梨園河流域水文資料插補延長方法研究

程建民，陳永娟

（甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅張掖734000）

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梨園河流域水文資料插補延長方法研究

程建民，陳永娟

（甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅張掖734000）

摘要：梨園河為我國西北第二大內(nèi)陸河流黑河的最大支流，由于水文測站的多次遷移變更，使得水文系列斷續(xù)不完整。文章通過流域各水文站測流及遷移變更資料調(diào)查分析，利用水量平衡法進行還原計算，利用上下游站同期觀測資料相關性進行插補展延，各相關測站之間具有明顯的相關關系，相關系數(shù)在0.9以上，經(jīng)假設檢驗，相關關系顯著，據(jù)此插補展延的資料精度較高，滿足徑流地區(qū)和時程分布規(guī)律，可用于流域水利規(guī)劃設計等工作。

關鍵詞：水文資料；插補延長；方法研究；梨園河

梨園河屬于內(nèi)陸河黑河水系，是黑河最大的一級支流，也是臨澤縣縣城及梨園河灌區(qū)最重要的水源。梨園河原有干溝門水文站和梨園堡水文站。干溝門水文站控制流域面積839km2，1961年4月設立，測至1984年1月下遷至肅南縣城，改名肅南水文站，距干溝門站約5.0km，流域面積1080km2；梨園堡水文站為梨園河出山徑流控制站，控制流域面積2240km2，1949年4月設站，1954年開始有了完整的水文資料，1975年鸚鴿嘴水庫蓄水后，梨園堡水文站實測流量過程為該庫的下泄水量與區(qū)間產(chǎn)流量，其實測徑流過程已不能代表天然徑流過程，1990年撤消上遷至鸚鴿嘴水庫，控制流域面積1620km2。流域內(nèi)水文資料相對較多，但資料系列不連續(xù)，梨園堡站資料的缺失對梨園河出山徑流計算帶來很多不便。為此，對梨園河流域各站水文資料進行插補延長，為流域內(nèi)水利規(guī)劃、水資源調(diào)查評價、水資源合理配置等工作提供基礎依據(jù)，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1　河流概況

1.1 河流水系

梨園河發(fā)源于祁連山北麓的鍋蓋溝與馬圈溝，源地海拔高程4755m，河流自西北流向東南，于白泉門轉(zhuǎn)折流向東北，于肅南縣紅灣寺匯東柳溝、西柳溝，向下流經(jīng)途中納入青溝、海牙溝和白楊溝，經(jīng)駱駝脖子至梨園堡出山后折向北流，于臨澤縣城東側(cè)直下至野溝灣匯入黑河。鸚鴿嘴水庫以上為隆暢河，鸚鴿嘴至出山口為梨園河，出山口以下為大沙河。河流流經(jīng)肅南縣和臨澤縣，在臨澤縣野溝灣匯入黑河，河流全長169km，黑河入河口以上流域面積3162km2，梨園堡水文站以上流域面積2240km2，河流長度107km，干流平均坡降21.1‰。

1.2 氣象

梨園河流域?qū)儆诖箨懶詺夂騾^(qū)。夏季酷熱，降雨稀少、蒸發(fā)強烈，冬季寒冰，長達四個月之久。降水量自上游至下游逐漸減少，蒸發(fā)量逐漸增加。

根據(jù)臨澤縣氣象局提供的梨園口1971～2010年氣象資料統(tǒng)計，梨園口多年平均氣溫7.3℃，多年平均降水量163.3mm，多年平均蒸發(fā)量2013.7mm（口徑20cm蒸發(fā)器觀測值，換算成E-601型蒸發(fā)器觀測值為1308.9mm），最高氣溫38.1℃，最低氣溫-30.1℃，平均風速3.6m/s，多年平均年最大風速17.6m/s，歷年最大風速24.3m/s，最多風向為西北風，年日照時數(shù)3051.1h，無霜期179 d，最大積雪深度為10cm，相對濕度54%，最大凍土深139cm。

1.3 水文特征

梨園河徑流主要由降水和融冰化雪所補給，徑流在年內(nèi)分配極不均勻，絕大部分集中在每年汛期6～9月。根據(jù)梨園堡站1956.7～2010.6年55年徑流系列進行計算，多年平均7.69m3/s，多年平均徑流量為2.428億m3。

