莫丹鋒

(上海市水文總站，上海 200232)

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梯度準則在感潮地區(qū)水文測站布設的應用研究

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，水文測站的布設直接影響到水文資料的可靠程度。本文針對感潮河網(wǎng)地區(qū)城市的水系及水文特點，研究適用于感潮河網(wǎng)地區(qū)的水文測站布設方法。以上海地區(qū)為例，根據(jù)梯度準則對該地區(qū)水文測站布設進行了研究和探索，并對黃浦江干流和蘇州河干流的測站布設數(shù)目的上限進行分析，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行分析，同時也驗證了廖喜庭經(jīng)過改進的梯度法適用于感潮河網(wǎng)地區(qū)的觀點。

關鍵詞：梯度準則;布設方法;感潮河網(wǎng);水文站網(wǎng);測站布設

在非潮水影響的地區(qū)，許多專家和學者已經(jīng)從各個角度作了大量的分析和研究，提出了各種水文站網(wǎng)的布設原則和方法[1-4],而感潮河網(wǎng)地區(qū)的測站布設研究還是空白。以上海地區(qū)為例,其地勢平坦，河網(wǎng)密布，河道相互貫通，感潮特點明顯，產(chǎn)匯流特性與單受洪水影響的地區(qū)明顯不同，河流由于同時受上游來水和下游潮流的雙重影響，水流條件復雜，河流流態(tài)屬于非穩(wěn)定流，加上大量水利工程建設使區(qū)域內(nèi)灌排泵站星羅密布，水文情勢十分復雜。上海地區(qū)水文測站的布設，要實現(xiàn)研究和控制整個上海地區(qū)的水文情勢，必須要以高于內(nèi)陸流域密度標準的水文站網(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，進而影響到經(jīng)濟開發(fā)決策的正確性。

1布設方法

在水文測站布設工作中，我國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，應考慮到所布設的測站，能夠?qū)ρ睾恿魃先魏蔚攸c的各種徑流特征值(包括年徑流量、洪峰流量、洪峰總量等)進行插補計算和分析，并滿足水文情報和預報的要求。

直線原則在一定程度上體現(xiàn)了經(jīng)濟上的合理性和集約性，經(jīng)過大量實踐檢驗證明，基本可行。但也存在一些缺陷，主要是不能直接估計布站總數(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。

在我國具體應用和實踐中，提出了改進的直線原則，即按照梯度準則和相關準則，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準則計算水文站布設的上限和下限值。

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

2梯度準則

根據(jù)梯度準則，對于集水面積超過3000 km2的大河干流，由于河流數(shù)目不多，每條河都應該布設水文測站。按照數(shù)學內(nèi)插的概念，沿河流布設的水文站越密，內(nèi)插任何地點流量特征值的精度就越高。然而，由于存在測驗誤差，在選擇布站位置時，必須使相鄰兩個測站之間的正常徑流深顯著不同，以免影響測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

此外，在一條河流的干流上布設水文站網(wǎng)，其中任何相鄰的兩個測站應滿足這樣的條件:下游站與上游站流量特征值的比例應大于一定的遞增率。也就是說，相鄰兩測站之間的正常徑流深之差要大于單站正常徑流深的測驗誤差范圍，這樣布設的測站才有實際意義。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；在發(fā)展和應用實踐中，廖喜庭[5]依據(jù)直線原則的基本原理，對一般梯度法在感潮河網(wǎng)中的運用進行了改進，對感潮河網(wǎng)地區(qū)的測站布設數(shù)目的上限進行了分析和研究，得出了改進的梯度法。兩種梯度法的計算過程具體如下。

(1)一般梯度法

根據(jù)遞變率原則，可導出確定布站數(shù)目的上限n的計算公式為

(1)

(2)

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

(2)廖喜庭改進的梯度法

該法對于感潮河網(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分別為測驗允許誤差和調(diào)蓄不確定性的相對誤差。

測驗條件好時，α取2.0；困難時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)應該布設的流量站點數(shù)目。

3梯度準則的實際應用

3.1黃浦江干流的布站數(shù)目計算

黃浦江[6]是長江的最后一條支流，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)目采用廖喜庭改進的梯度法進行演算，該法對測站布設數(shù)的計算區(qū)間為測站以上，潮流界以下。對黃浦江而言，吳淞口斷面距離河口1.3 km，此為測站以上，即分析的下邊界。

