梯度準(zhǔn)則在感潮地區(qū)水文測(cè)站布設(shè)的應(yīng)用研究

莫丹鋒

(上海市水文總站，上海 200232)

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梯度準(zhǔn)則在感潮地區(qū)水文測(cè)站布設(shè)的應(yīng)用研究

莫丹鋒

(上海市水文總站，上海 200232)

摘要：水文站網(wǎng)是開展水文工作的基礎(chǔ)，水文測(cè)站的布設(shè)直接影響到水文資料的可靠程度。本文針對(duì)感潮河網(wǎng)地區(qū)城市的水系及水文特點(diǎn)，研究適用于感潮河網(wǎng)地區(qū)的水文測(cè)站布設(shè)方法。以上海地區(qū)為例，根據(jù)梯度準(zhǔn)則對(duì)該地區(qū)水文測(cè)站布設(shè)進(jìn)行了研究和探索，并對(duì)黃浦江干流和蘇州河干流的測(cè)站布設(shè)數(shù)目的上限進(jìn)行分析，最終得出了可用上下游落潮平均流量作為上下游流量特征值進(jìn)行分析，同時(shí)也驗(yàn)證了廖喜庭經(jīng)過改進(jìn)的梯度法適用于感潮河網(wǎng)地區(qū)的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：梯度準(zhǔn)則;布設(shè)方法;感潮河網(wǎng);水文站網(wǎng);測(cè)站布設(shè)

在非潮水影響的地區(qū)，許多專家和學(xué)者已經(jīng)從各個(gè)角度作了大量的分析和研究，提出了各種水文站網(wǎng)的布設(shè)原則和方法[1-4],而感潮河網(wǎng)地區(qū)的測(cè)站布設(shè)研究還是空白。以上海地區(qū)為例,其地勢(shì)平坦，河網(wǎng)密布，河道相互貫通，感潮特點(diǎn)明顯，產(chǎn)匯流特性與單受洪水影響的地區(qū)明顯不同，河流由于同時(shí)受上游來水和下游潮流的雙重影響，水流條件復(fù)雜，河流流態(tài)屬于非穩(wěn)定流，加上大量水利工程建設(shè)使區(qū)域內(nèi)灌排泵站星羅密布，水文情勢(shì)十分復(fù)雜。上海地區(qū)水文測(cè)站的布設(shè)，要實(shí)現(xiàn)研究和控制整個(gè)上海地區(qū)的水文情勢(shì)，必須要以高于內(nèi)陸流域密度標(biāo)準(zhǔn)的水文站網(wǎng)，作為控制這類地區(qū)水文變化規(guī)律的基本水文站網(wǎng)。否則，區(qū)域性的規(guī)律便難以掌握，進(jìn)而影響到經(jīng)濟(jì)開發(fā)決策的正確性。

1布設(shè)方法

在水文測(cè)站布設(shè)工作中，我國(guó)多年來采用的主要有直線原則和區(qū)域原則。直線原則，即在流域面積超過3000 km2的河流的干流上，應(yīng)考慮到所布設(shè)的測(cè)站，能夠?qū)ρ睾恿魃先魏蔚攸c(diǎn)的各種徑流特征值(包括年徑流量、洪峰流量、洪峰總量等)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算和分析，并滿足水文情報(bào)和預(yù)報(bào)的要求。

直線原則在一定程度上體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)上的合理性和集約性，經(jīng)過大量實(shí)踐檢驗(yàn)證明，基本可行。但也存在一些缺陷，主要是不能直接估計(jì)布站總數(shù)目，不能確定布站數(shù)目的下限，只能用試算的方法確定布站數(shù)目的上限，并且缺乏保證率的概念，確定允許遞變率有一定的隨意性。