降水是梨園河流域的主要補給來源，河流來水量隨雨量的變化而變化，流量過程與雨量過程基本相應，主要來水量集中在汛期。但高山地帶為固體降水，部分轉(zhuǎn)化形成冰川，再由冰川融化補給河流。非汛期河流主要是山區(qū)地下水補給。

徑流年際變化的總體特征常用變差系數(shù)Cv或年極值比（最大、最小年流量的比值）來表示。Cv反映一個地區(qū)徑流過程的相對變化程度，Cv值大表示徑流的年際豐枯變化劇烈，對水資源的利用不利。梨園堡站的Cv值為0.16，年極值比為1.97，是我國和西北地區(qū)徑流年際變化的低值區(qū)，說明梨園河年徑流量的多年變化是相對穩(wěn)定的。

徑流的年內(nèi)分配因受補給條件的影響四季分明，一般規(guī)律是：冬季由于河流封凍，徑流靠地下水補給，最小流量出現(xiàn)在1～2月份，這一時期為枯季徑流，1～3月來水量占年總量的2.21 %；4月以后氣溫明顯升高，流域積雪融化和河網(wǎng)儲冰解凍形成春汛，流量顯著增大，4～5月來水量占年來水量的10.02 %，這一時節(jié)正值農(nóng)田苗水春灌時期。夏秋兩季是流域降水較多而且集中的時期，也是河流發(fā)生洪水的時期，6～9月來水量占年來水量的78.98 %，10～12月為河流退水時段，河流來水量受降水量減少的影響，流量逐步減小至基流狀態(tài)，其來水量占年來水量的8.80%。

2　天然徑流還原計算

梨園河流域既有跨流域調(diào)水、又有農(nóng)業(yè)用水，因此對各站徑流系列應進行還原計算。

2.1 肅南站天然月平均流量還原計算

肅南站上游300m處左岸有西柳溝匯入，從1964年起西柳溝上游由紅星洞子渠向大河峽水庫跨流域引水，年平均引水流量約0.30m3/s，實測資料中沒有這部分水量，在天然月平均流量的還原計算中需要將跨流域調(diào)水流量進行逐月還原，其還原計算方法見公式（1）：

式中：Q肅南天然為肅南站天然月平均流量（m3/s）；

Q肅南實測為肅南站實測月平均流量（m3/s）；

Q跨調(diào)為流域內(nèi)跨流域調(diào)水月平均流量（m3/s）。

2.2 鸚鴿嘴站天然月平均流量還原計算

鸚鴿嘴站天然徑流的還原計算與肅南站相同，其還原計算方法見公式（2）：

式中：Q鸚鴿嘴天然為鸚鴿嘴站天然月平均流量（m3/s）；

Q鸚鴿嘴實測為鸚鴿嘴站實測月平均流量（m3/s）；

Q跨調(diào)為流域內(nèi)跨流域調(diào)水月平均流量（m3/s）。

2.3 梨園堡站天然月平均流量還原計算

梨園堡站上游2.0km處有南、北二條灌溉引水渠，1974年以前兩渠道沒有設站進行觀測，1975年以后設站觀測至1989年底，1989年以后灌區(qū)已達到最大化，需水量基本穩(wěn)定；跨流域調(diào)水情況與肅南站相同。在進行天然月平均流量的還原計算中應將這兩部分進行還原，其還原計算方法見公式（3）：

式中：Q梨園堡天然為梨園堡站天然月平均流量（m3/s）；

Q梨園堡實測為梨園堡站實測月平均流量（m3/s）；

Q跨調(diào)為梨園堡站流域內(nèi)跨流域調(diào)水月平均流量（m3/s）；

Q農(nóng)業(yè)用水量為梨園堡站流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水月平均流量（m3/s）。

3　資料插補延長

由于梨園河各水文站資料觀測年份長短不一，現(xiàn)在肅南站和鸚鴿嘴水庫水文站成為今后長期觀測站。在全國第一次水資源調(diào)查評價時，要求資料系列從1956年開始。本次要將各觀測站的資料系列進行插補延長，達到全國地表水資源調(diào)查評價要求的資料系列長度，即1956～2011年。

