深圳市重要河流水文站網(wǎng)布設(shè)技術(shù)探討

程正選 劉廣山 何 良

深圳市河流眾多，其中深圳河、茅洲河、龍崗河、觀瀾河、坪山河5條河流流域面積超過100 km2，5條河流流域總面積占深圳市陸域國土總面積的61%，在深圳市國民經(jīng)濟發(fā)展和防汛減災(zāi)中占有重要地位。大沙河是深圳市第二大排洪河，上游的西麗水庫和長嶺陂水庫，不僅是深圳市重要的水源地，同時承擔(dān)著城市防洪的重要責(zé)任，流域內(nèi)分布有大學(xué)城、高新科技園和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)城，社會經(jīng)濟地位十分重要。目前，6條河流中除深圳河因河道治理設(shè)有部分工程專用水文站外，其余河流均未設(shè)立基本水文站。

為滿足水環(huán)境治理及水資源優(yōu)化配置等對水文資料的需求，并為落實河長制和治水提質(zhì)提供技術(shù)支撐，同時為防汛測報、防洪減災(zāi)、河道治理、水資源合理開發(fā)利用、工程水文分析、水文特性分析研究、防洪工程等的實施與運行提供準(zhǔn)確可靠的水文水資源基礎(chǔ)資料，深圳市正在積極推進水文站網(wǎng)規(guī)劃及水文站建設(shè)工作。依據(jù)站網(wǎng)規(guī)劃的原則，應(yīng)優(yōu)化站網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使水文站網(wǎng)盡量滿足區(qū)域內(nèi)國民經(jīng)濟對水文資料的需求。

1 流域概況

1.1 自然地理

深圳市位于廣東省東南部珠江口的東岸，北連惠州市、東莞市，南隔深圳河與香港九龍新界相鄰，東依大鵬灣、大亞灣，西瀕伶仃洋與珠海市相望。陸域范圍為東經(jīng)114°37′21″（大鵬半島鞋柴角）～113°45′44″，北緯22°51′49″～22°26′59″（大鵬半島南端）。平面形狀呈東西長（92 km），南北窄（44 km）的狹長形。根據(jù)《2015年深圳市統(tǒng)計年鑒》，全市土地總面積為1 996.85 km2。

深圳市地勢東南高、西北低，主要山脈走向由東向西，貫穿中部，形成天然屏障，成為主要河流發(fā)源地和分水嶺。依托地勢特征，全市分布著3個地貌帶，即東南為半島海灣地貌帶，中部為海岸山脈地貌帶，西北部為丘陵谷地地貌帶。

1.2 河流水系

深圳市共有流域面積大于1 km2的干流及一、二、三級支流、獨立河流310條，其中流域面積大于100 km2的河流有5條，即茅洲河、龍崗河、觀瀾河、深圳河和坪山河。

深圳市地形地貌的特點決定了河流水系的分布和走向。小河溝數(shù)目多、分布廣、干流短是深圳市水系的一個特點。以海岸山脈和羊臺山為主要分水嶺，深圳市河流劃分為珠江口水系、東江中下游水系和粵東沿海水系3個水系。

（1）珠江口水系。西部和西南地區(qū)諸河流，流入珠江口伶仃洋，主要河流有深圳河、大沙河、西鄉(xiāng)河和茅洲河。

（2）東江水系。主要為東北部河流，發(fā)源于海岸山脈北麓，由中部往北或東北方向流入東江中、下游，主要河流有龍崗河、坪山河和觀瀾河。

（3）粵東沿海水系。河流發(fā)源于海岸山脈南麓，流入大鵬灣和大亞灣，主要河流有鹽田河、葵涌河、王母河、東涌河等。

1.3 水文氣象

深圳市地處廣東省南部沿海，位于北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，溫暖、濕潤、多雨、無霜，夏季長，冬季不明顯。冷期短，霜日極少。多年平均日照時數(shù)2 120 h，≥10℃年積溫8 053.1℃，年太陽總輻射量53.47萬kJ/cm2，其年季變化不大。深圳市多年平均氣溫22.4℃，極端最高氣溫38.7℃，極端最低氣溫0.2℃，多年平均水面蒸發(fā)量1 346 mm，多年平均氣壓1 010.8 mPa，各月氣壓變化較小。雨量充沛，全市多年平均降水量為1 830 mm，降雨量的年內(nèi)分配很不均勻，大部分集中在4～9月份，占全年降雨量的85%以上。多年平均徑流深900～1 100 mm。徑流的年際變化較大，變差系數(shù)Cv取0.38，Cs=2 Cv。