在我國(guó)具體應(yīng)用和實(shí)踐中，提出了改進(jìn)的直線原則，即按照梯度準(zhǔn)則和相關(guān)準(zhǔn)則，按照一定的保證率，來確定布站數(shù)目的上下限。按照梯度原則和相關(guān)準(zhǔn)則計(jì)算水文站布設(shè)的上限和下限值。

當(dāng)估算出布站數(shù)量后，選定布站位置時(shí)，還應(yīng)綜合考慮重要城鎮(zhèn)、重要經(jīng)濟(jì)區(qū)防洪的需要，大支流的匯入，大型湖泊、水庫的調(diào)蓄作用以及測(cè)驗(yàn)通訊和交通、生活條件等因素。

2梯度準(zhǔn)則

根據(jù)梯度準(zhǔn)則，對(duì)于集水面積超過3000 km2的大河干流，由于河流數(shù)目不多，每條河都應(yīng)該布設(shè)水文測(cè)站。按照數(shù)學(xué)內(nèi)插的概念，沿河流布設(shè)的水文站越密，內(nèi)插任何地點(diǎn)流量特征值的精度就越高。然而，由于存在測(cè)驗(yàn)誤差，在選擇布站位置時(shí)，必須使相鄰兩個(gè)測(cè)站之間的正常徑流深顯著不同，以免影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

此外，在一條河流的干流上布設(shè)水文站網(wǎng)，其中任何相鄰的兩個(gè)測(cè)站應(yīng)滿足這樣的條件:下游站與上游站流量特征值的比例應(yīng)大于一定的遞增率。也就是說，相鄰兩測(cè)站之間的正常徑流深之差要大于單站正常徑流深的測(cè)驗(yàn)誤差范圍，這樣布設(shè)的測(cè)站才有實(shí)際意義。因此，布站間距不宜過小，布站數(shù)目不宜過多。

根據(jù)梯度準(zhǔn)則，主要有一般梯度法，主要用于非感潮河網(wǎng)地區(qū)大河站布設(shè)；在發(fā)展和應(yīng)用實(shí)踐中，廖喜庭[5]依據(jù)直線原則的基本原理，對(duì)一般梯度法在感潮河網(wǎng)中的運(yùn)用進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)感潮河網(wǎng)地區(qū)的測(cè)站布設(shè)數(shù)目的上限進(jìn)行了分析和研究，得出了改進(jìn)的梯度法。兩種梯度法的計(jì)算過程具體如下。

(1)一般梯度法

根據(jù)遞變率原則，可導(dǎo)出確定布站數(shù)目的上限n的計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中:Qn、Q1為干流最上游和最下游兩個(gè)控制站的流量特征值；λ為相鄰兩站特征流量的遞增率；p0為當(dāng)相鄰站流量測(cè)驗(yàn)誤差恰好為一倍測(cè)驗(yàn)誤差時(shí)，判斷為測(cè)驗(yàn)誤差的概率，按等概率的概念p0=1/2；p1為把兩相鄰測(cè)站之間的流量變差完全誤判為測(cè)驗(yàn)誤差的允許概率，通常取0.1～0.2；η為測(cè)驗(yàn)誤差。

(2)廖喜庭改進(jìn)的梯度法

該法對(duì)于感潮河網(wǎng)地區(qū)而言，主要是按感潮河網(wǎng)地區(qū)相鄰兩站特征流量的遞增率λ，確定布站數(shù)目上限n的計(jì)算公式：

(3)

(4)

式中:Qn、Q1為某一出?？陂T的落潮流量和凈泄流量的多年平均值；λ為相鄰兩站特征流量的遞增率；α是按一定保證率確定的倍比系數(shù)；β1、β2分別為測(cè)驗(yàn)允許誤差和調(diào)蓄不確定性的相對(duì)誤差。

測(cè)驗(yàn)條件好時(shí)，α取2.0；困難時(shí)α取5.0；β1通常取0.05～0.10，β2若以河槽調(diào)蓄為主，取0.01；若河槽河網(wǎng)同時(shí)調(diào)蓄，取0.05。