分析區(qū)間的上邊界，需要對黃浦江的潮流界進行分析。根據(jù)潮流界的含義，潮流界是漲潮流上溯到一定的距離，當漲潮流速為零時，其達到的最遠斷面，即在潮流界以上無漲潮流。黃浦江的潮汐情況為：當潮波進入黃浦江以后，受河岸的約束和徑流的頂托，逐漸演變?yōu)橹芷谛詽q落，流向為往復流。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，使高低潮時刻也隨之調(diào)整，致使?jié)q潮歷時逐漸縮短，而落潮歷時逐漸延長；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113.4 km，其中干流段82.5 km。目前從淀峰到吳淞口一線測站布設情況，如圖1所示，主要布設有河祝、泖甸、夏字圩、米市渡、松浦大橋，黃浦公園、吳淞口等水文測站,其中水文站布設3處，分別為松浦大橋、夏字圩、河祝3個水文站。

圖1　黃浦江干流水文測站布設圖

對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到3.12 m，落潮潮差達到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，可判定黃浦江測站布設數(shù)目的計算區(qū)間為吳淞口以上，淀山湖以下。

由于吳淞口斷面流量測量資料較少，采用松浦大橋同步期對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)廖喜庭改進的梯度法，采用吳淞口估算年流量特征值來進行計算。根據(jù)河流情況，對參數(shù)分別進行確定，對式(3)進行取值，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個站，此為測站布設的上限。

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

3.2蘇州河干流的布站數(shù)目計算

蘇州河為中等感潮河流，既有上游來水，又受下游潮水作用，目前上下游各布設一個水文站測量流量，如圖3所示，分別為浙江路橋和黃渡兩個水文站。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　蘇州河干流測站布設圖

3.2.1廖喜庭改進的梯度法

選擇蘇州河閘外站為下邊界，上邊界的選擇需對蘇州河的潮流界進行分析。以連續(xù)兩天潮流測量數(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，由此可認定蘇州河閘外站為潮流界。

圖4　蘇州河沿程水位變化趨勢圖

依據(jù)廖喜庭改進的梯度法，對式(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

對蘇州河測站布設數(shù)目的演算結(jié)果表明，蘇州河測站布設水文站數(shù)的上限值為5個。

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控制站的流量特征值計算的梯度法。此法在感潮河流的應用是否適用，根據(jù)本市水文站的布設情況，這里用在蘇州河進行試算。一般梯度法中，Qn、Q1為干流最上游和最下游兩個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年所測流量資料分析。

依據(jù)一般梯度法，對式(2)參數(shù)取值，取p1=0.15，p0=0.5，η=0.05。對式(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)布設的角度出發(fā)，根據(jù)梯度原則，進而采用其延伸方法——一般梯度法和廖喜庭改進的梯度法，對黃浦江干流和蘇州河干流測站布設數(shù)目進行分析，并首次對一般梯度法在感潮河網(wǎng)地區(qū)的運用進行了分析和研究。

通過資料分析得出蘇州河測站布設的數(shù)目，并分別采用兩種梯度法進行計算，所算結(jié)果一致，均顯示出蘇州河測站布設水文站數(shù)上限為5個。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站布設數(shù)目的上限，并進一步驗證了廖喜庭改進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，集水面積無法計算，因此測站布設的下限值如何計算還需要進一步的研究和分析。

隨著社會的發(fā)展，對水文資料的精度要求日益提高，建議在目前的流量測站布設的基礎上，適當加密水位站網(wǎng)建設，主要用以監(jiān)測水位的沿程變化。布設原則要滿足內(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、水利工程或交通運輸工程的管理運用等需要，以及滿足江河沿線任何地點推算水位流量的需要。

參考文獻：

[1]錢學偉.關于卡拉謝夫法相關準則的分析論證[J].水文，1994(5):23-28.

[2]江西省水文局.江西省區(qū)域代表站流量站網(wǎng)規(guī)劃[C]//桂宗禹，胡風彬，夏自強，等.濕潤地區(qū)水文站網(wǎng)規(guī)劃論文集,南京：河海大學出版社，1989：145-154.

[3]丘汀萌.福建省流量站網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展方向探討[J].水利科技，1995(1):35-37.

[4]水利部水文司.水文站網(wǎng)規(guī)劃技術導則實用方法[M].南京:河海大學出版社,1993.

[5]廖喜庭.感潮水網(wǎng)區(qū)水位流量站網(wǎng)幾個規(guī)劃問題的初步研究[J].水利水文自動化，1988(3):13-19.

[6]劉水芹，田華，易文林，等.太浦閘調(diào)度對黃浦江水源地水質(zhì)影響數(shù)值模擬[J].人民長江，2012(12):33-36.

[7]阮仁良.上海市水資源和水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[J].水資源保護，2003(1):21-24.

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：P336

文獻標志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)01-0001-05

作者簡介：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

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項( 201201068)