梨园河流域水文资料插补延长方法研究

程建民，陈永娟

（甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院，甘肃张掖734000）



梨园河流域水文资料插补延长方法研究

程建民，陈永娟

（甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院，甘肃张掖734000）

摘要：梨园河为我国西北第二大内陆河流黑河的最大支流，由于水文测站的多次迁移变更，使得水文系列断续不完整。文章通过流域各水文站测流及迁移变更资料调查分析，利用水量平衡法进行还原计算，利用上下游站同期观测资料相关性进行插补展延，各相关测站之间具有明显的相关关系，相关系数在0.9以上，经假设检验，相关关系显著，据此插补展延的资料精度较高，满足径流地区和时程分布规律，可用于流域水利规划设计等工作。

关键词：水文资料；插补延长；方法研究；梨园河

梨园河属于内陆河黑河水系，是黑河最大的一级支流，也是临泽县县城及梨园河灌区最重要的水源。梨园河原有干沟门水文站和梨园堡水文站。干沟门水文站控制流域面积839km2，1961年4月设立，测至1984年1月下迁至肃南县城，改名肃南水文站，距干沟门站约5.0km，流域面积1080km2；梨园堡水文站为梨园河出山径流控制站，控制流域面积2240km2，1949年4月设站，1954年开始有了完整的水文资料，1975年鹦鸽嘴水库蓄水后，梨园堡水文站实测流量过程为该库的下泄水量与区间产流量，其实测径流过程已不能代表天然径流过程，1990年撤消上迁至鹦鸽嘴水库，控制流域面积1620km2。流域内水文资料相对较多，但资料系列不连续，梨园堡站资料的缺失对梨园河出山径流计算带来很多不便。为此，对梨园河流域各站水文资料进行插补延长，为流域内水利规划、水资源调查评价、水资源合理配置等工作提供基础依据，具有非常重要的现实意义。

1　河流概况

1.1 河流水系

梨园河发源于祁连山北麓的锅盖沟与马圈沟，源地海拔高程4755m，河流自西北流向东南，于白泉门转折流向东北，于肃南县红湾寺汇东柳沟、西柳沟，向下流经途中纳入青沟、海牙沟和白杨沟，经骆驼脖子至梨园堡出山后折向北流，于临泽县城东侧直下至野沟湾汇入黑河。鹦鸽嘴水库以上为隆畅河，鹦鸽嘴至出山口为梨园河，出山口以下为大沙河。河流流经肃南县和临泽县，在临泽县野沟湾汇入黑河，河流全长169km，黑河入河口以上流域面积3162km2，梨园堡水文站以上流域面积2240km2，河流长度107km，干流平均坡降21.1‰。

1.2 气象

梨园河流域属于大陆性气候区。夏季酷热，降雨稀少、蒸发强烈，冬季寒冰，长达四个月之久。降水量自上游至下游逐渐减少，蒸发量逐渐增加。

根据临泽县气象局提供的梨园口1971～2010年气象资料统计，梨园口多年平均气温7.3℃，多年平均降水量163.3mm，多年平均蒸发量2013.7mm（口径20cm蒸发器观测值，换算成E-601型蒸发器观测值为1308.9mm），最高气温38.1℃，最低气温-30.1℃，平均风速3.6m/s，多年平均年最大风速17.6m/s，历年最大风速24.3m/s，最多风向为西北风，年日照时数3051.1h，无霜期179 d，最大积雪深度为10cm，相对湿度54%，最大冻土深139cm。

1.3 水文特征

梨园河径流主要由降水和融冰化雪所补给，径流在年内分配极不均匀，绝大部分集中在每年汛期6～9月。根据梨园堡站1956.7～2010.6年55年径流系列进行计算，多年平均7.69m3/s，多年平均径流量为2.428亿m3。

降水是梨园河流域的主要补给来源，河流来水量随雨量的变化而变化，流量过程与雨量过程基本相应，主要来水量集中在汛期。但高山地带为固体降水，部分转化形成冰川，再由冰川融化补给河流。非汛期河流主要是山区地下水补给。

径流年际变化的总体特征常用变差系数Cv或年极值比（最大、最小年流量的比值）来表示。Cv反映一个地区径流过程的相对变化程度，Cv值大表示径流的年际丰枯变化剧烈，对水资源的利用不利。梨园堡站的Cv值为0.16，年极值比为1.97，是我国和西北地区径流年际变化的低值区，说明梨园河年径流量的多年变化是相对稳定的。

径流的年内分配因受补给条件的影响四季分明，一般规律是：冬季由于河流封冻，径流靠地下水补给，最小流量出现在1～2月份，这一时期为枯季径流，1～3月来水量占年总量的2.21 %；4月以后气温明显升高，流域积雪融化和河网储冰解冻形成春汛，流量显著增大，4～5月来水量占年来水量的10.02 %，这一时节正值农田苗水春灌时期。夏秋两季是流域降水较多而且集中的时期，也是河流发生洪水的时期，6～9月来水量占年来水量的78.98 %，10～12月为河流退水时段，河流来水量受降水量减少的影响，流量逐步减小至基流状态，其来水量占年来水量的8.80%。