2 水文站網(wǎng)現(xiàn)狀及評價

2.1 站網(wǎng)現(xiàn)狀

目前，深圳市共有水（潮）位站54處、降水量站58處、水面蒸發(fā)站3處、專用水文站6處。

現(xiàn)有的站點均為工程專用水文測站，測站的設(shè)立與裁撤以工程施工和工程運行需要為依據(jù)，站網(wǎng)的布設(shè)也是以服務(wù)工程為目的，因此，站網(wǎng)布設(shè)的合理性和測站的長久性具有不確定性?，F(xiàn)有的6個流量站中有5個流量站設(shè)在深圳河流域，站網(wǎng)密度為29 km2/站，而茅洲河、龍崗河、觀瀾河、坪山河和大沙河5條河流均未設(shè)立基本水文站，站網(wǎng)空間分布不均。

隨著深圳市經(jīng)濟和社會的發(fā)展和治水提質(zhì)、海綿城市、防洪治澇等工作的開展，水文工作也凸顯了其重要性。社會對水文信息的需求將越來越高，現(xiàn)有的水文站網(wǎng)體系在諸多方面亟待發(fā)展、調(diào)整、補充和完善。同時，深圳市水資源問題和洪澇災(zāi)害日益突出，暴露出水文資料不足、流量站網(wǎng)分布與防洪減災(zāi)新要求不相適應(yīng)、站網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理等問題。

2.2 站網(wǎng)評價

根據(jù)氣候與下墊面條件相似程度以及深圳市水系分布特點和河流地理特征，深圳市劃分為3個水文分區(qū)，即東江水文區(qū)、珠江口水文區(qū)、海灣水文區(qū)［1］。深圳市上述6條河流所屬的水文分區(qū)及河流特征如表1所示。

表1 水文分區(qū)情況及河流特征

2.2.1 區(qū)域代表站的設(shè)立

區(qū)域代表站的設(shè)立應(yīng)考慮有較好的代表性和測驗條件［2］，能控制徑流等值線明顯的轉(zhuǎn)折與走向，同時滿足防汛抗旱、水資源管理、水工程規(guī)劃、設(shè)計和管理運用等需要［3］。

采用卡拉謝夫法對區(qū)域代表站布設(shè)數(shù)量進行計算，該方法依據(jù)的3個準(zhǔn)則為臨界最小面積準(zhǔn)則、梯度準(zhǔn)則以及相關(guān)準(zhǔn)則［4］。

（1）臨界最小面積準(zhǔn)則。

式中，F(xiàn)0為最優(yōu)站網(wǎng)密度確定的測站控制流域面積，km2；Fm為臨界最小面積準(zhǔn)則確定的測站控制的最小流域面積，km2。

（2）梯度準(zhǔn)則。

式中，F(xiàn)?為基于梯度準(zhǔn)則確定的測站控制的最小流域面積，km2；σ0為測驗誤差的相對均方差；my為正常年徑流深，mm；?為正常年徑流深沿某一方向的梯度變化，mm/km。

（3）相關(guān)準(zhǔn)則。

式中，；Fk為相關(guān)準(zhǔn)則確定的測站控制的最大流域面積，km2；L0為相關(guān)半徑，km；k2為置信系數(shù)；cv為徑流深變差系數(shù)。

由上述三準(zhǔn)則可知，基于卡拉謝夫法確定的單站控制面積應(yīng)滿足

水文分區(qū)內(nèi)區(qū)域代表站最優(yōu)站網(wǎng)密度對應(yīng)的布設(shè)數(shù)目為

式中，n0為研究區(qū)域代表站最優(yōu)站網(wǎng)密度對應(yīng)測站數(shù)目；F為研究區(qū)域的面積，km2。

根據(jù)卡拉謝夫法對深圳市3個水文分區(qū)分別進行計算，南方濕潤地區(qū)臨界最小面積準(zhǔn)則大約取200 km2［5］。

由于深圳市缺乏相應(yīng)的實測徑流資料，徑流深由《廣東省平均年徑流深等值線圖》所得，區(qū)域平均變差系數(shù)Cv也由《廣東省年徑流深變差系數(shù)等值線圖》所得，為0.38。年徑流深梯度變化，由流域中心點徑流深與相鄰最近流域中心點徑流深之差除以相應(yīng)距離計算得到。測驗誤差相對均方差參考文獻取0.05［6］，最終依據(jù)梯度準(zhǔn)則計算得到各水系測站控制的最小流域面積（如表2所示）。

因現(xiàn)狀區(qū)域內(nèi)無流量站網(wǎng)，相關(guān)半徑取L0=770 km［7］，保證率與置信系數(shù)分別取P=75%、k2=1.15［6］，最終依據(jù)相關(guān)準(zhǔn)則計算得出測站控制的最大流域面積和代表站布設(shè)數(shù)目（如表2所示）。

