上海近岸長時序潮位頻率對比

郭超穎

摘要：應(yīng)用MATLAB工具箱，設(shè)計了基于P-Ⅲ分布曲線和Gumbel曲線的潮位頻率計算軟件。然后應(yīng)用上海市沿岸5個長期驗潮站（南門港、橫沙、長興、吳淞以及中浚） 最近幾十年的最高潮位數(shù)據(jù)，對上海市沿海潮位頻率進行計算，并對其計算結(jié)果進行對比分析。計算結(jié)果表明，P-Ⅲ分布曲線和Gumbel曲線都能很好的擬合經(jīng)驗頻率點。相比較而言，P-Ⅲ分布曲線計算得到重現(xiàn)期為50、100、200年的最高潮位要略大于Gumbel曲線的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：P-Ⅲ分布曲線 Gumbel曲線 潮位

引言

據(jù)資料記錄，近年來長江、黃浦江等河段的年最高潮位都有明顯的上升趨勢。極值潮位的變化，將影響到沿海地區(qū)的工程規(guī)劃設(shè)計。因此極值潮位的計算就具有十分重要的意義。目前，極值潮位的計算方法主要有疊加法、組合頻率法和直接頻率分析法等，其中應(yīng)用最為廣泛的是直接頻率分析法。而對極值潮位的頻率分布線型，城市防洪工程設(shè)計規(guī)范、電力工程水文技術(shù)規(guī)程以及提防工程設(shè)計規(guī)范等中對其采用的線型和計算方法都有明確的規(guī)定，交通部門規(guī)定采用的線型為Gumbel分布曲線，水文部門則一般采用P一Ⅲ型分布曲線。華家鵬利用我國37個測站的潮位數(shù)據(jù)，分別比較了P—Ⅲ和Gumbel曲線的擬合效果，指出P-Ⅲ型分布曲線能較好地擬合最高潮位系列，在潮位頻率分析中是一種合適的線型。陳治安等對P-Ⅲ和Gumbel兩種線型也進行了比較，其研究結(jié)果指出對高潮位系列，P-Ⅲ型的適應(yīng)性較強。

MATLAB是數(shù)值計算方面首屈一指的數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件。MATLAB的工具箱中有一專門為進行數(shù)理統(tǒng)計分析而設(shè)計的工具箱，其包含極其豐富的概率論及數(shù)理統(tǒng)計分析方面的專用數(shù)學(xué)函數(shù)，極其適用于工程水文分析計算中的常規(guī)統(tǒng)計分析與計算工作，可大大節(jié)省設(shè)計人員為基本統(tǒng)計分析與計算進行程序設(shè)計的編程工作量，提高工作效率。

本文應(yīng)用MATLAB工具箱，設(shè)計了基于P-Ⅲ分布曲線和Gumbel曲線的潮位頻率計算軟件。然后應(yīng)用沿岸各長期驗潮站（南門港、橫沙、長興、吳淞以及中浚） 最近幾十年的最高潮位數(shù)據(jù)，對上海市沿海潮位頻率進行計算，并對其計算結(jié)果進行對比分析。

各潮位站最高高潮位的概率估計

本文收集了上海沿岸的五個長期驗潮站（南門港、橫沙、長興、吳淞以及中浚）最近幾十年的最高高潮位觀測資料（表1）。將各個站點各年的最高潮位數(shù)據(jù)進行多年一遇重現(xiàn)期的推算。用Gumbel法和Pearson—Ⅲ型分布法分別對上海長江口地區(qū)5個潮位站最高高潮位重現(xiàn)期進行計算，并對二者計算出的潮位數(shù)值進行對比分析。