3.1 肅南站資料系列插補延長

（1）用干溝門站實測資料插補延長肅南站資料

干溝門水文站于1961年4月設站，至1984年撤消；肅南站1984年設站觀測至今。兩站在1984年進行了同步對比觀測，資料見表1。

將表1中的同步觀測資料點繪在相關圖上，見圖1。從圖中可以看出，相關關系密切，相關系數(shù)R=0.9998，點據(jù)分布在一條曲線上，由此可依據(jù)干溝門站1961年4月至1983年的實測資料，延長肅南站的資料系列。資料插補延長模型見式（4）：

表1　梨園河干溝門站與肅南站1984年同步比側(cè)資料　　單位：m3/s

式中：Q肅南為肅南站月平均流量（m3/s）；

Q干溝門為干溝門站月平均流量（m3/s）。

圖1　梨園河干溝門站、肅南站同步比測資料相關圖

3.2 用梨園堡站實測資料插補延長肅南站資料

用干溝門站實測資料插補延長肅南站的資料只能到1961年4月，1956年1月～1962年3月的資料系列用下游梨園堡站實測資料插補延長。

點繪梨園堡站與肅南站同步觀測期逐月平均流量相關關系，見圖2，從圖中可以看出，相關點子密集呈帶狀，相關關系好，相關系數(shù)R=0.992，通過置信度α=0.01的F檢驗，具有統(tǒng)計意義，可用于插補、延長缺測資料。

資料插補延長模型見式（5）：

式中：Q肅南為肅南站月平均流量（m/s）；

Q干溝門為梨園堡站月平均流量（m3/s）。

圖2　梨園河梨園堡站與肅南站同步比測資料相關圖

3.3 鸚鴿嘴站資料系列插補延長

梨園堡水文站上游鸚鴿嘴水庫蓄水后，該站實測資料已失去了天然徑流過程的特性，于1990年撤消梨園堡站，上遷至鸚鴿嘴水庫設鸚鴿嘴水庫水文站，系統(tǒng)觀測鸚鴿嘴水庫壩上水位（水庫蓄變量）、鸚鴿嘴水庫（輸二）、鸚鴿嘴水庫（電站）、鸚鴿嘴水庫（溢）等斷面，資料整編時對月年入庫流量進行了還原計算。用肅南站1990～2011年逐月平均流量與鸚鴿嘴水庫同步期逐月平均流量進行相關，見圖3。從圖中可以看出，相關點子密集呈帶狀，相關系數(shù)R=0.9933，通過置信度α=0.01的F檢驗，具有統(tǒng)計意義，可用于插補、延長缺測資料。據(jù)此可根據(jù)肅南站的資料系列向前延長鸚鴿嘴水庫的資料系列。資料插補延長模型見式（6）：

式中：Q鸚鴿嘴為鸚鴿嘴站月平均流量（m3/s）；

Q肅南為肅南站月平均流量（m3/s）。

圖3　梨園河肅南站與鸚鴿嘴水庫站逐月流量相關圖

3.4 梨園堡站資料系列插補延長

梨園堡站自1949年4月設站，1956年以前的資料多為浮標測量，資料質(zhì)量相對較差，為此，在全國第一次水資源調(diào)查評價時，要求資料系列從1956年開始。1956年至1974年底，斷面實測流量均為天然徑流過程，1975年1月以后受鸚鴿嘴水庫蓄水的影響，實測流量為該水庫的出庫流量，不代表天然徑流過程。為此1975年以后的實測流量以及1990年以后的缺測流量均需要還原計算和插補延長。

肅南水文站為國家級重要水文站，將長期駐守觀測。因此，用肅南水文站1962～1974年同步觀測的逐月平均流量建立相關關系，見圖4。從圖中可以看出，相關點密集呈帶狀，相關系數(shù)R= 0.991，通過置信度α=0.01的F檢驗，具有統(tǒng)計意義，可用于插補、延長缺測資料。據(jù)此可根據(jù)肅南站的資料系列向前延長梨園堡站的資料系列。資料插補延長模型見式（7）：

