或降水量越多的年份或时段，电站出力和发电量就越大。水电站水库的综合利用调度（包括发电调度）也与来水量有密切关系。由于水电站的来水量一般具有明显的年周期变化特征，水电站的发电量也具有明显的年周期变化特征。

3.2.5 调水与来水的相关性

调水与来水的关系比同一地区需水与来水的关系更为复杂，因为调水量同时与调出区的来水量和需水量、调入区的来水量和需水量发生关系，还与水资源优化配置和工程调度有关。在工程调水能力制约下，调出区的来水量和需水量就直接决定可调水量的大小。一般是调出区的来水量越大，调出区的需水量越小，满足当地需水后，可调水量就越大。调入区的来水量和需水量的关系同3.2.3节所述。之所以建设调水工程，就说明调入区存在一定规模的缺水量。一般是调入区来水量越小，需水量越大，缺水量越大，需调水量就越大。通常，在需调水量不超过调出区的可调水量和工程调水能力的条件下，调水量就等于需调水量。这是简化的调水量与来水量的关系，没有考虑水资源优化配置、工程调度以及调出区与调入区来水的相关性以及水价关系等因素的影响。考虑这些因素影响后，会对调水量与来水量的上述基本规律有一些定量调整。

以本书研究的黔中水利枢纽工程为例，由于调入区与调出区的来水有较明显的同步性，采用调入区的来水频率统一确定系统的来水典型年。综合反映各种因素后，调水量与来水量呈负相关，即来水量越小调水量越大。丰、平、枯、特枯水年的平寨水库调水量依次为42278万m³、46813万m³、53556万m³、57518万m³。