環(huán)境變化影響下水文系列資料連續(xù)性分析研究

黃志珍，呂耀光，黃 涵，樓樂平

（1.浙江省水文局，浙江 杭州 310009；2.寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315000；3.衢州市水文站，浙江 衢州 324000）

1 問題的提出

從古代的“大禹治水”到今天的“五水共治”，水文信息的準(zhǔn)確把握和規(guī)律遵循始終是浙江水利人把脈江河、守護(hù)安瀾的重要行動準(zhǔn)則。長系列水文資料是探求河湖水體水文特性及變化規(guī)律的最直接、最具代表性的載體。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和自然環(huán)境的變化，水文監(jiān)測環(huán)境經(jīng)常受到不同程度的影響，許多站點的測站控制明顯改變，使水文資料的連續(xù)性、一致性遭到破壞，給準(zhǔn)確的歷史資料統(tǒng)計分析帶來很大困難。本文以浙江省國家基本站為例，選取水位、流量作為特征指標(biāo)，進(jìn)行水文資料連續(xù)性分析研究，以期為開展流域水文特性分析、工程設(shè)計計算、防洪規(guī)劃編制、防汛預(yù)報調(diào)度、水資源利用保護(hù)、最嚴(yán)格的水資源管理與生態(tài)文明建設(shè)提供重要的基礎(chǔ)信息支撐。

2 省情概況及雨洪災(zāi)情特點

浙江省地處我國東南沿海長三角經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。2016年實現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)總值46 485億元，比上年增長7.5%[1]，10多年來經(jīng)濟(jì)及綜合實力一直穩(wěn)居全國前列。然而浙江又是一個自然條件復(fù)雜，水、旱、臺風(fēng)、大潮多種災(zāi)害頻繁交錯發(fā)生的地區(qū)，對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全影響極大。雨洪災(zāi)情主要有以下特點：①降水豐沛而時空分布不均、易發(fā)洪澇。大范圍降水主要由盛夏的臺風(fēng)和5 — 6月的鋒面雨（即以下所稱梅雨）形成。臺風(fēng)雨強度大、雨量大、范圍集中、歷時短，常伴狂風(fēng)、暴雨、暴潮，易致區(qū)域性洪水；梅雨總量大、范圍廣、歷時長，易引發(fā)流域性洪水。小范圍特別是小流域降水，由東風(fēng)波暴雨和受地形影響的強對流暴雨形成，其特點是范圍小、歷時短、強度大、發(fā)生地域不確定，全省多地時有出現(xiàn)。②河道縱橫而源短流急、洪水暴漲暴落，苕溪、運河、錢塘江、甬江、甌江、椒江、飛云江、鰲江八大水系中，除運河為平原河網(wǎng)外，其余水系上游皆經(jīng)山地丘陵，常引發(fā)山洪災(zāi)害、山體滑坡、泥石流，給人民生命財產(chǎn)造成極大損害。③浙北杭嘉湖地區(qū)和浙東、浙南濱海地區(qū)平原水網(wǎng)密布，地勢低平，水流緩慢；下游河口受潮水頂托，排水不暢，易引發(fā)澇災(zāi)。

3 水文監(jiān)測站網(wǎng)分布

為全面掌握江河水情，目前全省已建成國家基本水文站705處（包括水文站、水位站、潮位站、降水量站、蒸發(fā)站），中小河流專用站240個，站網(wǎng)密度達(dá)24 km2/站[2]。全省站網(wǎng)布設(shè)密度高，監(jiān)測項目齊全，空間上覆蓋全省各大流域水系，時間跨度上多數(shù)基本站資料系列長達(dá)50 ～ 60 a以上。這些站點的長年連續(xù)監(jiān)測和經(jīng)過精心整編的水文資料，一直以來都是浙江防汛抗旱、水資源開發(fā)、利用、保護(hù)、管理的重要技術(shù)與信息支撐。