因此，只要知道某一出?？陂T(水道)的凈泄及落潮特征流量，就可以求得口門以上、潮流界以下范圍內(nèi)應(yīng)該布設(shè)的流量站點(diǎn)數(shù)目。

3梯度準(zhǔn)則的實(shí)際應(yīng)用

3.1黃浦江干流的布站數(shù)目計(jì)算

黃浦江[6]是長(zhǎng)江的最后一條支流，其貫穿上海大陸部分，具有排水、引水、通航、供水等多種功能。黃浦江干流目前屬于自然河流，受潮汐影響。

黃浦江[7]布站數(shù)目采用廖喜庭改進(jìn)的梯度法進(jìn)行演算，該法對(duì)測(cè)站布設(shè)數(shù)的計(jì)算區(qū)間為測(cè)站以上，潮流界以下。對(duì)黃浦江而言，吳淞口斷面距離河口1.3 km，此為測(cè)站以上，即分析的下邊界。

分析區(qū)間的上邊界，需要對(duì)黃浦江的潮流界進(jìn)行分析。根據(jù)潮流界的含義，潮流界是漲潮流上溯到一定的距離，當(dāng)漲潮流速為零時(shí)，其達(dá)到的最遠(yuǎn)斷面，即在潮流界以上無漲潮流。黃浦江的潮汐情況為：當(dāng)潮波進(jìn)入黃浦江以后，受河岸的約束和徑流的頂托，逐漸演變?yōu)橹芷谛詽q落，流向?yàn)橥鶑?fù)流。潮波沿黃浦江上溯的過程中，因水深的原因，波峰的傳播速度比波谷快，使得前坡變陡，后坡變緩。黃浦江越往上游，潮波形態(tài)變化越不明顯，使高低潮時(shí)刻也隨之調(diào)整，致使?jié)q潮歷時(shí)逐漸縮短，而落潮歷時(shí)逐漸延長(zhǎng)；黃浦江越往上游，最高潮位、多年平均高潮位越低，最低潮位、多年平均低潮位越高；黃浦江越往上游，潮差越小，年內(nèi)汛期潮差大于非汛期，大潮潮差約為小潮的3倍。

由于黃浦江上游支流有多處，本次分析只取一處為例，選取攔路港一線作為分析的上邊界選擇區(qū)域。黃浦江從淀峰到吳淞口全長(zhǎng)113.4 km，其中干流段82.5 km。目前從淀峰到吳淞口一線測(cè)站布設(shè)情況，如圖1所示，主要布設(shè)有河祝、泖甸、夏字圩、米市渡、松浦大橋，黃浦公園、吳淞口等水文測(cè)站,其中水文站布設(shè)3處，分別為松浦大橋、夏字圩、河祝3個(gè)水文站。

圖1　黃浦江干流水文測(cè)站布設(shè)圖

對(duì)攔路港上邊界潮流界的分析，以沿線各處水位站連續(xù)兩天潮位測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)。如圖2第二潮所示，同一潮水，吳淞口斷面漲潮潮差達(dá)到3.12 m，落潮潮差達(dá)到3.07 m；松浦大橋斷面漲潮潮差為1.50 m，落潮潮差為1.45 m；夏字圩斷面漲潮潮差1.09 m，落潮潮差為1.06 m；而在河祝斷面，水位過程近乎平齊，變幅微小，漲潮潮差僅為0.18 m，落潮潮差僅為0.15 m。

圖2　黃浦江沿程水位變化趨勢(shì)圖

由此可見，黃浦江的漲潮流影響，從下游到上游逐漸減弱，水位變幅越來越小。但至攔路港入淀山湖湖口仍有漲落潮現(xiàn)象，當(dāng)潮波入湖后，受淀山湖湖體的影響，上溯的江潮能量銳減，使淀山湖的感潮特征弱，因此，淀山湖是受潮汐影響的弱感潮型湖泊。對(duì)淀山湖各入湖河道來講，已受不到潮汐的影響。另外，根據(jù)多年的調(diào)查資料顯示，到攔路港河口入淀山湖處，已幾乎不受漲潮流的影響，由此可判定潮流界為淀山湖，即分析區(qū)間的上邊界。