表2 卡拉謝夫法計算結(jié)果

根據(jù)以上計算結(jié)果，對n0修約取整，最優(yōu)區(qū)域代表站密度除東江區(qū)為2個外，珠江口區(qū)和海灣區(qū)分別為1個。依據(jù)《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》（SL34-2013）［8］的分類，龍崗河、茅洲河、深圳河流域面積符合濕潤地區(qū)200～3 000 km2范圍，又分別屬于東江、珠江口、海灣3個水文分區(qū)，符合區(qū)域代表站設(shè)立的要求。觀瀾河屬于東江區(qū)，面積接近200 km2，也可設(shè)立區(qū)域代表站。

考慮到3個水文分區(qū)內(nèi)防洪減災(zāi)、水資源保護與利用、水利工程規(guī)劃建設(shè)等需要，通過對龍崗河、觀瀾河、茅洲河、深圳河實地查勘，在滿足水文測驗條件的前提下，兼顧交通和生活條件，比選出龍崗河、觀瀾河、茅洲河、深圳河口4個區(qū)域代表水文站的斷面位置。根據(jù)水文特性、來水來沙情況和社會經(jīng)濟發(fā)展需求，確定4個水文站的基本觀測水文要素有水位、降水、流量、懸沙、顆分、水質(zhì)，具體如表3所示。

表3 區(qū)域代表站基本情況

2.2.2 小河站設(shè)立

坪山河和大沙河屬于區(qū)域代表站之間的空白區(qū)域，分屬東江區(qū)和海灣區(qū)。因其在深圳市防汛減災(zāi)和水資源管理中具有特殊地位，又屬于城市化快速發(fā)展區(qū)域，下墊面變化大，可設(shè)立小河站。通過小河站收集暴雨洪水資料，為城市防洪減災(zāi)提供服務(wù)，也可為探索產(chǎn)匯流機制在地區(qū)上和隨下墊面變化的規(guī)律提供平臺。

坪山河和大沙河雖然僅符合小河站設(shè)立要求，但由于屬山溪性雨洪河流，降雨集中，產(chǎn)匯流時間短，洪水漲落急劇，流域內(nèi)城市化程度非常高，洪水危害大，防汛減災(zāi)和水資源保護任務(wù)重大，也按基本水文站的要求設(shè)立，具體如表4所示。

表4 小河站基本情況

3 設(shè)站需求分析與測驗河段比選

3.1 設(shè)站需求分析

深圳是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，豐沛的水量和密集的河流為其發(fā)展提供了優(yōu)越的自然條件，但洪、澇、旱、臺風(fēng)、暴潮等災(zāi)害的不斷發(fā)生又對地區(qū)發(fā)展構(gòu)成巨大的威脅。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及城市化水平的不斷提高，建立深圳市重要河流水文基本站，可滿足以下4方面的需求。

（1）實時防災(zāi)減災(zāi)的需要。防災(zāi)減災(zāi)是水務(wù)中心工作，也是各級政府的重要工作。深圳市城市化率接近100%，隨著城市化水平的提高，城市防洪尤其排澇問題日益突出，同量級暴雨洪水引發(fā)的洪澇災(zāi)害造成的直接或間接損失會越來越大，迫切需要加強城市暴雨洪水特性的研究和城市排澇的設(shè)計等方面工作。在重要河流設(shè)立水文基本站，及時準(zhǔn)確地提供水情情報，是實施防洪指揮調(diào)度決策、指導(dǎo)城市防洪排澇工程規(guī)劃和建設(shè)的重要依據(jù)。

（2）落實河長制的需要。根據(jù)《深圳市全面推行河長制實施方案》，至2025年，深圳市對全市148條（160段）河流實施河長制管理。其中，在加強水安全保障方面，應(yīng)重點推進主要河流和濱海地區(qū)感潮河段的防洪減災(zāi)工程建設(shè)，提高全市中小河流的防洪、防潮標(biāo)準(zhǔn)。為此需要加強河流水文站網(wǎng)建設(shè)及信息監(jiān)測，建立防洪救災(zāi)響應(yīng)和管理機制，提高洪澇災(zāi)害科學(xué)預(yù)報預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)信息化水平。

（3）開展水生態(tài)保護與修復(fù)的需要。水生態(tài)是河流健康的重要標(biāo)志，開展水生態(tài)監(jiān)測是水生態(tài)保護與修復(fù)工作的重要基礎(chǔ)，對生態(tài)建設(shè)和深層次水資源管理具有十分重要的意義。在重要河流設(shè)立水文基本站，及時跟蹤和評價城市河涌整治的水環(huán)境狀況，可為深圳市實施治水提質(zhì)、開展水環(huán)境保護與治理提供依據(jù)。