4 環(huán)境變化對江河水文特性的主要影響

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和自然氣候環(huán)境變化，水文監(jiān)測受到環(huán)境影響程度加深、范圍加大，使許多站點難以保持原本穩(wěn)定的測站控制條件。因上下游水利工程、水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)或水環(huán)境整治改變了河道水體流態(tài)、測站附近下墊面狀況、測站控制條件，或因城市化建設(shè)、地下水的超限開采等引起地面不均勻沉降。

（1）水利工程的修建及人為調(diào)控，增強了人類對洪枯水情及水污染防治、供用水安全的干預(yù)程度，也改變了江河天然徑流時空分布特點、水流的水文特性、下墊面條件等；使江河水文特性由天然因素主控更多地轉(zhuǎn)為人為與自然因素雙重控制，增強了水文監(jiān)測與分析的難度與復(fù)雜度。水利工程因攔蓄水作用，使蓄水區(qū)內(nèi)水流變緩，同時，水利工程蓄放水的人為調(diào)控又改變了測站控制條件，水位流量關(guān)系受工程攔蓄水狀況影響較大，呈現(xiàn)非單一曲線的不穩(wěn)定關(guān)系和頻繁的陡漲陡落。

（2）城市化建設(shè)、地面道路硬化、排水（澇）系統(tǒng)建設(shè)相對滯后，致使地面蓄滲水能力減弱，上游降水匯流至下游河道的時間大大縮短，河道水位快速雍高，且時常出現(xiàn)小流量高水位（流量重現(xiàn)期小水位重現(xiàn)期大）情景；沿海城市若又遇下游潮水頂托，更加不利洪水排泄。因此近年來城市（鎮(zhèn)）頻發(fā)嚴(yán)重內(nèi)澇。

（3）地層構(gòu)造運動、工程建設(shè)、地下水超采引起的地面沉降，改變了水準(zhǔn)點高程、水尺零高，使水位表征的相對量發(fā)生變化。

5 水文系列資料連續(xù)性分析

5.1 研究要素選取

本文選取水位和流量作為研究的基本特征指標(biāo)。水文學(xué)上通常通過某一流域上測站（或斷面）的流量與相應(yīng)水位間的相關(guān)性分析建立該測站（或斷面）的水位流量關(guān)系。當(dāng)流量資料不完整或不連續(xù)時，可將連續(xù)的水位資料，通過水位流量關(guān)系推算、轉(zhuǎn)換為連續(xù)的流量資料；反之當(dāng)水位資料不完整或不連續(xù)時，可由流量通過水位流量關(guān)系反推水位，以供水文計算、水文預(yù)報、水利管理分析之用。

5.2 水文系列連續(xù)性分析

5.2.1 流量系列資料的連續(xù)性分析

5.2.1.1 面積指數(shù)關(guān)系建立

由于受到城鎮(zhèn)建設(shè)及涉水工程建設(shè)的影響，浙江有部分國家基本站點在歷史上發(fā)生過遷站，在取用歷史長系列流量資料時，需將發(fā)生遷站站點的流量資料進(jìn)行統(tǒng)一修正。修正方法采用面積指數(shù)法[3]，可表示為：

Q1=（F1/F2）nQ2

式中：F1、F2為遷站前后兩站點集水面積（km2）；Q1、Q2為遷站前后兩站點洪峰流量（m3/s）；n為指數(shù)，由各主要水文測站同頻率年最大洪峰流量關(guān)系推求為0.60（集水面積在500 km2以上）。

5.2.1.2 流量系列轉(zhuǎn)換與延長

流量系列資料轉(zhuǎn)換延長方法主要有2種：一是流量直接移用法，即當(dāng)遷站前后斷面以上集水面積相差不大，參照站（遷站前斷面）流量資料可直接移用為計算站（遷站后斷面）流量資料；二是面積指數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換延長法，當(dāng)遷站前后斷面以上集水面積相差較大，流量資料無法直接移用時，可由面積指數(shù)關(guān)系將參照站的流量資料轉(zhuǎn)換為計算站流量。下面以歷史上因建設(shè)活動影響發(fā)生過遷站的港口、常山（三）站為例加以闡述（見表1）。

