汾河干流大河控制站優(yōu)化布設(shè)研究

穆仲平 潘垣臻

（1.山西省水文水資源勘測局 太原 030001；2.河海大學 南京 210098）

水文站網(wǎng)是水文工作的戰(zhàn)略布局，水文站網(wǎng)布設(shè)是否科學合理，對水利工作支撐效果具有重大影響。因此，對水文站布設(shè)合理性進行分析和研究具有極其重要的意義。

天然河道的水文站根據(jù)集水面積大小及作用，分為大河控制站、區(qū)域代表站和小河站。集水面積在5 000 km2以上大河干流上的流量站，稱為大河控制站。大河控制站在整個水文站網(wǎng)中，居首要地位，其主要任務(wù)是為河流管理、防汛抗旱和大規(guī)模水資源開發(fā)規(guī)劃及重大工程的興建，系統(tǒng)地搜集基本水文資料。大河控制站規(guī)劃的重點是確定布站數(shù)量和選定測站位置。本文根據(jù)遞變率原則和內(nèi)插精度原則，利用汾河干流已設(shè)站積累的幾十年流量數(shù)據(jù)對汾河干流大河控制站布設(shè)的合理性進行了分析。

1 布設(shè)原理及方法

1.1 按遞變率確定設(shè)站數(shù)上限

大河干流任何兩個相鄰測站流量特征值的變化，必須大于流量特征值的某一遞增值，以免被測驗誤差所掩蓋。因此，布站間距不宜過密，布站數(shù)目不宜過多。按照這一原則，用Q表示流量特征值，λ表示下游站較相鄰上游站的流量特征值應(yīng)保持的遞增率，則上游的第二個流量站測得的流量特征值應(yīng)滿足下面不等式：Q2-Q1≥λQ1，第n個流量站的特征流量Qn應(yīng)滿足如下不等式：Qn≥（1+λ）n-1Q1

則大河干流控制站布設(shè)數(shù)目n的上限公式［1］為：

式中：n—區(qū)間設(shè)站上限；

Q1、Qn—某河段首末兩個控制站的流量特征值；

λ—相鄰兩站流量特征值的遞變率；

P0—當相鄰站流量變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=0.5；

P1—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0.05～0.2,（1-P1）為不做出錯誤判斷的保證率；

η—測驗誤差。

從上述公式可以看出,當測驗誤差η和Qn/Q1的比值一定時,P1越小，布站數(shù)目的上限越少。表明只有少布站，才有較大的把握，使相鄰站的流量變差不被判斷為測驗誤差。此外，當P1和Qn/Q1一定時，測驗誤差越小，布站數(shù)目的上限越大，這表明由于測驗誤差精度高，即使布站較密，相鄰站流量變差較小，仍能按預(yù)定的保證率，把流量的真實變化同測驗誤差相區(qū)別。這樣就把自然條件（Qn和Q1），技術(shù)水平（η）和主管部門的需要（P1）聯(lián)結(jié)在一起，實現(xiàn)了主觀需求和客觀條件的統(tǒng)一。

1.2 按內(nèi)插精度原則確定設(shè)站數(shù)下限

為控制大河干流流量特征值沿程變化，并能按一定允許誤差ε內(nèi)插出任一點的流量特征值，要求△L不宜過長，布站數(shù)目不宜過少。因此，尚需建立一個確定布站數(shù)目下限的布站公式。

在長度L的河道上布設(shè)水文站的數(shù)目n滿足不等式［1］：

式中：L—規(guī)劃河長，km；

Cv—變差系數(shù)；

△L—兩站之間的距離；

r—相關(guān)系數(shù)；

L0—相關(guān)半徑。

1.3 遵循“需要”和“可能”原則，確定合理布站數(shù)和布站位置

根據(jù)需要和可能性，在上下限之間選定合理布站數(shù)目和位置。

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水文站網(wǎng)的布設(shè)不僅要滿足探求水文要素特征值空間分布規(guī)律的傳統(tǒng)設(shè)站目的，而且還要滿足社會發(fā)展對水文資料的新需求。滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求功能的大河干流控制站的布設(shè)，應(yīng)按以下要求確定：

1）在大河重要河段、重點防洪區(qū)、重要城市附近，應(yīng)根據(jù)防汛、抗旱需要，適當加密布設(shè)大河站；

2）在大河干流流量控制空白區(qū)，應(yīng)結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展情況設(shè)站；

