环境变化影响下水文系列资料连续性分析研究

黄志珍，吕耀光，黄 涵，楼乐平

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

1 问题的提出

从古代的“大禹治水”到今天的“五水共治”，水文信息的准确把握和规律遵循始终是浙江水利人把脉江河、守护安澜的重要行动准则。长系列水文资料是探求河湖水体水文特性及变化规律的最直接、最具代表性的载体。随着经济社会发展和自然环境的变化，水文监测环境经常受到不同程度的影响，许多站点的测站控制明显改变，使水文资料的连续性、一致性遭到破坏，给准确的历史资料统计分析带来很大困难。本文以浙江省国家基本站为例，选取水位、流量作为特征指标，进行水文资料连续性分析研究，以期为开展流域水文特性分析、工程设计计算、防洪规划编制、防汛预报调度、水资源利用保护、最严格的水资源管理与生态文明建设提供重要的基础信息支撑。

2 省情概况及雨洪灾情特点

浙江省地处我国东南沿海长三角经济发达地区。2016年实现国内生产总值46 485亿元，比上年增长7.5%[1]，10多年来经济及综合实力一直稳居全国前列。然而浙江又是一个自然条件复杂，水、旱、台风、大潮多种灾害频繁交错发生的地区，对经济社会发展和人民生命财产安全影响极大。雨洪灾情主要有以下特点：①降水丰沛而时空分布不均、易发洪涝。大范围降水主要由盛夏的台风和5 — 6月的锋面雨（即以下所称梅雨）形成。台风雨强度大、雨量大、范围集中、历时短，常伴狂风、暴雨、暴潮，易致区域性洪水；梅雨总量大、范围广、历时长，易引发流域性洪水。小范围特别是小流域降水，由东风波暴雨和受地形影响的强对流暴雨形成，其特点是范围小、历时短、强度大、发生地域不确定，全省多地时有出现。②河道纵横而源短流急、洪水暴涨暴落，苕溪、运河、钱塘江、甬江、瓯江、椒江、飞云江、鳌江八大水系中，除运河为平原河网外，其余水系上游皆经山地丘陵，常引发山洪灾害、山体滑坡、泥石流，给人民生命财产造成极大损害。③浙北杭嘉湖地区和浙东、浙南滨海地区平原水网密布，地势低平，水流缓慢；下游河口受潮水顶托，排水不畅，易引发涝灾。

3 水文监测站网分布

为全面掌握江河水情，目前全省已建成国家基本水文站705处（包括水文站、水位站、潮位站、降水量站、蒸发站），中小河流专用站240个，站网密度达24 km2/站[2]。全省站网布设密度高，监测项目齐全，空间上覆盖全省各大流域水系，时间跨度上多数基本站资料系列长达50 ～ 60 a以上。这些站点的长年连续监测和经过精心整编的水文资料，一直以来都是浙江防汛抗旱、水资源开发、利用、保护、管理的重要技术与信息支撑。

4 环境变化对江河水文特性的主要影响

随着经济社会发展和自然气候环境变化，水文监测受到环境影响程度加深、范围加大，使许多站点难以保持原本稳定的测站控制条件。因上下游水利工程、水利基础设施建设或水环境整治改变了河道水体流态、测站附近下垫面状况、测站控制条件，或因城市化建设、地下水的超限开采等引起地面不均匀沉降。

（1）水利工程的修建及人为调控，增强了人类对洪枯水情及水污染防治、供用水安全的干预程度，也改变了江河天然径流时空分布特点、水流的水文特性、下垫面条件等；使江河水文特性由天然因素主控更多地转为人为与自然因素双重控制，增强了水文监测与分析的难度与复杂度。水利工程因拦蓄水作用，使蓄水区内水流变缓，同时，水利工程蓄放水的人为调控又改变了测站控制条件，水位流量关系受工程拦蓄水状况影响较大，呈现非单一曲线的不稳定关系和频繁的陡涨陡落。