表1 遷站前后集水面積變化及流量資料轉(zhuǎn)換延長方法表

（1）流量直接移用法（港口站）。港口水文站集水面積1 970 km2，于1997年1月1日從上游范家村站遷至此處，至2013年有17 a流量觀測資料。其上游的范家村水文站（1 940 km2）有1955 — 1996年42 a資料，由于港口水文站與范家村水文站集水面積僅相差30 km2，又由于兩斷面間河段的槽蓄作用，故港口水文站洪峰流量直接采用范家村站洪峰流量，不作修正。轉(zhuǎn)換后港口站流量資料系列為1955 — 2013 年共 59 a。

（2）面積指數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換法（常山（三）站）。常山（三）站集水面積2 336 km2，從上游長風(fēng)站（2 082 km2）、常山（二）站（2 310 km2）遷至此處，自2008年整編流量資料，至2013年有6 a流量資料。其上游的長風(fēng)有1956 — 1993年38 a資料，常山（二）站有1995 — 2003年9 a資料。將長風(fēng)站、常山（二）站的流量資料分別由面積指數(shù)法轉(zhuǎn)換為常山（三）站的流量資料。轉(zhuǎn)換后常山（三）站流量資料系列為1956 — 1993年、1995 — 2003、2008 — 2013年共53 a。

5.2.2 水位系列資料連續(xù)性分析

水位，不同于其他水文要素，是指水體水面相對于標(biāo)準(zhǔn)基面高度的相對量，因此受到參考基準(zhǔn)面、地面沉降等因素的影響。浙江歷史上曾采用不同的水準(zhǔn)基面，加之國家水準(zhǔn)網(wǎng)平差、太湖流域及浙江水文系統(tǒng)組織的歷次水準(zhǔn)復(fù)測、杭嘉湖等平原地區(qū)超采地下水、城市規(guī)劃等引起的地面不均勻沉降，使水位資料連續(xù)性分析比之其他要素更為復(fù)雜。使用者需要對各水文測站的水準(zhǔn)點高程和水尺零點高程進(jìn)行考證和對水位進(jìn)行沉降改正，使水位資料系列達(dá)到連續(xù)性、一致性、準(zhǔn)確性的要求。水位資料系列連續(xù)性分析、一致性修正主要包括各水準(zhǔn)基面換算、水準(zhǔn)基面訂正及水位高程受沉降影響改正等。

5.2.2.1 水準(zhǔn)基面換算

一個水位站的系列，須統(tǒng)一換算成某一絕對基面以上的高程，且其資料系列的連續(xù)性不遭受破壞時才具有代表性。歷史上，浙江省水準(zhǔn)基面大部分采用1922年測定的鎮(zhèn)海吳淞基面，小部分采用1957年啟用的黃海基面，個別站點采用假定基面或1987年啟用的“1985國家高程基準(zhǔn)”（以下簡稱“85基準(zhǔn)”）。為保證水位資料的一致性，一般通過確定各站歷年所用水準(zhǔn)基面與“85基準(zhǔn)”的差值，將水文、水位站不同絕對基面均統(tǒng)一到“85基準(zhǔn)”。各種高程系之間的換算關(guān)系：

（1）“56黃海高程”（m） = “吳淞高程”（m）－1.881 m。其中差值1.881 m的來源有2種說法：系平望水準(zhǔn)點其“吳淞高程”與“56黃海高程”的差值；或為浙江全省2種高程系重合點差值的平均值。

（2）“56黃海高程”或“吳淞高程”與“85基準(zhǔn)”的關(guān)系：①水文測站具有“56黃海高程”或“吳淞高程”與“85基準(zhǔn)”的實測高程差值，則采用實測高程差值作為該站基面換算值。②水文測站沒有“56黃海高程”或“吳淞高程”與“85基準(zhǔn)”的實測高程差值，則采用鄰近國家水準(zhǔn)線路“85基準(zhǔn)”與“56黃海高程”或“吳淞高程”的換算關(guān)系。