式中：Q梨園堡為梨園堡站月平均流量（m3/s）；

Q肅南為肅南站月平均流量（m3/s）。

圖4　梨園河肅南站與梨園堡站月平均流量相關圖

4　插補資料合理性分析

4.1 上下游站逐年徑流過程線檢查

梨園河地處祁連山區(qū)，流域內(nèi)人為活動小，下墊面條件基本為天然狀態(tài)。點繪梨園河各站的年徑流過程線見圖5。從圖中可以看出，各站年平均流量變化過程線呈略有增加的趨勢，肅南站增加速率為0.102m3s-1/10a，鸚鴿嘴站增加速率為0.0166m3s-1/ 10a，梨園堡站增加速率為0.193m3s-1/10a，說明隨著祁連山氣溫升高和降水量增加，各斷面逐年平均流量過程相應有所增加，增幅隨流域面積的增大而增加。但對各站年平均流量過程的趨勢線進行顯著性檢驗時，均顯示趨勢不顯著，說明梨園河流域各站的多年平均流量基本穩(wěn)定。

圖5　梨園河各站年徑流量逐年變化過程線

4.2 流域降水量與徑流深對照檢查

點繪梨園河肅南站年降水量與梨園堡站的年徑流深逐年變化過程線見圖6，從圖中可以看出，梨園河逐年降水量與出山徑流量的變化過程基本一致，降水量和徑流深的整體變化都有增加的趨勢，降水量增加速率為0.80mm/a，徑流深增加速率為0.198mm/a，降水量增加速率大于徑流深增加速率，說明出山徑流量變化過程合理。

4.3 相鄰站年徑流量雙累積曲線檢查

用一個流域的累積徑流量與同步期相鄰流域的累積徑流量相關關系，能夠揭示出河流水情或者河道特性漸進的或突然的變化。為此，將梨園河梨園堡站與黑河鶯落峽站1956～2011年的逐年徑流量分別進行累積相加，點繪同步資料系列相關圖見圖7，從圖中可以看出，相關點子密集成一條線，對應關系較好，說明梨園河出山徑流量與黑河出山徑流量的變化趨勢是一致的，由此說明梨園堡站資料系列在面上對照是合理的。

圖6　梨園河肅南站年降水量、梨園堡站徑流深逐年變化過程對照

圖7　梨園河梨園堡站、黑河鶯落峽站年徑流量雙累積曲線

由以上分析可以看出，梨園河流域插補延長后的各站資料的代表性、可靠性、一致性均較好，能夠滿足梨園河流域水資源規(guī)劃的要求。

5　結(jié)語

（1）梨園河原有的干溝門水文站、梨園堡水文站和后來遷移形成的肅南水文站、鸚鴿嘴水庫水文站是梨園河上的控制性水文站點，由于近些年的跨流域調(diào)出水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，各測站徑流系列的一致性遭到破壞，需進行還原計算。文中采用水量平衡法，將各測站徑流系列一致性破壞時點以后發(fā)生的跨流域調(diào)出水量和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水

量加入實測徑流量中即得天然情況下的河道徑流量。

（2）由于各水文站的遷移變更，徑流系列斷續(xù)不完整，需進行插補延長。各水文站之間具有不同時間間隔和跨度的同步觀測資料，可分別利用其進行缺測年份資料的插補展延。經(jīng)相關分析，各相關測站之間的相關系數(shù)在0.9以上，經(jīng)假設檢驗，相關關系顯著，據(jù)此插補展延的資料精度較高，符合徑流地區(qū)和時程分布規(guī)律。

（3）通過上下游站逐年徑流過程線對照檢查，各測站年平均流量呈增加趨勢，且符合徑流的空間變化特征，但經(jīng)顯著性檢驗，這種增加趨勢不顯著。

（4）經(jīng)流域降水量與徑流深對照檢查，降水量增速大于徑流深增速，符合徑流與降水的關系特征。

（5）經(jīng)與相鄰黑河流域水文站年徑流量雙累積曲線對照檢查，各相關點密集成一直線，對應關系較好，表明梨園河徑流與黑河徑流變化趨勢一致，本次插補展延的各測站資料可靠性較好，可用于流域水利規(guī)劃設計等工作。

參考文獻

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作者簡介：程建民（1964年—），男，高級工程師。

收稿日期：2015-07-15

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.009

中圖分類號：TV121

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）03-0022-04