（2）城市化建设、地面道路硬化、排水（涝）系统建设相对滞后，致使地面蓄渗水能力减弱，上游降水汇流至下游河道的时间大大缩短，河道水位快速雍高，且时常出现小流量高水位（流量重现期小水位重现期大）情景；沿海城市若又遇下游潮水顶托，更加不利洪水排泄。因此近年来城市（镇）频发严重内涝。

（3）地层构造运动、工程建设、地下水超采引起的地面沉降，改变了水准点高程、水尺零高，使水位表征的相对量发生变化。

5 水文系列资料连续性分析

5.1 研究要素选取

本文选取水位和流量作为研究的基本特征指标。水文学上通常通过某一流域上测站（或断面）的流量与相应水位间的相关性分析建立该测站（或断面）的水位流量关系。当流量资料不完整或不连续时，可将连续的水位资料，通过水位流量关系推算、转换为连续的流量资料；反之当水位资料不完整或不连续时，可由流量通过水位流量关系反推水位，以供水文计算、水文预报、水利管理分析之用。

5.2 水文系列连续性分析

5.2.1 流量系列资料的连续性分析

5.2.1.1 面积指数关系建立

由于受到城镇建设及涉水工程建设的影响，浙江有部分国家基本站点在历史上发生过迁站，在取用历史长系列流量资料时，需将发生迁站站点的流量资料进行统一修正。修正方法采用面积指数法[3]，可表示为：

Q1=（F1/F2）nQ2

式中：F1、F2为迁站前后两站点集水面积（km2）；Q1、Q2为迁站前后两站点洪峰流量（m3/s）；n为指数，由各主要水文测站同频率年最大洪峰流量关系推求为0.60（集水面积在500 km2以上）。

5.2.1.2 流量系列转换与延长

流量系列资料转换延长方法主要有2种：一是流量直接移用法，即当迁站前后断面以上集水面积相差不大，参照站（迁站前断面）流量资料可直接移用为计算站（迁站后断面）流量资料；二是面积指数关系转换延长法，当迁站前后断面以上集水面积相差较大，流量资料无法直接移用时，可由面积指数关系将参照站的流量资料转换为计算站流量。下面以历史上因建设活动影响发生过迁站的港口、常山（三）站为例加以阐述（见表1）。

表1 迁站前后集水面积变化及流量资料转换延长方法表

（1）流量直接移用法（港口站）。港口水文站集水面积1 970 km2，于1997年1月1日从上游范家村站迁至此处，至2013年有17 a流量观测资料。其上游的范家村水文站（1 940 km2）有1955 — 1996年42 a资料，由于港口水文站与范家村水文站集水面积仅相差30 km2，又由于两断面间河段的槽蓄作用，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。转换后港口站流量资料系列为1955 — 2013 年共 59 a。

（2）面积指数关系转换法（常山（三）站）。常山（三）站集水面积2 336 km2，从上游长风站（2 082 km2）、常山（二）站（2 310 km2）迁至此处，自2008年整编流量资料，至2013年有6 a流量资料。其上游的长风有1956 — 1993年38 a资料，常山（二）站有1995 — 2003年9 a资料。将长风站、常山（二）站的流量资料分别由面积指数法转换为常山（三）站的流量资料。转换后常山（三）站流量资料系列为1956 — 1993年、1995 — 2003、2008 — 2013年共53 a。

5.2.2 水位系列资料连续性分析

水位，不同于其他水文要素，是指水体水面相对于标准基面高度的相对量，因此受到参考基准面、地面沉降等因素的影响。浙江历史上曾采用不同的水准基面，加之国家水准网平差、太湖流域及浙江水文系统组织的历次水准复测、杭嘉湖等平原地区超采地下水、城市规划等引起的地面不均匀沉降，使水位资料连续性分析比之其他要素更为复杂。使用者需要对各水文测站的水准点高程和水尺零点高程进行考证和对水位进行沉降改正，使水位资料系列达到连续性、一致性、准确性的要求。水位资料系列连续性分析、一致性修正主要包括各水准基面换算、水准基面订正及水位高程受沉降影响改正等。