綜上所述，可判定黃浦江測(cè)站布設(shè)數(shù)目的計(jì)算區(qū)間為吳淞口以上，淀山湖以下。

由于吳淞口斷面流量測(cè)量資料較少，采用松浦大橋同步期對(duì)比系列及其代表性流量數(shù)據(jù)來估算吳淞口斷面年潮流均值，得出吳淞口斷面年落潮流量為1691 m3/s，年漲潮流量為1342 m3/s，年凈泄流量為349 m3/s。

根據(jù)廖喜庭改進(jìn)的梯度法，采用吳淞口估算年流量特征值來進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)河流情況，對(duì)參數(shù)分別進(jìn)行確定，對(duì)式(3)進(jìn)行取值，其中，α取2.0；β1取0. 05，β2取0.05。式(4)中Qn、Q1為吳淞口站的落潮流量和凈泄流量的多年平均值，分別為1691 m3/s，349 m3/s，則有

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論，n的取值為小于等于9，即吳淞口以上、淀山湖以下范圍內(nèi)的流量站不得大于9個(gè)站，此為測(cè)站布設(shè)的上限。

目前這段河流測(cè)站布設(shè)數(shù)目，僅水文站而言，目前布設(shè)3處，符合所算結(jié)論。但是，測(cè)站布設(shè)是否過少，目前難以有效的進(jìn)行判別。

3.2蘇州河干流的布站數(shù)目計(jì)算

蘇州河為中等感潮河流，既有上游來水，又受下游潮水作用，目前上下游各布設(shè)一個(gè)水文站測(cè)量流量，如圖3所示，分別為浙江路橋和黃渡兩個(gè)水文站。黃渡站距河口31.7 km，是蘇州河上游來水的控制站。浙江路橋站距河口1.7 km，無支流匯入，從水量上看可當(dāng)作河口處理，是蘇州河下游水情的控制站。

圖3　蘇州河干流測(cè)站布設(shè)圖

3.2.1廖喜庭改進(jìn)的梯度法

選擇蘇州河閘外站為下邊界，上邊界的選擇需對(duì)蘇州河的潮流界進(jìn)行分析。以連續(xù)兩天潮流測(cè)量數(shù)據(jù)為例，如圖4第三潮所示，同一潮水，蘇州河閘外站斷面漲潮潮差為2.88 m，落潮潮差為2.90 m；至黃渡斷面，水位過程近乎平齊，變幅微小，漲潮潮差為0.20 m，落潮潮差為0.13 m，潮汐現(xiàn)象幾乎消失，由此可認(rèn)定蘇州河閘外站為潮流界。

圖4　蘇州河沿程水位變化趨勢(shì)圖

依據(jù)廖喜庭改進(jìn)的梯度法，對(duì)式(3)參數(shù)取值為：α取2.0；β1取0.05，β2取0.05。式(4)中Qn、Q1為浙江路橋站的落潮流量和凈泄流量的多年平均值，分別為67.9 m3/s，31.8 m3/s，則有

對(duì)蘇州河測(cè)站布設(shè)數(shù)目的演算結(jié)果表明，蘇州河測(cè)站布設(shè)水文站數(shù)的上限值為5個(gè)。

3.2.2一般梯度法的試算

一般梯度法是用干流最上游和最下游兩個(gè)控制站的流量特征值計(jì)算的梯度法。此法在感潮河流的應(yīng)用是否適用，根據(jù)本市水文站的布設(shè)情況，這里用在蘇州河進(jìn)行試算。一般梯度法中，Qn、Q1為干流最上游和最下游兩個(gè)控制站的流量特征值。由于其公式一般適用于干流以受洪水影響為主的區(qū)域，而潮量站的凈泄流量數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)特小，甚至是負(fù)數(shù)的情況。由于蘇州河感潮河流的特性，本次試算采用的流量值為落潮平均流量。根據(jù)浙江路橋2008年所測(cè)流量資料分析。

