深圳市重要河流水文站网布设技术探讨

程正选 刘广山 何 良

深圳市河流众多，其中深圳河、茅洲河、龙岗河、观澜河、坪山河5条河流流域面积超过100 km2，5条河流流域总面积占深圳市陆域国土总面积的61%，在深圳市国民经济发展和防汛减灾中占有重要地位。大沙河是深圳市第二大排洪河，上游的西丽水库和长岭陂水库，不仅是深圳市重要的水源地，同时承担着城市防洪的重要责任，流域内分布有大学城、高新科技园和创新产业城，社会经济地位十分重要。目前，6条河流中除深圳河因河道治理设有部分工程专用水文站外，其余河流均未设立基本水文站。

为满足水环境治理及水资源优化配置等对水文资料的需求，并为落实河长制和治水提质提供技术支撑，同时为防汛测报、防洪减灾、河道治理、水资源合理开发利用、工程水文分析、水文特性分析研究、防洪工程等的实施与运行提供准确可靠的水文水资源基础资料，深圳市正在积极推进水文站网规划及水文站建设工作。依据站网规划的原则，应优化站网结构，使水文站网尽量满足区域内国民经济对水文资料的需求。

1 流域概况

1.1 自然地理

深圳市位于广东省东南部珠江口的东岸，北连惠州市、东莞市，南隔深圳河与香港九龙新界相邻，东依大鹏湾、大亚湾，西濒伶仃洋与珠海市相望。陆域范围为东经114°37′21″（大鹏半岛鞋柴角）～113°45′44″，北纬22°51′49″～22°26′59″（大鹏半岛南端）。平面形状呈东西长（92 km），南北窄（44 km）的狭长形。根据《2015年深圳市统计年鉴》，全市土地总面积为1 996.85 km2。

深圳市地势东南高、西北低，主要山脉走向由东向西，贯穿中部，形成天然屏障，成为主要河流发源地和分水岭。依托地势特征，全市分布着3个地貌带，即东南为半岛海湾地貌带，中部为海岸山脉地貌带，西北部为丘陵谷地地貌带。

1.2 河流水系

深圳市共有流域面积大于1 km2的干流及一、二、三级支流、独立河流310条，其中流域面积大于100 km2的河流有5条，即茅洲河、龙岗河、观澜河、深圳河和坪山河。

深圳市地形地貌的特点决定了河流水系的分布和走向。小河沟数目多、分布广、干流短是深圳市水系的一个特点。以海岸山脉和羊台山为主要分水岭，深圳市河流划分为珠江口水系、东江中下游水系和粤东沿海水系3个水系。

（1）珠江口水系。西部和西南地区诸河流，流入珠江口伶仃洋，主要河流有深圳河、大沙河、西乡河和茅洲河。

（2）东江水系。主要为东北部河流，发源于海岸山脉北麓，由中部往北或东北方向流入东江中、下游，主要河流有龙岗河、坪山河和观澜河。

（3）粤东沿海水系。河流发源于海岸山脉南麓，流入大鹏湾和大亚湾，主要河流有盐田河、葵涌河、王母河、东涌河等。

1.3 水文气象

深圳市地处广东省南部沿海，位于北回归线以南，属南亚热带海洋性季风气候，温暖、湿润、多雨、无霜，夏季长，冬季不明显。冷期短，霜日极少。多年平均日照时数2 120 h，≥10℃年积温8 053.1℃，年太阳总辐射量53.47万kJ/cm2，其年季变化不大。深圳市多年平均气温22.4℃，极端最高气温38.7℃，极端最低气温0.2℃，多年平均水面蒸发量1 346 mm，多年平均气压1 010.8 mPa，各月气压变化较小。雨量充沛，全市多年平均降水量为1 830 mm，降雨量的年内分配很不均匀，大部分集中在4～9月份，占全年降雨量的85%以上。多年平均径流深900～1 100 mm。径流的年际变化较大，变差系数Cv取0.38，Cs=2 Cv。

2 水文站网现状及评价

2.1 站网现状

目前，深圳市共有水（潮）位站54处、降水量站58处、水面蒸发站3处、专用水文站6处。

现有的站点均为工程专用水文测站，测站的设立与裁撤以工程施工和工程运行需要为依据，站网的布设也是以服务工程为目的，因此，站网布设的合理性和测站的长久性具有不确定性。现有的6个流量站中有5个流量站设在深圳河流域，站网密度为29 km2/站，而茅洲河、龙岗河、观澜河、坪山河和大沙河5条河流均未设立基本水文站，站网空间分布不均。

随着深圳市经济和社会的发展和治水提质、海绵城市、防洪治涝等工作的开展，水文工作也凸显了其重要性。社会对水文信息的需求将越来越高，现有的水文站网体系在诸多方面亟待发展、调整、补充和完善。同时，深圳市水资源问题和洪涝灾害日益突出，暴露出水文资料不足、流量站网分布与防洪减灾新要求不相适应、站网结构不合理等问题。