2　天然径流还原计算

梨园河流域既有跨流域调水、又有农业用水，因此对各站径流系列应进行还原计算。

2.1 肃南站天然月平均流量还原计算

肃南站上游300m处左岸有西柳沟汇入，从1964年起西柳沟上游由红星洞子渠向大河峡水库跨流域引水，年平均引水流量约0.30m3/s，实测资料中没有这部分水量，在天然月平均流量的还原计算中需要将跨流域调水流量进行逐月还原，其还原计算方法见公式（1）：

式中：Q肃南天然为肃南站天然月平均流量（m3/s）；

Q肃南实测为肃南站实测月平均流量（m3/s）；

Q跨调为流域内跨流域调水月平均流量（m3/s）。

2.2 鹦鸽嘴站天然月平均流量还原计算

鹦鸽嘴站天然径流的还原计算与肃南站相同，其还原计算方法见公式（2）：

式中：Q鹦鸽嘴天然为鹦鸽嘴站天然月平均流量（m3/s）；

Q鹦鸽嘴实测为鹦鸽嘴站实测月平均流量（m3/s）；

Q跨调为流域内跨流域调水月平均流量（m3/s）。

2.3 梨园堡站天然月平均流量还原计算

梨园堡站上游2.0km处有南、北二条灌溉引水渠，1974年以前两渠道没有设站进行观测，1975年以后设站观测至1989年底，1989年以后灌区已达到最大化，需水量基本稳定；跨流域调水情况与肃南站相同。在进行天然月平均流量的还原计算中应将这两部分进行还原，其还原计算方法见公式（3）：

式中：Q梨园堡天然为梨园堡站天然月平均流量（m3/s）；

Q梨园堡实测为梨园堡站实测月平均流量（m3/s）；

Q跨调为梨园堡站流域内跨流域调水月平均流量（m3/s）；

Q农业用水量为梨园堡站流域内农业用水月平均流量（m3/s）。

3　资料插补延长

由于梨园河各水文站资料观测年份长短不一，现在肃南站和鹦鸽嘴水库水文站成为今后长期观测站。在全国第一次水资源调查评价时，要求资料系列从1956年开始。本次要将各观测站的资料系列进行插补延长，达到全国地表水资源调查评价要求的资料系列长度，即1956～2011年。

3.1 肃南站资料系列插补延长

（1）用干沟门站实测资料插补延长肃南站资料

干沟门水文站于1961年4月设站，至1984年撤消；肃南站1984年设站观测至今。两站在1984年进行了同步对比观测，资料见表1。

将表1中的同步观测资料点绘在相关图上，见图1。从图中可以看出，相关关系密切，相关系数R=0.9998，点据分布在一条曲线上，由此可依据干沟门站1961年4月至1983年的实测资料，延长肃南站的资料系列。资料插补延长模型见式（4）：

表1　梨园河干沟门站与肃南站1984年同步比侧资料　　单位：m3/s

式中：Q肃南为肃南站月平均流量（m3/s）；

Q干沟门为干沟门站月平均流量（m3/s）。

图1　梨园河干沟门站、肃南站同步比测资料相关图

3.2 用梨园堡站实测资料插补延长肃南站资料

用干沟门站实测资料插补延长肃南站的资料只能到1961年4月，1956年1月～1962年3月的资料系列用下游梨园堡站实测资料插补延长。

点绘梨园堡站与肃南站同步观测期逐月平均流量相关关系，见图2，从图中可以看出，相关点子密集呈带状，相关关系好，相关系数R=0.992，通过置信度α=0.01的F检验，具有统计意义，可用于插补、延长缺测资料。

资料插补延长模型见式（5）：

式中：Q肃南为肃南站月平均流量（m/s）；

Q干沟门为梨园堡站月平均流量（m3/s）。

图2　梨园河梨园堡站与肃南站同步比测资料相关图

3.3 鹦鸽嘴站资料系列插补延长

梨园堡水文站上游鹦鸽嘴水库蓄水后，该站实测资料已失去了天然径流过程的特性，于1990年撤消梨园堡站，上迁至鹦鸽嘴水库设鹦鸽嘴水库水文站，系统观测鹦鸽嘴水库坝上水位（水库蓄变量）、鹦鸽嘴水库（输二）、鹦鸽嘴水库（电站）、鹦鸽嘴水库（溢）等断面，资料整编时对月年入库流量进行了还原计算。用肃南站1990～2011年逐月平均流量与鹦鸽嘴水库同步期逐月平均流量进行相关，见图3。从图中可以看出，相关点子密集呈带状，相关系数R=0.9933，通过置信度α=0.01的F检验，具有统计意义，可用于插补、延长缺测资料。据此可根据肃南站的资料系列向前延长鹦鸽嘴水库的资料系列。资料插补延长模型见式（6）：