南門港、長興、橫沙、吳淞和中浚潮位站最高高潮位Pearson—Ⅲ型和Gumbel分布曲線如下面5幅圖所示。5個潮位站的Pearson—Ⅲ型分布曲線和Gumbel分布曲線在中頻區(qū)（5%-90%）較為吻合，且與經(jīng)驗點據(jù)擬合度最高；在高頻區(qū)（5%）和低頻區(qū)（90%）兩條曲線相差較為明顯，在高頻區(qū)和低頻區(qū)Pearson—Ⅲ型分布曲線對應(yīng)的設(shè)計高潮位值比Gumbel分布曲線略高。對P—Ill型分布，水文設(shè)計中常認為其參數(shù) Cs/Cv在2～5之間，如果按此范圍進行經(jīng)驗適線，則經(jīng)驗頻率與理論頻率擬合效果并不理想，因此只有加大 Cs/Cv的比值，本文中五個站點的取值各不相同，在19-28之間，雖然擬合程度較好，但是遠遠Cs/Cv的比值超出水文設(shè)計習(xí)慣采用的值。造成P-Ⅲ型分布Cs/Cv的比值異常的原因在于年最高潮位系列的變化幅度遠小于河道內(nèi)流量的變化幅度，因此Cv值通常都較小，本文中Cv都低于0.1；而洪水的頻率分析中，Cv一般都較大， 有些地區(qū)甚至達到0.8以上。因此，洪水頻率分析中Cs/Cv為2～5的取值不能在最高高潮位計算時直接使用。前人的研究曾對采用P—Ill型分布進行潮位頻率分析時 Cs/Cv的變化范圍進行了探討，李世才等[10]通過對廣西沿海地區(qū)6個潮位站的數(shù)據(jù)分析，認為Cs/Cv的取值范圍為10～95。聞余華[11]對江蘇沿海地區(qū)的潮位分析中所采用的Cs/Cv取值范圍為8～12?？梢妼τ贑s/Cv的取值前人的研究結(jié)論相差較大。對Gumbel分布，在頻率分析時的偏態(tài)系數(shù)取固定值，從而可以回避了這一問題。

表 2給出了兩種曲線分別計算的重現(xiàn)期為50、100、200年時5個潮位站的高潮位值。可以看出，運用Pearson-Ⅲ型分布法計算出的上海近岸5個潮位站最高高潮位值比由Gumbel法計算出的結(jié)果稍高，可見，對于上海沿岸潮位站來說，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化過的Pearson—Ⅲ型分布所求得的極值水位對海岸工程具有更高的安全系數(shù)。但由這2種方法計算出的各個潮位站最高高潮位值的變化趨勢大體上是一致的。

比較5個潮位站的Pearson-Ⅲ型分布曲線和Gumbel分布曲線與經(jīng)驗頻率曲線的擬合度（），可以發(fā)現(xiàn)南門港、長興、橫沙、吳淞和中浚的5個潮位站Pearson-Ⅲ型分布曲線和Gumbel曲線與經(jīng)驗頻率點據(jù)擬合程度都很高，均大于95%。但相對來說，Pearson-Ⅲ型分布曲線的結(jié)果的擬合程度更高，Gumbel型分布曲線則相對較差一些。

結(jié)論

Gumbel法是《港口工程技術(shù)規(guī)范》中指定的最高高潮位設(shè)置值重現(xiàn)期計算方法，簡單易用，便于操作運算。而Pearson—Ⅲ型分布則是水文分析中常用的頻率分布曲線。在本文中，5個潮位站的Pearson—Ⅲ型分布曲線與經(jīng)驗點的擬合度均比Gumbel曲線高，且在低頻區(qū)（200-50年重現(xiàn)期）范圍內(nèi)，Pearson—Ⅲ型分布曲線計算得到的設(shè)計最高高潮位值相對較高，海洋工程設(shè)計也具有更高的安全系數(shù)，因此對于上海地區(qū)不同重現(xiàn)期下極值水位設(shè)計高潮位計算方法的選擇而言，Pearson—Ⅲ型分布曲線更適合。

（作者單位：上海市水務(wù)（海洋）規(guī)劃設(shè)計研究院）

基金項目：上海市海洋局科研項目（滬?？谱諿2012]04號）