梯度准则在感潮地区水文测站布设的应用研究

莫丹锋

(上海市水文总站，上海 200232)



梯度准则在感潮地区水文测站布设的应用研究

莫丹锋

(上海市水文总站，上海 200232)

摘要：水文站网是开展水文工作的基础，水文测站的布设直接影响到水文资料的可靠程度。本文针对感潮河网地区城市的水系及水文特点，研究适用于感潮河网地区的水文测站布设方法。以上海地区为例，根据梯度准则对该地区水文测站布设进行了研究和探索，并对黄浦江干流和苏州河干流的测站布设数目的上限进行分析，最终得出了可用上下游落潮平均流量作为上下游流量特征值进行分析，同时也验证了廖喜庭经过改进的梯度法适用于感潮河网地区的观点。

关键词：梯度准则;布设方法;感潮河网;水文站网;测站布设

在非潮水影响的地区，许多专家和学者已经从各个角度作了大量的分析和研究，提出了各种水文站网的布设原则和方法[1-4],而感潮河网地区的测站布设研究还是空白。以上海地区为例,其地势平坦，河网密布，河道相互贯通，感潮特点明显，产汇流特性与单受洪水影响的地区明显不同，河流由于同时受上游来水和下游潮流的双重影响，水流条件复杂，河流流态属于非稳定流，加上大量水利工程建设使区域内灌排泵站星罗密布，水文情势十分复杂。上海地区水文测站的布设，要实现研究和控制整个上海地区的水文情势，必须要以高于内陆流域密度标准的水文站网，作为控制这类地区水文变化规律的基本水文站网。否则，区域性的规律便难以掌握，进而影响到经济开发决策的正确性。

1布设方法

在水文测站布设工作中，我国多年来采用的主要有直线原则和区域原则。直线原则，即在流域面积超过3000 km2的河流的干流上，应考虑到所布设的测站，能够对沿河流上任何地点的各种径流特征值(包括年径流量、洪峰流量、洪峰总量等)进行插补计算和分析，并满足水文情报和预报的要求。

直线原则在一定程度上体现了经济上的合理性和集约性，经过大量实践检验证明，基本可行。但也存在一些缺陷，主要是不能直接估计布站总数目，不能确定布站数目的下限，只能用试算的方法确定布站数目的上限，并且缺乏保证率的概念，确定允许递变率有一定的随意性。

在我国具体应用和实践中，提出了改进的直线原则，即按照梯度准则和相关准则，按照一定的保证率，来确定布站数目的上下限。按照梯度原则和相关准则计算水文站布设的上限和下限值。

当估算出布站数量后，选定布站位置时，还应综合考虑重要城镇、重要经济区防洪的需要，大支流的汇入，大型湖泊、水库的调蓄作用以及测验通讯和交通、生活条件等因素。

2梯度准则

根据梯度准则，对于集水面积超过3000 km2的大河干流，由于河流数目不多，每条河都应该布设水文测站。按照数学内插的概念，沿河流布设的水文站越密，内插任何地点流量特征值的精度就越高。然而，由于存在测验误差，在选择布站位置时，必须使相邻两个测站之间的正常径流深显著不同，以免影响测量数据的准确性和可靠性。

此外，在一条河流的干流上布设水文站网，其中任何相邻的两个测站应满足这样的条件:下游站与上游站流量特征值的比例应大于一定的递增率。也就是说，相邻两测站之间的正常径流深之差要大于单站正常径流深的测验误差范围，这样布设的测站才有实际意义。因此，布站间距不宜过小，布站数目不宜过多。

根据梯度准则，主要有一般梯度法，主要用于非感潮河网地区大河站布设；在发展和应用实践中，廖喜庭[5]依据直线原则的基本原理，对一般梯度法在感潮河网中的运用进行了改进，对感潮河网地区的测站布设数目的上限进行了分析和研究，得出了改进的梯度法。两种梯度法的计算过程具体如下。

(1)一般梯度法

根据递变率原则，可导出确定布站数目的上限n的计算公式为

(1)

(2)

式中:Qn、Q1为干流最上游和最下游两个控制站的流量特征值；λ为相邻两站特征流量的递增率；p0为当相邻站流量测验误差恰好为一倍测验误差时，判断为测验误差的概率，按等概率的概念p0=1/2；p1为把两相邻测站之间的流量变差完全误判为测验误差的允许概率，通常取0.1～0.2；η为测验误差。

(2)廖喜庭改进的梯度法

该法对于感潮河网地区而言，主要是按感潮河网地区相邻两站特征流量的递增率λ，确定布站数目上限n的计算公式：

(3)

(4)

式中:Qn、Q1为某一出海口门的落潮流量和净泄流量的多年平均值；λ为相邻两站特征流量的递增率；α是按一定保证率确定的倍比系数；β1、β2分别为测验允许误差和调蓄不确定性的相对误差。