式中：Q鹦鸽嘴为鹦鸽嘴站月平均流量（m3/s）；

Q肃南为肃南站月平均流量（m3/s）。

图3　梨园河肃南站与鹦鸽嘴水库站逐月流量相关图

3.4 梨园堡站资料系列插补延长

梨园堡站自1949年4月设站，1956年以前的资料多为浮标测量，资料质量相对较差，为此，在全国第一次水资源调查评价时，要求资料系列从1956年开始。1956年至1974年底，断面实测流量均为天然径流过程，1975年1月以后受鹦鸽嘴水库蓄水的影响，实测流量为该水库的出库流量，不代表天然径流过程。为此1975年以后的实测流量以及1990年以后的缺测流量均需要还原计算和插补延长。

肃南水文站为国家级重要水文站，将长期驻守观测。因此，用肃南水文站1962～1974年同步观测的逐月平均流量建立相关关系，见图4。从图中可以看出，相关点密集呈带状，相关系数R= 0.991，通过置信度α=0.01的F检验，具有统计意义，可用于插补、延长缺测资料。据此可根据肃南站的资料系列向前延长梨园堡站的资料系列。资料插补延长模型见式（7）：

式中：Q梨园堡为梨园堡站月平均流量（m3/s）；

Q肃南为肃南站月平均流量（m3/s）。

图4　梨园河肃南站与梨园堡站月平均流量相关图

4　插补资料合理性分析

4.1 上下游站逐年径流过程线检查

梨园河地处祁连山区，流域内人为活动小，下垫面条件基本为天然状态。点绘梨园河各站的年径流过程线见图5。从图中可以看出，各站年平均流量变化过程线呈略有增加的趋势，肃南站增加速率为0.102m3s-1/10a，鹦鸽嘴站增加速率为0.0166m3s-1/ 10a，梨园堡站增加速率为0.193m3s-1/10a，说明随着祁连山气温升高和降水量增加，各断面逐年平均流量过程相应有所增加，增幅随流域面积的增大而增加。但对各站年平均流量过程的趋势线进行显著性检验时，均显示趋势不显著，说明梨园河流域各站的多年平均流量基本稳定。

图5　梨园河各站年径流量逐年变化过程线

4.2 流域降水量与径流深对照检查

点绘梨园河肃南站年降水量与梨园堡站的年径流深逐年变化过程线见图6，从图中可以看出，梨园河逐年降水量与出山径流量的变化过程基本一致，降水量和径流深的整体变化都有增加的趋势，降水量增加速率为0.80mm/a，径流深增加速率为0.198mm/a，降水量增加速率大于径流深增加速率，说明出山径流量变化过程合理。

4.3 相邻站年径流量双累积曲线检查

用一个流域的累积径流量与同步期相邻流域的累积径流量相关关系，能够揭示出河流水情或者河道特性渐进的或突然的变化。为此，将梨园河梨园堡站与黑河莺落峡站1956～2011年的逐年径流量分别进行累积相加，点绘同步资料系列相关图见图7，从图中可以看出，相关点子密集成一条线，对应关系较好，说明梨园河出山径流量与黑河出山径流量的变化趋势是一致的，由此说明梨园堡站资料系列在面上对照是合理的。

图6　梨园河肃南站年降水量、梨园堡站径流深逐年变化过程对照

图7　梨园河梨园堡站、黑河莺落峡站年径流量双累积曲线

由以上分析可以看出，梨园河流域插补延长后的各站资料的代表性、可靠性、一致性均较好，能够满足梨园河流域水资源规划的要求。

5　结语

（1）梨园河原有的干沟门水文站、梨园堡水文站和后来迁移形成的肃南水文站、鹦鸽嘴水库水文站是梨园河上的控制性水文站点，由于近些年的跨流域调出水和工农业生产，各测站径流系列的一致性遭到破坏，需进行还原计算。文中采用水量平衡法，将各测站径流系列一致性破坏时点以后发生的跨流域调出水量和工农业生产用水

量加入实测径流量中即得天然情况下的河道径流量。

（2）由于各水文站的迁移变更，径流系列断续不完整，需进行插补延长。各水文站之间具有不同时间间隔和跨度的同步观测资料，可分别利用其进行缺测年份资料的插补展延。经相关分析，各相关测站之间的相关系数在0.9以上，经假设检验，相关关系显著，据此插补展延的资料精度较高，符合径流地区和时程分布规律。

（3）通过上下游站逐年径流过程线对照检查，各测站年平均流量呈增加趋势，且符合径流的空间变化特征，但经显著性检验，这种增加趋势不显著。

（4）经流域降水量与径流深对照检查，降水量增速大于径流深增速，符合径流与降水的关系特征。

（5）经与相邻黑河流域水文站年径流量双累积曲线对照检查，各相关点密集成一直线，对应关系较好，表明梨园河径流与黑河径流变化趋势一致，本次插补展延的各测站资料可靠性较好，可用于流域水利规划设计等工作。

参考文献

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作者简介：程建民（1964年—），男，高级工程师。

收稿日期：2015-07-15

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.009

中图分类号：TV121

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）03-0022-04