南通沿海潮位资料插值方法研究

刘　平　刘美华　吴海军

(南通市水利局， 江苏 南通　226003 )



南通沿海潮位资料插值方法研究

刘平刘美华吴海军

(南通市水利局， 江苏 南通226003 )

【摘要】南通滨海平原地处黄海之滨，流域内河网水流运动受潮位影响明显。本文针对沿海潮位实测资料中低潮潮位缺失的问题，提出一种采用具有完整潮位过程的临近站点资料对潮位缺测站点进行潮位插值的方法，从而为南通平原河网水文水动力模型的计算提供潮位边界条件。该方法结合典型潮位站的潮位单位线形状，对南通沿海边界潮位过程进行补充插值。通过流域内实测水位过程验证， 表明该方法可以有效对潮位缺测站点进行潮位插补。

【关键词】平原河网； 水动力模型； 潮位单位线； 潮位插值

1概述

南通市地处江苏省东南部，南临长江，东濒黄海，地势平坦，河道纵横交错呈网状，属于典型的滨海平原河网地区，河网水流运动过程均极为复杂。平原河网区既承受沿长江引水、本地降雨以及沿海潮位顶托影响，又受沿江、沿海港闸水利工程控制，闸泵水利工程与水文水动力过程相互作用，这给河网水动力模型模拟带来极大困难。为了解决平原河网区多条件共同作用下的河网水流运动模拟问题，一般采用对整个区域进行水文水动力建模的方法，即:在平原区构建平原区产水模型计算产流，对整个河网构建河网水动力模型模拟河网水流运动，同时对流域内水利工程进行合理概化[1-2]。

沿海潮位站经常由于涨落潮起伏变化较大、低潮潮位低于水位观测设备，导致测不到低潮潮位，水文年鉴整理资料一般只有每日的两高潮位，因此，一般采用配一个设计潮型过程形成一个完整潮型过程的方法。但这种方法存在很大缺点：只对高潮位模拟比较准确，低潮潮位的精度没有控制。在模拟时间长达数月乃至一年的过程模拟时，低潮部分的误差就显得更大，极大地影响了河网水流模拟的精度。

针对潮位插值、潮位设计以及潮型的时空变化已经有了很多研究，但针对如何利用潮汐测站高潮潮位对完整潮型进行有效插值，仍然缺乏研究。本文在南通平原区河网水文水动力模型基础上，充分利用已有信息，采用临近站点潮型对资料缺测站点进行潮位插补，从而为南通平原河网的水流计算提供了合理的边界条件。

2潮位插值方法

2.1潮位及时间插补

为了对低潮潮位进行插值补全，本文选择距离待插值站较近且潮型相似，且具有每日完整高低潮潮位实测资料的测站作为缺测站点潮型和潮位变幅插补计算的参证控制站。低潮潮位的插值分为两步进行：ⓐ实现潮位变幅插值；ⓑ对低潮出现时间进行插值。该方法假定临近测站潮位变幅相似，即高低潮的变幅是相同的。在实测潮位资料中与低潮潮位相邻的两个高潮一般不是严格的平移变化，本文以相邻高低潮差的平均值反映这个平移变化，合并整理后的目标低潮潮位插值公式如下：

对低潮的出现时间插值，采用线性插值方法：

潮位插值详见图1。

图1　潮位插值示意图

2.2潮位曲线插值

若潮位作为模型边界参与计算，则需要对特征潮位间的变化过程进行插值。常用的潮位插值方法包括样条函数插值、余弦函数插值和潮位单位线插值。利用样条函数或余弦曲线可以插值得任意时刻的潮位，但是针对涨潮、落潮期，采用的是同一插值函数，不同潮位站之间也没有差别。实际上，根据详细潮位资料分析，不仅涨潮、落潮插值函数不一样，不同潮位站的插值函数也不一样。因此，本文选用潮位单位线进行潮位插值，从而反映涨潮、落潮不同变化。

用水位及时间的绝对值来描述一个站的潮位过程，则小潮和大潮之间，其过程线形状差别很大。由于潮汐在传播过程中的变形，涨潮与落潮过程线的形状也不同，无法加以归纳综合。如果不论大潮或小潮，将涨、落潮的潮差定义为1.0，涨、落潮历时亦定义为1.0，称之为潮位过程线。各种潮的单位潮位过程线虽然不完全相同，但形状基本一致，用一条平均的单位潮位线来近似，如图2所示。

图2　潮位过程线

有了单位潮位过程线后，将特征潮位值及相应时间代入，则可得到潮位过程Z(t)，由此插值得到任意时刻的潮位值。

3实例验证

3.1南通河网水文水动力模型结构

由于资料的缺失，无法对插补的潮位过程进行直接验证，本文通过对南通流域进行整体建模，由流域内的水位观测站点对潮位插值的合理性进行评估。南通为典型的平原河网地区，将其分为水域、水田、旱地、建设用地四种不同下垫面，分别构建产流模型。产流计算结果经坡面汇流进入周边河网。同时考虑边界潮位和闸泵工程控制对流域内河网的水流过程的影响。模型结构如图3所示，具体求解方法参见相关文献[1-3]。模型选用2011年的实测资料进行验证。