依據(jù)一般梯度法，對(duì)式(2)參數(shù)取值，取p1=0.15，p0=0.5，η=0.05。對(duì)式(1)中，Qn、Q1為浙江路橋和黃渡站的落潮平均流量，分別為67.9 m3/s，31.8 m3/s，則有

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論，n的取值為小于等于5，即黃渡站以上、浙江路橋站以下范圍內(nèi)的流量站不得大于5個(gè)站，此為上限。兩種梯度法所算結(jié)果基本一致。

4結(jié)論和建議

本文根據(jù)上海地區(qū)感潮河網(wǎng)的特性，從站網(wǎng)布設(shè)的角度出發(fā)，根據(jù)梯度原則，進(jìn)而采用其延伸方法——一般梯度法和廖喜庭改進(jìn)的梯度法，對(duì)黃浦江干流和蘇州河干流測(cè)站布設(shè)數(shù)目進(jìn)行分析，并首次對(duì)一般梯度法在感潮河網(wǎng)地區(qū)的運(yùn)用進(jìn)行了分析和研究。

通過資料分析得出蘇州河測(cè)站布設(shè)的數(shù)目，并分別采用兩種梯度法進(jìn)行計(jì)算，所算結(jié)果一致，均顯示出蘇州河測(cè)站布設(shè)水文站數(shù)上限為5個(gè)。研究表明，以上下游落潮平均流量作為上下游流量的特征值，可以適用于用一般梯度法確定感潮河流的流量測(cè)站布設(shè)數(shù)目的上限，并進(jìn)一步驗(yàn)證了廖喜庭改進(jìn)的梯度法可適用于感潮河網(wǎng)地區(qū)。

然而，由于感潮河網(wǎng)的特性，集水面積無法計(jì)算，因此測(cè)站布設(shè)的下限值如何計(jì)算還需要進(jìn)一步的研究和分析。

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)水文資料的精度要求日益提高，建議在目前的流量測(cè)站布設(shè)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加密水位站網(wǎng)建設(shè)，主要用以監(jiān)測(cè)水位的沿程變化。布設(shè)原則要滿足內(nèi)插精度要求，相鄰站之間的水位落差不被觀測(cè)誤差所淹沒的要求，并滿足防汛抗旱、分洪滯洪、引水排水、水利工程或交通運(yùn)輸工程的管理運(yùn)用等需要，以及滿足江河沿線任何地點(diǎn)推算水位流量的需要。

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Application on gradient method used in tidal river network hydrological station layout

MO Danfeng

(ShanghaiHydrologyStation,Shanghai200232,China)

Abstract：This paper was based on the characteristics of the tidal river network of Shanghai.It tried to use the gradient method to research and seek the hydrological station layout of this region,as well as analyzed the upper limit of the number of station layout on the main stream of the Huangpu River and Suzhou River.Finally it gets the conclusion that the mean flow rate of the ebb tide of the upstream and downstream can be used as the flow rate characteristic value of the upstream and downstream to analyze,at the same time,it also verifies the viewpoint that the gradient criterion which is improved by Liao Xiting is applied to the tidal river network areas.

Key words：gradient method;method of layout;tidal river network;hydrological station network;station layout

中圖分類號(hào)：P336

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-0506(2016)01-0001-05

作者簡(jiǎn)介：莫丹鋒(1982-)，女，工程師，主要從事水文站網(wǎng)規(guī)劃和水文分析工作。E-mail：modf1900@163.com

基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)( 201201068)