3）在重要水功能區(qū)、大型引退水工程的上下游、省界處應(yīng)設(shè)站；

4）重點水土流失和水資源保護區(qū)宜設(shè)站。

2 汾河干流大河控制站布設(shè)分析

2.1 汾河流域及大河控制站網(wǎng)布設(shè)現(xiàn)狀

汾河是黃河第二大支流，為黃河的一級支流，其流域面積居山西省河流之首。汾河發(fā)源于管涔山、寧武縣東寨鎮(zhèn)的雷鳴寺泉，流向自北向南，縱貫大半個山西，流經(jīng)忻州、太原、晉中、呂梁、臨汾、運城六市，貫穿太原、臨汾兩個盆地，于運城市禹門口下游萬榮縣榮河鎮(zhèn)廟前村附近匯入黃河，全長695 km，流域面積39 471 km2.河道總高差1 308 m，平均縱坡1.12‰，干流直線長度412.7 km，河道彎曲系數(shù)1.68.汾河按自然縱坡可分為四段：河源至蘭村段及靈石至洪洞趙城河段，河水穿行于山峽之間，縱坡較大，約2.5‰～4.4‰；蘭村以下至介休義棠及趙城以下至河口兩段，流經(jīng)太原、臨汾盆地，縱坡平緩，約0.3‰～0.5‰.

汾河源遠流長、支流眾多，流域面積大于30 km2的支流有59條，其中流域面積大于1 000 km2的有7條,即：嵐河、瀟河、文峪河、昌源河、雙池河、洪安澗河、澮河等，支流中以嵐河的泥沙最多，以文峪河的徑流量最大。由河源到太原蘭村為汾河上游，蘭村到洪洞縣石灘村為中游，石灘村以下至河口為下游。汾河把口站為河津水文站。汾河中下游地區(qū)地面寬闊平坦，是山西經(jīng)濟發(fā)展和人文發(fā)達的所在地。

汾河干流自1943年設(shè)第一個干流站蘭村水文站以來，已陸續(xù)設(shè)了8個集水面積大于5 000 km2的大河控制站，自上而下依次為汾河水庫、寨上、蘭村、汾河二壩、義棠、趙城、柴莊、河津站。汾河干流大河控制站基本情況見表1.

表1 汾河干流大河控制站一覽表

2.2 汾河大河控制站網(wǎng)布設(shè)分析

計算各站1956～2008間的年徑流深及相關(guān)統(tǒng)計參數(shù)，見表2.

表2 汾河干流各水文站年徑流深（1956～2008）及有關(guān)特征

根據(jù)我省實際取 P1=0.15，P0=0.5,η=0.05,由公式（2）算得λ=0.137；由公式（1）即可求出汾河干流自汾河水庫到河津間布設(shè)水文站的上限數(shù)：

n≤1+［（ln（49.0×38728）-ln（60.3×5268））/（ln（1+0.137）］

=14.9

計算各站間的年徑流相關(guān)系數(shù)rIJ，見表3；量取相鄰站間距，計算各站間的河段長LIJ，列于表4.

表3 汾河干流各水文站年徑流相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表

表4 汾河干流各水文站間河段長統(tǒng)計表 單位：km

相關(guān)半徑L是相關(guān)函數(shù)的經(jīng)驗常數(shù)0，用以下方法求得：

點繪rIJ和LIJ相關(guān)圖，從曲線上摘取節(jié)點，然后用公式（4）求得L0.為偏于安全，宜選擇經(jīng)驗點群的下包線。見圖1，從下包線上摘取節(jié)點，求得L0=1 346 km；對各站年徑流深的變差系數(shù)，按現(xiàn)有水文站徑流深系列變差系數(shù)的平均值，取Cv=0.60；根據(jù)山西省實際取ε=0.1，將L0、Cv、ε的數(shù)值代入公式（3），算得汾河干流從汾河水庫到河津長為525 km的河段上，流量站布設(shè)數(shù)目的下限為：

圖1 汾河干流rij、LIJ相關(guān)圖

3 結(jié)論

根據(jù)以上計算結(jié)果，可以得知，在我省汾河干流汾河水庫水文站與河津水文站之間，從控制汾河徑流沿程變化的角度而言，較為合理的水文站布設(shè)數(shù)目為8～14站。目前,該河段上共設(shè)有8個水文站,符合8≤n≤14條件，說明汾河干流大河控制站的布站是經(jīng)濟合理的，已能滿足內(nèi)插干流年徑流的要求。

但隨著社會的發(fā)展，大河控制站不僅要滿足傳統(tǒng)的設(shè)站目的，還要兼具滿足社會需求及經(jīng)濟發(fā)展要求功能。為了能夠有效控制徑流沿程變化且同時滿足科學合理開發(fā)、利用水資源，根據(jù)水資源配置、水權(quán)分配與監(jiān)督管理需要，遵循“需要與可能”原則，建議在新絳縣布設(shè)1個水文站，除具在大河控制站的一般功能外可作為臨汾市和運城市的市界站。

［1］水利部水文司.水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則實用方法[M]，南京：河海大學出版社，1993.20-21