5.2.2.1 水准基面换算

一个水位站的系列，须统一换算成某一绝对基面以上的高程，且其资料系列的连续性不遭受破坏时才具有代表性。历史上，浙江省水准基面大部分采用1922年测定的镇海吴淞基面，小部分采用1957年启用的黄海基面，个别站点采用假定基面或1987年启用的“1985国家高程基准”（以下简称“85基准”）。为保证水位资料的一致性，一般通过确定各站历年所用水准基面与“85基准”的差值，将水文、水位站不同绝对基面均统一到“85基准”。各种高程系之间的换算关系：

（1）“56黄海高程”（m） = “吴淞高程”（m）－1.881 m。其中差值1.881 m的来源有2种说法：系平望水准点其“吴淞高程”与“56黄海高程”的差值；或为浙江全省2种高程系重合点差值的平均值。

（2）“56黄海高程”或“吴淞高程”与“85基准”的关系：①水文测站具有“56黄海高程”或“吴淞高程”与“85基准”的实测高程差值，则采用实测高程差值作为该站基面换算值。②水文测站没有“56黄海高程”或“吴淞高程”与“85基准”的实测高程差值，则采用邻近国家水准线路“85基准”与“56黄海高程”或“吴淞高程”的换算关系。

5.2.2.2 水准基面订正

水准基面的订正包括假定基面转为绝对基面、水准网平差改正、水尺零点高程变动、水准高程使用错误等，要根据水文站测站沿革、水准点考证和水尺零点高程考证等历年考证资料进行分析，提出水准基面的订正值。

5.2.2.3 水位高程受沉降影响的订正

沉降影响主要存在于杭嘉湖、宁奉、温黄、温瑞等平原区，由于过量开采地下水，引起地下水位大幅度下降，导致地面不均匀沉降；从而使水文站所使用的引据水准点、基本水准点和校核水准点以及水尺，也发生不同程度的沉降，造成水准点高程以及水尺零点高程存在严重问题，使水位观测值失真，从而发生水往高处流的极不合理现象。

为消除地面沉降带来水位不准的情况，全省多次组织开展等级不同的水准复测工作。水准复测及水位改正成果均由省水文机构或市水文机构正式发文予以启用。所有代表站采用水位系列均对水准基面进行订正，对水位沉降进行改正，并统一换算为“85基准”。

5.2.2.4 水位系列资料的转换与延长

若测站曾发生过迁址，由于测站断面迁移、测站新设或断面控制条件发生较大变化等原因，需要通过分析迁站前后水文要素间相关关系，对迁站后的系列资料进行转换延长。水位系列转换延长主要有2种方法：一为水位 — 水位关系转换法，即当迁站前参照站和迁站后计算站间有较理想的同步水位比测资料时，可用两者间的水位 — 水位关系进行转换延长；二为水位 — 流量关系查算法，当迁站前后无同步水位比测资料时，视情选用适宜的方法（面积指数换算法或流量直接移用法）将参照站流量换算为计算站流量，再通过计算站水位流量关系查算计算站水位。下面以历史上发生迁站的代表站港口、奉化溪口（三）、开化和武义站为例作叙述（见表2）。

表2 各站水位系列资料转换延长方法表

（1）水位 — 水位关系。①港口站（直接建立关系）。港口水文站于1997年1月1日从上游范家村站迁至此处，至2013年有17 a水位观测资料。其上游的范家村站有1952 — 1997年46 a资料，通过1997年范家村站与港口站同步水位观测资料分析，其关系为：Y（范家村）= - 0.243 21 + 1.083 45 X（港口）。通过该式可以将范家村站1952 — 1996年45 a资料转换为港口站水位资料，转换后港口站水位资料系列为1952 — 2013年共62 a。②奉化溪口（三）站（不同工况下分别建立关系）。奉化溪口站1956年4月1日设立开始观测水位，1984年1月1日起，断面向下游迁移460 m，站名改名为奉化溪口（二），与1983年及以前水位（即奉化溪口站水位）换算关系如下（以H表示水位）[4]：