2.2 站网评价

根据气候与下垫面条件相似程度以及深圳市水系分布特点和河流地理特征，深圳市划分为3个水文分区，即东江水文区、珠江口水文区、海湾水文区［1］。深圳市上述6条河流所属的水文分区及河流特征如表1所示。

表1 水文分区情况及河流特征

2.2.1 区域代表站的设立

区域代表站的设立应考虑有较好的代表性和测验条件［2］，能控制径流等值线明显的转折与走向，同时满足防汛抗旱、水资源管理、水工程规划、设计和管理运用等需要［3］。

采用卡拉谢夫法对区域代表站布设数量进行计算，该方法依据的3个准则为临界最小面积准则、梯度准则以及相关准则［4］。

（1）临界最小面积准则。

式中，F0为最优站网密度确定的测站控制流域面积，km2；Fm为临界最小面积准则确定的测站控制的最小流域面积，km2。

（2）梯度准则。

式中，F∇为基于梯度准则确定的测站控制的最小流域面积，km2；σ0为测验误差的相对均方差；my为正常年径流深，mm；∇为正常年径流深沿某一方向的梯度变化，mm/km。

（3）相关准则。

式中，；Fk为相关准则确定的测站控制的最大流域面积，km2；L0为相关半径，km；k2为置信系数；cv为径流深变差系数。

由上述三准则可知，基于卡拉谢夫法确定的单站控制面积应满足

水文分区内区域代表站最优站网密度对应的布设数目为

式中，n0为研究区域代表站最优站网密度对应测站数目；F为研究区域的面积，km2。

根据卡拉谢夫法对深圳市3个水文分区分别进行计算，南方湿润地区临界最小面积准则大约取200 km2［5］。

由于深圳市缺乏相应的实测径流资料，径流深由《广东省平均年径流深等值线图》所得，区域平均变差系数Cv也由《广东省年径流深变差系数等值线图》所得，为0.38。年径流深梯度变化，由流域中心点径流深与相邻最近流域中心点径流深之差除以相应距离计算得到。测验误差相对均方差参考文献取0.05［6］，最终依据梯度准则计算得到各水系测站控制的最小流域面积（如表2所示）。

因现状区域内无流量站网，相关半径取L0=770 km［7］，保证率与置信系数分别取P=75%、k2=1.15［6］，最终依据相关准则计算得出测站控制的最大流域面积和代表站布设数目（如表2所示）。

表2 卡拉谢夫法计算结果

根据以上计算结果，对n0修约取整，最优区域代表站密度除东江区为2个外，珠江口区和海湾区分别为1个。依据《水文站网规划技术导则》（SL34-2013）［8］的分类，龙岗河、茅洲河、深圳河流域面积符合湿润地区200～3 000 km2范围，又分别属于东江、珠江口、海湾3个水文分区，符合区域代表站设立的要求。观澜河属于东江区，面积接近200 km2，也可设立区域代表站。

考虑到3个水文分区内防洪减灾、水资源保护与利用、水利工程规划建设等需要，通过对龙岗河、观澜河、茅洲河、深圳河实地查勘，在满足水文测验条件的前提下，兼顾交通和生活条件，比选出龙岗河、观澜河、茅洲河、深圳河口4个区域代表水文站的断面位置。根据水文特性、来水来沙情况和社会经济发展需求，确定4个水文站的基本观测水文要素有水位、降水、流量、悬沙、颗分、水质，具体如表3所示。

表3 区域代表站基本情况

2.2.2 小河站设立

坪山河和大沙河属于区域代表站之间的空白区域，分属东江区和海湾区。因其在深圳市防汛减灾和水资源管理中具有特殊地位，又属于城市化快速发展区域，下垫面变化大，可设立小河站。通过小河站收集暴雨洪水资料，为城市防洪减灾提供服务，也可为探索产汇流机制在地区上和随下垫面变化的规律提供平台。

坪山河和大沙河虽然仅符合小河站设立要求，但由于属山溪性雨洪河流，降雨集中，产汇流时间短，洪水涨落急剧，流域内城市化程度非常高，洪水危害大，防汛减灾和水资源保护任务重大，也按基本水文站的要求设立，具体如表4所示。

表4 小河站基本情况

3 设站需求分析与测验河段比选

3.1 设站需求分析

深圳是我国经济最发达的地区之一，丰沛的水量和密集的河流为其发展提供了优越的自然条件，但洪、涝、旱、台风、暴潮等灾害的不断发生又对地区发展构成巨大的威胁。随着社会经济的发展及城市化水平的不断提高，建立深圳市重要河流水文基本站，可满足以下4方面的需求。

