臨滄市流量站網(wǎng)布局分析

李增國，張字瑞，普曉磊，段路松

(云南省水文水資源局臨滄分局，云南 臨滄 677000)

1 概述

臨滄市位于云南省西南部，國土面積24469km2，分屬瀾滄江和怒江兩大流域，全市流域面積大于3000km2的河流有瀾滄江、怒江、南汀河、黑惠江、勐波羅河、南碧河共6條，除南汀河外均為過境界河，200～3000km2的河流有33條[1- 3]。

境內(nèi)共布設(shè)21個水文站、12個水位站，界河上在保山市和大理州設(shè)立3個水文站，河流水系及水文(位)站點分布如圖1所示。臨滄流量站網(wǎng)承擔(dān)著區(qū)域水文規(guī)律探索、防汛抗旱、水資源管理和工程建設(shè)服務(wù)等職能，隨著新時期治水思路的踐行，又增加了生態(tài)文明建設(shè)、服務(wù)河長制等新的職能，因此對現(xiàn)有流量站網(wǎng)布局進行分析評價，為建設(shè)布局合理的流量站網(wǎng)提供依據(jù)[4- 6]。

天然河道流量站按集水面積及作用可分為大河干流控制站、區(qū)域代表站及小河站[7]。我國自20世紀(jì)50年代起就借鑒蘇聯(lián)經(jīng)驗，以直線原則布設(shè)大河干流控制站、以區(qū)域代表性原則布設(shè)區(qū)域代表站、以站群原則布設(shè)小河站。20世紀(jì)70年代起取消站群原則，改用分區(qū)、分類、分級原則布設(shè)小河站。20世紀(jì)80年代對直線原則改進補充后，按一定保證率，用遞變率原則和內(nèi)插精度原則確定大河控制站布站數(shù)目的上下限[8]。本文從各類站點設(shè)站數(shù)量、站點空間分布和站網(wǎng)密度3個方面對流量站網(wǎng)布設(shè)情況進行評價。其各類站點的數(shù)量根據(jù)要求用相關(guān)資料計算布站上下限，站點空間分布主要根據(jù)河流分布和服務(wù)需求進行評價，站網(wǎng)密度主要參考世界氣象組織有關(guān)“容許最稀站網(wǎng)”的指標(biāo)進行評價[9- 10]。

2 流量站網(wǎng)規(guī)劃布局分析評價方法

2.1 大河干流控制設(shè)站數(shù)計算方法

大河干流相鄰2個測站徑流特征值的變化應(yīng)不小于一定遞變率，以便能按相應(yīng)保證率將特征值的變化與測驗誤差區(qū)分，其布站數(shù)上限的計算公式見式(1)。為控制大河站徑流特征值沿程的變化，按相應(yīng)允許誤差內(nèi)插出區(qū)間內(nèi)各點的徑流特征值，其布站間距不應(yīng)過長，設(shè)站數(shù)量不宜過少，其設(shè)站數(shù)下限計算公式見式(2)[7，11- 13]。

n

(1)

(2)

式中，n—設(shè)站數(shù)；Q1，Qn—干流最上游至最下游2個測站的徑流特征值；L—河段全長，km；Cv—年平均流量系列變差系數(shù)；ε—允許內(nèi)插相對誤差；L0—相關(guān)半徑，km；λ—徑流特征值的遞變率。

(3)

式中，ΔL—2個相關(guān)點之間的距離，km；r—相關(guān)系數(shù)。

圖1 臨滄市河流水系及水文(位)站點分布

(4)

式中，P0—相鄰2個測站流量變差為一倍測驗誤差時，誤差成為測驗誤差的概率，P0=0.5；P1—相鄰2個測站間的徑流變差；η—測驗的誤差；η、P1取值范圍見表1[13]。

表1 參數(shù)η、P1取值范圍

2.2 區(qū)域代表站設(shè)站數(shù)計算方法

區(qū)域代表站根據(jù)區(qū)域原則可用篩選法、遞變率-內(nèi)插精度法、梯度-相關(guān)準(zhǔn)則法等計算布站數(shù)的上下限，本文選用遞變率-內(nèi)插精度法計算轄區(qū)內(nèi)區(qū)域代表站的設(shè)站上下限。