H（二）≤2.33 m时，H（一）= 1.321 H（二）- 0.570；

H（二）＞2.33 m时，H（一）= 1.207 H（二）- 0.304。

1999年3月1日起，水尺断面又向上游迁移970 m，改名为奉化溪口（三）站。经分析，奉化溪口（三）站与奉化溪口（二）站水位按下式换算，两者关系线见图1。

H（二）= 0.58 H（三）+ 0.375（不放水）；

H（二）= 0.565 H（三）- 0.03 （放水）。

先将奉化溪口站水位换算为奉化溪口（二）站水位，再将奉化溪口（二）站水位换算为奉化溪口（三）站水位。转换后奉化溪口（三）站水位资料系列为1956 — 2013年共58 a。

（2）水位 — 流量关系。①开化站（区间无水利工程）。开化站集水面积816 km2，从上游密赛站（797 km2）迁至此处，自2004年1月1日起整编水位流量资料，至2013年有10 a水位观测资料。其上游的密赛站有1957 — 1996年40 a资料。先将密赛站的流量资料由面积指数法转换为开化站的流量资料，Q（开化）=（816/797）0.6Q（密赛），然后通过开化站的水位流量关系查算开化站的水位。转换后开化站水位资料系列为1957 — 1996年、2004 — 2013年共50 a。②武义站（区间有水利工程）。武义站集水面积1 701 km2，从上游莲塘口站（1 341 km2）迁至此处，自2004年1月1日起整编水位资料，至2013年有10 a水位观测资料。由于武义站与莲塘口站区间的支流上建有一水库，集水面积为91 km2，洪水期受到该水库泄洪影响，上下游水位关系、流量关系均不理想。所以，先将莲塘口站流量资料通过面积指数法转换为不考虑该水库的武义站（集水面积1 610 km2）流量资料，然后通过武义站的水位流量关系查算武义站的水位。转换后武义站水位资料系列为1957 — 2013年共57 a。在以后的实际洪水分析中考虑扣除水库泄洪流量对武义站水位的影响。

6 结 语

本文以受变化环境影响的流域代表站为例，选取水位、流量2个特征指标，综合运用水准点考证、水尺零高考证、水位沉降改正、水准基面统一转换、迁站站点系列资料转换延长等方法，并视各站受自然及工程建设影响方式的具体情况，提出了一套较为实用易推广的水 文系列资料连续性分析方法集。资料经分析处理后，可使近年来受自然变化、工程建设影响较频繁的水文站点实测资料得以保持历史延续性和连贯性，使水文资料的历史价值得以充分发挥，并可为今后类似的水文系列资料的分析提供方法借鉴与参考；并为浙江省进一步实施最严格的水资源管理、推进“五水共治”、落实“河长制”，及建设智慧水利、智慧防汛、生态文明，夯实水文历史数据信息基础，为水文分析提供科学精准的数据支撑。

[1] 浙江省统计局，国家统计局浙江调查总队.2016年浙江省国民经济和社会发展统计公报[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.坚守一线 把脉江河[J].今日浙江，2016(“五水共治·‘两美浙江’”专刊)：20 - 21.

[3] 黄志珍，楼峰青，邱超，等.主要流域防洪重要断面特征参数率定报告[R].杭州：浙江省水文局，2015.

[4]浙江省水文总站.《中华人民共和国水文年鉴》1984年第7卷浙闽台河流水文资料第2册(浦阳江水系，曹娥江、甬江流域及浙东沿海诸小河)[Z].杭州：浙江省水文总站，1985.