5.2.2.2 水準(zhǔn)基面訂正

水準(zhǔn)基面的訂正包括假定基面轉(zhuǎn)為絕對基面、水準(zhǔn)網(wǎng)平差改正、水尺零點高程變動、水準(zhǔn)高程使用錯誤等，要根據(jù)水文站測站沿革、水準(zhǔn)點考證和水尺零點高程考證等歷年考證資料進(jìn)行分析，提出水準(zhǔn)基面的訂正值。

5.2.2.3 水位高程受沉降影響的訂正

沉降影響主要存在于杭嘉湖、寧奉、溫黃、溫瑞等平原區(qū)，由于過量開采地下水，引起地下水位大幅度下降，導(dǎo)致地面不均勻沉降；從而使水文站所使用的引據(jù)水準(zhǔn)點、基本水準(zhǔn)點和校核水準(zhǔn)點以及水尺，也發(fā)生不同程度的沉降，造成水準(zhǔn)點高程以及水尺零點高程存在嚴(yán)重問題，使水位觀測值失真，從而發(fā)生水往高處流的極不合理現(xiàn)象。

為消除地面沉降帶來水位不準(zhǔn)的情況，全省多次組織開展等級不同的水準(zhǔn)復(fù)測工作。水準(zhǔn)復(fù)測及水位改正成果均由省水文機(jī)構(gòu)或市水文機(jī)構(gòu)正式發(fā)文予以啟用。所有代表站采用水位系列均對水準(zhǔn)基面進(jìn)行訂正，對水位沉降進(jìn)行改正，并統(tǒng)一換算為“85基準(zhǔn)”。

5.2.2.4 水位系列資料的轉(zhuǎn)換與延長

若測站曾發(fā)生過遷址，由于測站斷面遷移、測站新設(shè)或斷面控制條件發(fā)生較大變化等原因，需要通過分析遷站前后水文要素間相關(guān)關(guān)系，對遷站后的系列資料進(jìn)行轉(zhuǎn)換延長。水位系列轉(zhuǎn)換延長主要有2種方法：一為水位 — 水位關(guān)系轉(zhuǎn)換法，即當(dāng)遷站前參照站和遷站后計算站間有較理想的同步水位比測資料時，可用兩者間的水位 — 水位關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換延長；二為水位 — 流量關(guān)系查算法，當(dāng)遷站前后無同步水位比測資料時，視情選用適宜的方法（面積指數(shù)換算法或流量直接移用法）將參照站流量換算為計算站流量，再通過計算站水位流量關(guān)系查算計算站水位。下面以歷史上發(fā)生遷站的代表站港口、奉化溪口（三）、開化和武義站為例作敘述（見表2）。

表2 各站水位系列資料轉(zhuǎn)換延長方法表

（1）水位 — 水位關(guān)系。①港口站（直接建立關(guān)系）。港口水文站于1997年1月1日從上游范家村站遷至此處，至2013年有17 a水位觀測資料。其上游的范家村站有1952 — 1997年46 a資料，通過1997年范家村站與港口站同步水位觀測資料分析，其關(guān)系為：Y（范家村）= - 0.243 21 + 1.083 45 X（港口）。通過該式可以將范家村站1952 — 1996年45 a資料轉(zhuǎn)換為港口站水位資料，轉(zhuǎn)換后港口站水位資料系列為1952 — 2013年共62 a。②奉化溪口（三）站（不同工況下分別建立關(guān)系）。奉化溪口站1956年4月1日設(shè)立開始觀測水位，1984年1月1日起，斷面向下游遷移460 m，站名改名為奉化溪口（二），與1983年及以前水位（即奉化溪口站水位）換算關(guān)系如下（以H表示水位）[4]：

H（二）≤2.33 m時，H（一）= 1.321 H（二）- 0.570；

H（二）＞2.33 m時，H（一）= 1.207 H（二）- 0.304。

1999年3月1日起，水尺斷面又向上游遷移970 m，改名為奉化溪口（三）站。經(jīng)分析，奉化溪口（三）站與奉化溪口（二）站水位按下式換算，兩者關(guān)系線見圖1。