测验条件好时，α取2.0；困难时α取5.0；β1通常取0.05～0.10，β2若以河槽调蓄为主，取0.01；若河槽河网同时调蓄，取0.05。

因此，只要知道某一出海口门(水道)的净泄及落潮特征流量，就可以求得口门以上、潮流界以下范围内应该布设的流量站点数目。

3梯度准则的实际应用

3.1黄浦江干流的布站数目计算

黄浦江[6]是长江的最后一条支流，其贯穿上海大陆部分，具有排水、引水、通航、供水等多种功能。黄浦江干流目前属于自然河流，受潮汐影响。

黄浦江[7]布站数目采用廖喜庭改进的梯度法进行演算，该法对测站布设数的计算区间为测站以上，潮流界以下。对黄浦江而言，吴淞口断面距离河口1.3 km，此为测站以上，即分析的下边界。

分析区间的上边界，需要对黄浦江的潮流界进行分析。根据潮流界的含义，潮流界是涨潮流上溯到一定的距离，当涨潮流速为零时，其达到的最远断面，即在潮流界以上无涨潮流。黄浦江的潮汐情况为：当潮波进入黄浦江以后，受河岸的约束和径流的顶托，逐渐演变为周期性涨落，流向为往复流。潮波沿黄浦江上溯的过程中，因水深的原因，波峰的传播速度比波谷快，使得前坡变陡，后坡变缓。黄浦江越往上游，潮波形态变化越不明显，使高低潮时刻也随之调整，致使涨潮历时逐渐缩短，而落潮历时逐渐延长；黄浦江越往上游，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；黄浦江越往上游，潮差越小，年内汛期潮差大于非汛期，大潮潮差约为小潮的3倍。

由于黄浦江上游支流有多处，本次分析只取一处为例，选取拦路港一线作为分析的上边界选择区域。黄浦江从淀峰到吴淞口全长113.4 km，其中干流段82.5 km。目前从淀峰到吴淞口一线测站布设情况，如图1所示，主要布设有河祝、泖甸、夏字圩、米市渡、松浦大桥，黄浦公园、吴淞口等水文测站,其中水文站布设3处，分别为松浦大桥、夏字圩、河祝3个水文站。

图1　黄浦江干流水文测站布设图

对拦路港上边界潮流界的分析，以沿线各处水位站连续两天潮位测量数据为依据。如图2第二潮所示，同一潮水，吴淞口断面涨潮潮差达到3.12 m，落潮潮差达到3.07 m；松浦大桥断面涨潮潮差为1.50 m，落潮潮差为1.45 m；夏字圩断面涨潮潮差1.09 m，落潮潮差为1.06 m；而在河祝断面，水位过程近乎平齐，变幅微小，涨潮潮差仅为0.18 m，落潮潮差仅为0.15 m。

图2　黄浦江沿程水位变化趋势图

由此可见，黄浦江的涨潮流影响，从下游到上游逐渐减弱，水位变幅越来越小。但至拦路港入淀山湖湖口仍有涨落潮现象，当潮波入湖后，受淀山湖湖体的影响，上溯的江潮能量锐减，使淀山湖的感潮特征弱，因此，淀山湖是受潮汐影响的弱感潮型湖泊。对淀山湖各入湖河道来讲，已受不到潮汐的影响。另外，根据多年的调查资料显示，到拦路港河口入淀山湖处，已几乎不受涨潮流的影响，由此可判定潮流界为淀山湖，即分析区间的上边界。

综上所述，可判定黄浦江测站布设数目的计算区间为吴淞口以上，淀山湖以下。

由于吴淞口断面流量测量资料较少，采用松浦大桥同步期对比系列及其代表性流量数据来估算吴淞口断面年潮流均值，得出吴淞口断面年落潮流量为1691 m3/s，年涨潮流量为1342 m3/s，年净泄流量为349 m3/s。

根据廖喜庭改进的梯度法，采用吴淞口估算年流量特征值来进行计算。根据河流情况，对参数分别进行确定，对式(3)进行取值，其中，α取2.0；β1取0. 05，β2取0.05。式(4)中Qn、Q1为吴淞口站的落潮流量和净泄流量的多年平均值，分别为1691 m3/s，349 m3/s，则有

根据计算结果可以得出结论，n的取值为小于等于9，即吴淞口以上、淀山湖以下范围内的流量站不得大于9个站，此为测站布设的上限。

目前这段河流测站布设数目，仅水文站而言，目前布设3处，符合所算结论。但是，测站布设是否过少，目前难以有效的进行判别。

3.2苏州河干流的布站数目计算

苏州河为中等感潮河流，既有上游来水，又受下游潮水作用，目前上下游各布设一个水文站测量流量，如图3所示，分别为浙江路桥和黄渡两个水文站。黄渡站距河口31.7 km，是苏州河上游来水的控制站。浙江路桥站距河口1.7 km，无支流汇入，从水量上看可当作河口处理，是苏州河下游水情的控制站。