（1）实时防灾减灾的需要。防灾减灾是水务中心工作，也是各级政府的重要工作。深圳市城市化率接近100%，随着城市化水平的提高，城市防洪尤其排涝问题日益突出，同量级暴雨洪水引发的洪涝灾害造成的直接或间接损失会越来越大，迫切需要加强城市暴雨洪水特性的研究和城市排涝的设计等方面工作。在重要河流设立水文基本站，及时准确地提供水情情报，是实施防洪指挥调度决策、指导城市防洪排涝工程规划和建设的重要依据。

（2）落实河长制的需要。根据《深圳市全面推行河长制实施方案》，至2025年，深圳市对全市148条（160段）河流实施河长制管理。其中，在加强水安全保障方面，应重点推进主要河流和滨海地区感潮河段的防洪减灾工程建设，提高全市中小河流的防洪、防潮标准。为此需要加强河流水文站网建设及信息监测，建立防洪救灾响应和管理机制，提高洪涝灾害科学预报预警和防灾减灾信息化水平。

（3）开展水生态保护与修复的需要。水生态是河流健康的重要标志，开展水生态监测是水生态保护与修复工作的重要基础，对生态建设和深层次水资源管理具有十分重要的意义。在重要河流设立水文基本站，及时跟踪和评价城市河涌整治的水环境状况，可为深圳市实施治水提质、开展水环境保护与治理提供依据。

（4）科学开展涉水工程规划设计的需要。深圳市作为国际化现代化的特大城市，一切与水相关的工程建设都要充分考虑防洪安全与地区资源条件。例如水库、河道、海堤、道路、桥梁工程设计，区域城市规划均需要准确可靠的水文资料。在重要河流设立水文基本站，依托长期的水文观测提供足够系列的基本水文资料是工程规划与设计需要。

3.2 测验河段比选

因为茅洲河、观澜河、龙岗河、坪山河、深圳河、大沙河等流域设立的是流域控制性水文站，需控制最大的流域面积和大部分的支流来水量，站址选择范围应在干流下游段。其中茅洲河和大沙河干流下游段属感潮河段，为避免后期水位流量关系过于复杂，需避开潮汐影响河段。

基于《水文站网管理办法》（水利部令第44号）和《水文站网规划技术导则》（SL34-2013）［8］，通过多次实地勘察，依据上述建站目的确定各站站址的大致河段。

根据《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）［9］对测验河段选择的要求，通过断面比选，综合考虑控制的流域面积大小、河段顺直长度、断面稳定和水流集中情况，选定了茅洲河水文站、龙岗河水文站、观澜河水文站、坪山河水文站、大沙河水文站的最优断面位置（见表3和表4）。其中，观澜河站下游80 m有跌水，龙岗河站下游150 m有急滩、坪山河站下游60 m有石梁，大沙河站下游70 m有急滩，在中低水时形成了断面控制，有利于中低水时水位流量关系保持稳定。

在深圳河流域6个专用水文站中，根据测站的重要性和现有资料的连续性，以控制流域最大面积和最大来水量为根本，选定深圳河口站升级为区域代表站。

4 结语

依据深圳市水文分区划分，采用卡拉谢夫法确定了东江水文区、珠江口水文区、海湾水文区的最优区域代表站密度，并在查勘比选的基础上，确定了龙岗河水文站、观澜河水文站、茅洲河水文站、深圳河水文站4个区域代表站的站址；在区域代表站之间的空白区，为满足城市防洪和探索产汇流机制在地区上和随下垫面变化的规律的需要，确立了坪山河水文站、大沙河水文站2个小河站的站址。

深圳市是我国最早建立的经济特区，经济高速发展，然而，深圳市的水文站网发展相对滞后，全市用于收集水文基本资料的测站极少。4个区域代表站和2个小河站的设立符合深圳市河流分布状况和水文特性，能初步满足深圳市经济发展对水文的需要，成为深圳市水文站网的骨干构架，为后期水文站网的进一步完善打下了基础。

［1］ 朱晓原，张留柱，姚永熙.水文测验实用手册［M］.北京：中国水利水电出版社，2013.

［2］ 丁义，朱成涛，蹇德平.雅砻江流域水文站网规划与建设［J］. 人民长江，2013，44（S1）：1-2.

［3］ 李海源，香天元，徐汉光.长江流域水文站网系统评价及发展建议［J］. 人民长江，2011，42（17）：20-23.

［4］ 朱晓原，张留柱，姚永熙.水文站网规划与优化［M］.北京：中国水利水电出版社，2013.

［5］ 马秀峰，龚庆胜.干旱地区水文站网规划论文选集［M］.郑州：黄河出版社，1987.

［6］ 钱学伟.关于卡拉谢夫法相关准则的分析论证［J］.水文，1994（5）：23-28.

［7］ 胡凤彬，桂宗禹，于维忠.湿润地区水文站网规划论文选集［M］.南京：河海大学出版社，1988.

［8］ SL34-2013水文站网规划技术导则［S］.

［9］ GB 50179-2015河流流量测验规范［S］.

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