H（二）= 0.58 H（三）+ 0.375（不放水）；

H（二）= 0.565 H（三）- 0.03 （放水）。

先將奉化溪口站水位換算為奉化溪口（二）站水位，再將奉化溪口（二）站水位換算為奉化溪口（三）站水位。轉(zhuǎn)換后奉化溪口（三）站水位資料系列為1956 — 2013年共58 a。

（2）水位 — 流量關(guān)系。①開化站（區(qū)間無水利工程）。開化站集水面積816 km2，從上游密賽站（797 km2）遷至此處，自2004年1月1日起整編水位流量資料，至2013年有10 a水位觀測資料。其上游的密賽站有1957 — 1996年40 a資料。先將密賽站的流量資料由面積指數(shù)法轉(zhuǎn)換為開化站的流量資料，Q（開化）=（816/797）0.6Q（密賽），然后通過開化站的水位流量關(guān)系查算開化站的水位。轉(zhuǎn)換后開化站水位資料系列為1957 — 1996年、2004 — 2013年共50 a。②武義站（區(qū)間有水利工程）。武義站集水面積1 701 km2，從上游蓮塘口站（1 341 km2）遷至此處，自2004年1月1日起整編水位資料，至2013年有10 a水位觀測資料。由于武義站與蓮塘口站區(qū)間的支流上建有一水庫，集水面積為91 km2，洪水期受到該水庫泄洪影響，上下游水位關(guān)系、流量關(guān)系均不理想。所以，先將蓮塘口站流量資料通過面積指數(shù)法轉(zhuǎn)換為不考慮該水庫的武義站（集水面積1 610 km2）流量資料，然后通過武義站的水位流量關(guān)系查算武義站的水位。轉(zhuǎn)換后武義站水位資料系列為1957 — 2013年共57 a。在以后的實際洪水分析中考慮扣除水庫泄洪流量對武義站水位的影響。

6 結(jié) 語

本文以受變化環(huán)境影響的流域代表站為例，選取水位、流量2個特征指標(biāo)，綜合運用水準(zhǔn)點考證、水尺零高考證、水位沉降改正、水準(zhǔn)基面統(tǒng)一轉(zhuǎn)換、遷站站點系列資料轉(zhuǎn)換延長等方法，并視各站受自然及工程建設(shè)影響方式的具體情況，提出了一套較為實用易推廣的水 文系列資料連續(xù)性分析方法集。資料經(jīng)分析處理后，可使近年來受自然變化、工程建設(shè)影響較頻繁的水文站點實測資料得以保持歷史延續(xù)性和連貫性，使水文資料的歷史價值得以充分發(fā)揮，并可為今后類似的水文系列資料的分析提供方法借鑒與參考；并為浙江省進(jìn)一步實施最嚴(yán)格的水資源管理、推進(jìn)“五水共治”、落實“河長制”，及建設(shè)智慧水利、智慧防汛、生態(tài)文明，夯實水文歷史數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)，為水文分析提供科學(xué)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。

[1] 浙江省統(tǒng)計局，國家統(tǒng)計局浙江調(diào)查總隊.2016年浙江省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[EB/OL].2017[2017 - 02 - 24].http∶//www.zj.stats.gov.cn/tjgb/gmjjshfzgb/201702/t 20170224-192062.html.

[2]浙江省水文局.堅守一線 把脈江河[J].今日浙江，2016(“五水共治·‘兩美浙江’”?？?：20 - 21.

[3] 黃志珍，樓峰青，邱超，等.主要流域防洪重要斷面特征參數(shù)率定報告[R].杭州：浙江省水文局，2015.

[4]浙江省水文總站.《中華人民共和國水文年鑒》1984年第7卷浙閩臺河流水文資料第2冊(浦陽江水系，曹娥江、甬江流域及浙東沿海諸小河)[Z].杭州：浙江省水文總站，1985.