图3　苏州河干流测站布设图

3.2.1廖喜庭改进的梯度法

选择苏州河闸外站为下边界，上边界的选择需对苏州河的潮流界进行分析。以连续两天潮流测量数据为例，如图4第三潮所示，同一潮水，苏州河闸外站断面涨潮潮差为2.88 m，落潮潮差为2.90 m；至黄渡断面，水位过程近乎平齐，变幅微小，涨潮潮差为0.20 m，落潮潮差为0.13 m，潮汐现象几乎消失，由此可认定苏州河闸外站为潮流界。

图4　苏州河沿程水位变化趋势图

依据廖喜庭改进的梯度法，对式(3)参数取值为：α取2.0；β1取0.05，β2取0.05。式(4)中Qn、Q1为浙江路桥站的落潮流量和净泄流量的多年平均值，分别为67.9 m3/s，31.8 m3/s，则有

对苏州河测站布设数目的演算结果表明，苏州河测站布设水文站数的上限值为5个。

3.2.2一般梯度法的试算

一般梯度法是用干流最上游和最下游两个控制站的流量特征值计算的梯度法。此法在感潮河流的应用是否适用，根据本市水文站的布设情况，这里用在苏州河进行试算。一般梯度法中，Qn、Q1为干流最上游和最下游两个控制站的流量特征值。由于其公式一般适用于干流以受洪水影响为主的区域，而潮量站的净泄流量数据可能出现特小，甚至是负数的情况。由于苏州河感潮河流的特性，本次试算采用的流量值为落潮平均流量。根据浙江路桥2008年所测流量资料分析。

依据一般梯度法，对式(2)参数取值，取p1=0.15，p0=0.5，η=0.05。对式(1)中，Qn、Q1为浙江路桥和黄渡站的落潮平均流量，分别为67.9 m3/s，31.8 m3/s，则有

根据计算结果可以得出结论，n的取值为小于等于5，即黄渡站以上、浙江路桥站以下范围内的流量站不得大于5个站，此为上限。两种梯度法所算结果基本一致。

4结论和建议

本文根据上海地区感潮河网的特性，从站网布设的角度出发，根据梯度原则，进而采用其延伸方法——一般梯度法和廖喜庭改进的梯度法，对黄浦江干流和苏州河干流测站布设数目进行分析，并首次对一般梯度法在感潮河网地区的运用进行了分析和研究。

通过资料分析得出苏州河测站布设的数目，并分别采用两种梯度法进行计算，所算结果一致，均显示出苏州河测站布设水文站数上限为5个。研究表明，以上下游落潮平均流量作为上下游流量的特征值，可以适用于用一般梯度法确定感潮河流的流量测站布设数目的上限，并进一步验证了廖喜庭改进的梯度法可适用于感潮河网地区。

然而，由于感潮河网的特性，集水面积无法计算，因此测站布设的下限值如何计算还需要进一步的研究和分析。

随着社会的发展，对水文资料的精度要求日益提高，建议在目前的流量测站布设的基础上，适当加密水位站网建设，主要用以监测水位的沿程变化。布设原则要满足内插精度要求，相邻站之间的水位落差不被观测误差所淹没的要求，并满足防汛抗旱、分洪滞洪、引水排水、水利工程或交通运输工程的管理运用等需要，以及满足江河沿线任何地点推算水位流量的需要。

参考文献：

[1]钱学伟.关于卡拉谢夫法相关准则的分析论证[J].水文，1994(5):23-28.

[2]江西省水文局.江西省区域代表站流量站网规划[C]//桂宗禹，胡风彬，夏自强，等.湿润地区水文站网规划论文集,南京：河海大学出版社，1989：145-154.

[3]丘汀萌.福建省流量站网规划发展方向探讨[J].水利科技，1995(1):35-37.

[4]水利部水文司.水文站网规划技术导则实用方法[M].南京:河海大学出版社,1993.

[5]廖喜庭.感潮水网区水位流量站网几个规划问题的初步研究[J].水利水文自动化，1988(3):13-19.

[6]刘水芹，田华，易文林，等.太浦闸调度对黄浦江水源地水质影响数值模拟[J].人民长江，2012(12):33-36.

[7]阮仁良.上海市水资源和水环境的可持续发展[J].水资源保护，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

中图分类号：P336

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)01-0001-05

作者简介：莫丹锋(1982-)，女，工程师，主要从事水文站网规划和水文分析工作。E-mail：modf1900@163.com

基金项目：水利部公益性行业科研专项( 201201068)