图3　平原区河网水文水动力模型结构

3.2流域概化

根据产流规律的不同，将南通下垫面按照土地利用类型进行合并，并对整个平原河网地区按200m×200m进行栅格化。同时对流域内不同级别河道分别进行概化，其中一级河道和二级骨干河道采用实测河道断面，其他二级非骨干河道及三级河道采用梯形河道断面。流域内一级河道共12条，二级河道共111条，三级河道共1149条。潮位站点为洋口外闸、遥望港闸、大洋港闸和连兴港闸，流域内有海安(通)、搬经、丁埝和石港4个水位测站，站点分布如图4所示。潮位站中除位于长江入海口的连兴港闸具有完整潮位资料外，其余三个潮位站点均只有每日两高潮位数据。

图4　南通河网模型概化及水位站点分布

3.3潮位插值

在南通流域附近，有大丰港、东大港、新条鱼港、洋口港等遥测潮位站，本文选用最靠近南通沿海港闸的洋口港潮位单位线作为典型的潮位单位线，结合沿海各测站的每日两高潮位资料进行两低潮位插值形成完整潮位过程。对洋口港潮位资料进行综合，提取大、中、小潮过程，除以潮位振幅进行归一化处理，消除不同潮型量级的影响，形成从0到1的大、中、小潮潮位单位线，再对大、中、小潮潮位单位线取平均，获得实际使用的涨潮、落潮单位线，计算结果见表1。

将洋口外闸、遥望港闸以及大洋港闸的特征潮位值及其相应时间代入，则可得到任意时刻的潮位过程。2011年三个潮汐站的插值结果如图5所示。

表1　洋口港遥测站潮位单位线统计

3.4模型率定与验证

由于缺少沿海每日两低潮位资料，无法对潮位插值结果的精度进行直接验证，本文采用耦合河网水文水动力模型，利用河网内部水位实测资料进行间接验证。模型采用2011年6月1日—9月1日的同步实测降雨、流量、水位资料进行验证。通过计算调试率定出南通河网河道糙率在0.02～0.03之间，计算时间步长为15min，验证成果过程见图6和表2。

图5　2011年洋口外闸、遥望港闸和大洋港闸潮位插值结果

图6　2011年南通河网水位模拟过程

站名洪峰水位/m峰现时间实测计算误差实测计算差值海安(通)4.073.98-0.0914日8时14日8时迟后1h搬经3.943.950.0114日8时14日8时迟后1h丁埝3.883.85-0.0314日8时14日8时迟后1h石港3.033.160.1314日8时14日9时迟后2h

3.5成果讨论

从验证结果可以看出，在海安(通)、搬经、丁埝、石港模型模拟成果较好，4个验证站的水位计算过程与实测过程变化基本相同，海安(通)、搬经、丁堰、石港验证站的峰值水位绝对误差在0.13m以内，表明基于临近站点的沿海潮位插值方法是可行的，且具有较高的精度，可以保证平原河网模型的正确计算。但同时由于受以下因素影响，会导致模型模拟水位存在一定偏差：

a.沿江、沿海小闸的实际运行工况不掌握，实际引排过程和闸泵工程规则不完全一致，从而导致沿江沿海小闸引排过程模拟不准确，这是影响区域内水位过程模拟精度的主要原因。

b.沿海实测潮位只有每日两高潮位，潮位过程采用插补方法获得，潮位插补无法和实测最低潮位完全一致，存在误差。

c.南通河网水文水动力模型概化方面存在误差，如：下垫面空间分布缺少实测资料，采用均化方式处理导致产水空间分布误差；与泰州连接的有通扬运河、如靖界河等边界实测流量不掌握，这些模型简化也会造成水位模拟误差。

4结语

本文针对南通沿海潮位资料缺失的情况，耦合南通河网水文水动力模型，利用河网内部水位实测资料对潮位插值方法进行间接验证，结论如下：通过对南通地区实况年份洪水期水情及引水期的模拟演算，计算地区各代表站的洪峰水位及水位过程线与实测情况相差较小，水位过程线趋势与实况均拟合较好，模型模拟结果合理，基本反映了南通河网地区水流特点和实际状况。验证成果表明：利用本文提出的潮位插值方法能够解决南通沿海缺少每日两低潮位的潮位站点插补计算问题，并且潮位插值具有较好的效果。

参考文献

[1]程文辉,王船海,朱琰.太湖流域模型[M].南京:河海大学出版社,2006.

[2]王船海,王娟,程文辉,等.平原区产汇流模拟[J].河海大学学报(自然科学版),2007(6):627- 632.

Research on Nantong coastal tidal level data interpolation method

LIU Ping, LIU Meihua, WU Haijun

(NantongWaterConservancyBureau,Nantong226003,China)

Abstract：Nantong coastal plain is located besides Yellow Sea. River network water flow movement in the basin is affected by tidal level significantly. In the paper, a method of tidal level interpolation on the tidal level measurement missing station close to station data with complete tidal level process is proposed aiming at the problem of missing low tidal level in coastal tidal level actually-measured data. Therefore, tidal level boundary conditions are provided for calculating river network hydrological and hydrodynamic model in Nantong Plain. In the method, tidal level unit linear shape of typical tidal level station is combined for supplemental interpolation aiming at Nantong coastal boundary tidal level process. It is obvious that the tidal level measurement missing station can accept effective tidal level interpolation by the method through actual measurement water level process verification in the basin.

Key words：plain river network; hydrodynamic model; water unit line; tide level interpolation

中图分类号：TV221

文献标志码：A

文章编号：1005- 4774(2016)01-0068-05

DOI:10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.01.019