在一個水文分區(qū)內(nèi)，沿徑流變化的梯度方向，任何相鄰2個水文站所控制流域中心的年徑流深間應(yīng)有一定的遞變率，才會使流域面積引起的徑流差異與徑流測驗誤差相區(qū)分。因此布站不應(yīng)過密、布設(shè)的站點數(shù)不能過多，以此來分析需布設(shè)流量站點的數(shù)量上限，計算公式見式(5)。假設(shè)各個水文站的流域中心構(gòu)成邊長為常數(shù)的等邊三角形網(wǎng)絡(luò)，要使任意的三角形中心所內(nèi)插徑流誤差在相應(yīng)的允許誤差內(nèi)，就需布站間距不能太大，布設(shè)站點數(shù)不能太少，從而確定布設(shè)數(shù)下限，其計算公式見式(6)[1，11- 13]。

n

(5)

(6)

式中，Rm，Rn—分區(qū)水文特征等值線最大值和最小值；L—等值線Rm和Rn間距的平均值，km；F—分區(qū)面積，km2；—單站的控制面積，km2；τ0—相關(guān)半徑L0的經(jīng)驗常數(shù)，用ρ和L建立相關(guān)擬合來推求；ρ—相關(guān)系數(shù)r的函數(shù)，L的超越函數(shù)；其余符號同前。

(7)

(8)

3 設(shè)站上下限目標(biāo)數(shù)計算

3.1 分析計算資料收集與整理

3.1.1南汀河流域概況及干流控制站資料整理

南汀河為中緬國際河流，境內(nèi)流域面積8245km2，占臨滄市國土面積的34%，以南汀河為代表分析干流控制站設(shè)站上下限目標(biāo)數(shù)。

南汀河干流自上而下設(shè)有大文、姑老河、大灣江3個國家基本水文站。根據(jù)同期實測徑流資料建立上下游相關(guān)關(guān)系[14- 15]，將大灣江水文站徑流資料插補延長至1964年，插補后3站資料系列長度達(dá)55a，已具有代表性；南汀河流域無較大水利工程，資料系列一致、合理可靠。依據(jù)年徑流系列資料，用數(shù)學(xué)期望公式計算經(jīng)驗頻率，矩法初估統(tǒng)計參數(shù)均值和Cv值，取Cs=2Cv，以P- Ⅲ型曲線為線型，用目估適線法確定統(tǒng)計參數(shù)[15- 17]，各站年徑流量及有關(guān)統(tǒng)計參數(shù)見表2。

表2 南汀河干流各水文站年徑流參數(shù)統(tǒng)計

3.1.2區(qū)域代表站資料整理

轄區(qū)內(nèi)的甸頭、勐省、太平關(guān)、永康4個區(qū)域代表站徑流資料超過30a，資料系列一致，具有代表性，合理可靠；通過計算得甸頭、勐省、太平關(guān)、永康的Cv值分別為0.24、0.24、0.26、0.28。

3.2 設(shè)站目標(biāo)數(shù)計算

3.2.1南汀河干流控制站設(shè)站目標(biāo)數(shù)計算

根據(jù)表1對困難地區(qū)η、P1進行取值，P1取0.10，η取0.15，P0為0.5，得λ為0.498。

根據(jù)表2中的統(tǒng)計參數(shù)，按式(1)推求出南汀河大文至大灣江站之間的布站數(shù)上限8站。

根據(jù)年徑流系列資料，建立年徑流相關(guān)得各站間相關(guān)系數(shù)，依據(jù)各站斷面位置在五萬分之一地形圖上量出測站間河段長，成果見表3。

表3 南汀河各站年徑流相關(guān)系數(shù)與河段長關(guān)系

圖2 南汀河流域rij-Lij相關(guān)圖

3.2.2區(qū)域代表站設(shè)站目標(biāo)數(shù)計算

根據(jù)《云南省水文站網(wǎng)功能評價報告》(2008年11月)，將臨滄市劃為瀾滄江中段怒江下段區(qū)[18]。以云南省1956—2000年多年平均徑流深等值線圖為基礎(chǔ)地圖，依據(jù)等值線走向量算最大值Rm與最小值Rn之間的法線平均距離。根據(jù)式(5)計算得區(qū)域代表站設(shè)站目標(biāo)數(shù)上限為89站，計算參數(shù)及成果見表4。

根據(jù)各區(qū)域代表站流域中心點，量算各站流域中心的間距(L)。用各區(qū)域代表站同步實測年徑流系列資料建立站與站之間的相關(guān)系數(shù)(r)，根據(jù)式(8)計算ρ值，成果見表5。