（4）科學(xué)開展涉水工程規(guī)劃設(shè)計的需要。深圳市作為國際化現(xiàn)代化的特大城市，一切與水相關(guān)的工程建設(shè)都要充分考慮防洪安全與地區(qū)資源條件。例如水庫、河道、海堤、道路、橋梁工程設(shè)計，區(qū)域城市規(guī)劃均需要準(zhǔn)確可靠的水文資料。在重要河流設(shè)立水文基本站，依托長期的水文觀測提供足夠系列的基本水文資料是工程規(guī)劃與設(shè)計需要。

3.2 測驗河段比選

因為茅洲河、觀瀾河、龍崗河、坪山河、深圳河、大沙河等流域設(shè)立的是流域控制性水文站，需控制最大的流域面積和大部分的支流來水量，站址選擇范圍應(yīng)在干流下游段。其中茅洲河和大沙河干流下游段屬感潮河段，為避免后期水位流量關(guān)系過于復(fù)雜，需避開潮汐影響河段。

基于《水文站網(wǎng)管理辦法》（水利部令第44號）和《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》（SL34-2013）［8］，通過多次實地勘察，依據(jù)上述建站目的確定各站站址的大致河段。

根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015）［9］對測驗河段選擇的要求，通過斷面比選，綜合考慮控制的流域面積大小、河段順直長度、斷面穩(wěn)定和水流集中情況，選定了茅洲河水文站、龍崗河水文站、觀瀾河水文站、坪山河水文站、大沙河水文站的最優(yōu)斷面位置（見表3和表4）。其中，觀瀾河站下游80 m有跌水，龍崗河站下游150 m有急灘、坪山河站下游60 m有石梁，大沙河站下游70 m有急灘，在中低水時形成了斷面控制，有利于中低水時水位流量關(guān)系保持穩(wěn)定。

在深圳河流域6個專用水文站中，根據(jù)測站的重要性和現(xiàn)有資料的連續(xù)性，以控制流域最大面積和最大來水量為根本，選定深圳河口站升級為區(qū)域代表站。

4 結(jié)語

依據(jù)深圳市水文分區(qū)劃分，采用卡拉謝夫法確定了東江水文區(qū)、珠江口水文區(qū)、海灣水文區(qū)的最優(yōu)區(qū)域代表站密度，并在查勘比選的基礎(chǔ)上，確定了龍崗河水文站、觀瀾河水文站、茅洲河水文站、深圳河水文站4個區(qū)域代表站的站址；在區(qū)域代表站之間的空白區(qū)，為滿足城市防洪和探索產(chǎn)匯流機制在地區(qū)上和隨下墊面變化的規(guī)律的需要，確立了坪山河水文站、大沙河水文站2個小河站的站址。

深圳市是我國最早建立的經(jīng)濟特區(qū)，經(jīng)濟高速發(fā)展，然而，深圳市的水文站網(wǎng)發(fā)展相對滯后，全市用于收集水文基本資料的測站極少。4個區(qū)域代表站和2個小河站的設(shè)立符合深圳市河流分布狀況和水文特性，能初步滿足深圳市經(jīng)濟發(fā)展對水文的需要，成為深圳市水文站網(wǎng)的骨干構(gòu)架，為后期水文站網(wǎng)的進一步完善打下了基礎(chǔ)。

［1］ 朱曉原，張留柱，姚永熙.水文測驗實用手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2013.

［2］ 丁義，朱成濤，蹇德平.雅礱江流域水文站網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)［J］. 人民長江，2013，44（S1）：1-2.

［3］ 李海源，香天元，徐漢光.長江流域水文站網(wǎng)系統(tǒng)評價及發(fā)展建議［J］. 人民長江，2011，42（17）：20-23.

［4］ 朱曉原，張留柱，姚永熙.水文站網(wǎng)規(guī)劃與優(yōu)化［M］.北京：中國水利水電出版社，2013.

［5］ 馬秀峰，龔慶勝.干旱地區(qū)水文站網(wǎng)規(guī)劃論文選集［M］.鄭州：黃河出版社，1987.

［6］ 錢學(xué)偉.關(guān)于卡拉謝夫法相關(guān)準(zhǔn)則的分析論證［J］.水文，1994（5）：23-28.

［7］ 胡鳳彬，桂宗禹，于維忠.濕潤地區(qū)水文站網(wǎng)規(guī)劃論文選集［M］.南京：河海大學(xué)出版社，1988.

［8］ SL34-2013水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［9］ GB 50179-2015河流流量測驗規(guī)范［S］.

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