表4 區(qū)域代表站最大設(shè)站目標(biāo)計算成果

表5 瀾滄江中段和怒江下段區(qū)域代表站徑流相關(guān)統(tǒng)計

圖3 瀾滄江中段和怒江下段區(qū)域代表站ρ-L相關(guān)圖

Cv取用各站的平均值，ε取用0.08[7]，由式(6)計算得到區(qū)域代表站設(shè)站下限為13站，計算參數(shù)及成果見表6。

表6 區(qū)域代表站設(shè)站下限目標(biāo)數(shù)計算成果

4 流量站網(wǎng)規(guī)劃布局分析評價

4.1 各類流量站點設(shè)站數(shù)量分析評價

根據(jù)分析結(jié)果，南汀河干流最少應(yīng)布設(shè)4個流量控制站，近期已在中游增設(shè)了河底崗水文站，流量站點數(shù)滿足設(shè)站下限要求。

通過分析計算，區(qū)域代表站設(shè)站下限為13站，目前已有14個區(qū)域代表站，滿足設(shè)站下限要求。

小河站主要為收集小面積暴雨洪水資料而布設(shè)，臨滄市各中小流域水汽來源相同，洪水由暴雨產(chǎn)生，暴雨洪水特性基本一致，下墊面條件基本相似，為同一水文分區(qū)，故本文主要從面積分級方面分析評價小河站布設(shè)。經(jīng)統(tǒng)計，轄區(qū)內(nèi)10km2以下有大雪山站、10～20km2有烏木龍站、20～50km2有勐董站、50～100km2有勐捧和哨山站、100～200km2的有西河和鳳慶站，各面積級均有流量站點或長系列暴雨洪水資料，小河站數(shù)量滿足要求。

4.2 站網(wǎng)密度評價

目前，轄區(qū)內(nèi)各類流量站點共有24個(含保山市和大理州在界河上設(shè)立的3個站)，流量站網(wǎng)單站控制面積為1020km2/站，比世界氣象組織“容許最稀站網(wǎng)”最大單站控制面積1000km2/站稍大，需新設(shè)流量站點增大流量站網(wǎng)密度。

4.3 流量站點平面布設(shè)分析評價

全市39條200km2以上河流中，有18條屬跨市、縣界的河流，目前已在13條界河上布設(shè)了18個流量站、在縣內(nèi)河流上布設(shè)了6個流量站，各流量站根據(jù)功能需求布設(shè)于各河流不同位置，布局基本合理。目前，仍有5條界河無流量站控制，其中3條河流有降水徑流特性相似的流量站，無需增設(shè)流量站，另外2條從服務(wù)需求考慮應(yīng)增設(shè)流量站。其中：南滾河屬中緬國際界河，出境處流域面積1666km2，為臨滄市市級河長管理的河流，流域內(nèi)植被覆蓋率高，為國家級自然保護區(qū)，人類活動影響小，且流域位于西南暖濕氣流從孟加拉灣向內(nèi)陸輸送水汽的前沿地帶，降水量充沛，為臨滄境內(nèi)產(chǎn)水高值區(qū)，下墊面條件和降水徑流特性與已有測站控制區(qū)域差別較大；鳳慶縣瀾滄江北部的小黑河為州市界河—黑惠江支流，小黑河位于臨滄最北部，受瀾滄江峽谷阻隔，現(xiàn)有流量站的流域水汽條件和下墊面與小黑河流域差異較大，屬水文監(jiān)測空白區(qū)，難以準(zhǔn)確評價、計算該區(qū)域的水資源量。從區(qū)域水文規(guī)律探索、水資源管理、生態(tài)文明建設(shè)和河長制服務(wù)需求考慮，應(yīng)在南滾河和小黑河布設(shè)2個區(qū)域代表站。

5 結(jié)論與建議

(1)結(jié)論?，F(xiàn)有的大河干流控制站、區(qū)域代表站和小河站滿足設(shè)站下限要求；現(xiàn)有流量站網(wǎng)密度1020km2/站，增加2個區(qū)域代表站后，站網(wǎng)密度979km2/站，可達(dá)到世界氣象組織“容許最稀”站網(wǎng)密度要求；從水資源管理、生態(tài)文明建設(shè)和河長制服務(wù)功能需求分析，現(xiàn)有流量站網(wǎng)不能滿足要求。

(2)建議。根據(jù)新時期水資源管理、生態(tài)文明建設(shè)和河長制服務(wù)功能需求，建議在小黑河和南滾河上增設(shè)區(qū)域代表站；隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，不同時期承擔(dān)的職能會有所變化，特別是人類活動影響日益頻繁，建議及時根據(jù)實際情況對流量站網(wǎng)布設(shè)進行分析評價。