潮流特性及基本资料分析-水文分析计算与水资源评价

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：目前采用的一致性修正方法，主要可分为两大类，即相关分析法和趋势项法。

感潮河段潮水位变化受径流、潮流、天气系统、天文因子、水道地形、人类活动等诸多因子的影响和相互作用，关系复杂。感潮河段最高潮位多由风暴潮、天文潮、洪水作用交叠而形成，感潮河段洪潮情势特殊，对潮流量、潮流速测验手段要求较高，相应的整编技术尚不成熟，故感潮河段大多缺乏系统连续的潮流观测成果。相对而言，潮水位观测资料较为丰富、系统，如我国最早的潮水位观测资料始于1890年吴淞水尺，距今已超百年。故现阶段感潮河段的设计水位多以潮水位为直接计算主体，设计潮流量、潮流速等参数则借助于数学模型、物理模型等模拟技术间接推求。

以潮水位作为计算主体，需要对河道演变、人类活动等对潮水位产生的影响进行分析。由于水道地形的演变是一个渐进的过程，从较短时间尺度衡量，一般是较和缓的，但长期的累积影响不容忽视。河口地区经济发达，人类活动对潮水位的渐进影响也存在突变的可能，比如大的人工节点段的生成，就有可能改变潮水位的变化趋势。另外，大量抽取地下水引起的河口沿岸城市不同程度的地面沉降，影响到潮水位资料精度，而海平面上升则会引起感潮河段潮水位抬升。因此，要针对各因素对潮水位的影响程度不同，结合实际情况具体对待或订正。

与其他水文基本资料的分析一样，应对资料可靠性、一致性及代表性进行分析，尤其需要进行一致性分析。部分地区由于抽取地下水，对沉降影响较明显的测站数据需要进行沉降订正。所有水位资料需换算至统一的基面。

12.3.1.1　可靠性

潮水位计算资料系列的可靠性，是设计水位成果精度的重要保证。依据本站的沿革，对水尺断面及引据水准点的变动可能对潮水位资料影响进行考证分析，还应结合上下游、左右岸实测资料，以及地区地形、洪潮特性等进行综合检查。对明显不合理的资料进行分析订正。

12.3.1.2　代表性

潮水位计算系列的代表性，是指计算样本与总体的接近程度，如接近程度较高，则系列的代表性较好，频率分析成果的精度较高，反之亦然。因总体分布未知，样本与总体代表性的高低难以直接进行对比，故一般是依赖于对地区潮位规律的认识以及与更长观测系列对比，进行合理性分析与判断。常用的方法有周期性分析及与更长系列的参证变量比较。对于较长系列，应着重检验其水文周期的完整性，即包括高、中、低潮位段，而且高、低潮位段分布大致对称。

12.3.1.3　一致性

应用数理统计方法进行潮水位频率分析计算的前提是计算系列的一致性。与流量相比，潮水位的影响因素更多，对地形等因子的影响更敏感，更具有不确定性。首先需要判断是否产生了影响一致性的重要事件，其次通过序列统计与检验的方法作一致性检验。现行规范对于一致性检验的方法，并无明确规定，目前理论上统计常用的方法有：点估计、区间估计等，假定检验方法有：u检验、t检验、F检验、χ2检验等，而其中置信概率与相关分析是常见分析方法。

若系列有不一致现象，可选择适当方法进行一致性修正。目前采用的一致性修正方法，主要可分为两大类，即相关分析法和趋势项法。

（1）相关分析法。其又可分为直接相关法及双累积曲线相关法。直接相关法是采用与设计站潮水位有较好成因联系的测站作为参证站，分时段建立参证站与设计站潮水位的相关关系，然后将其修正至同一基础上（还现或还原），使资料基础趋于一致。参证站一般选择河口外受陆地地形及人类活动、上游径流影响较小的邻近近海潮位站。以还现系列计算的设计成果可直接应用，以还原系列计算的成果应在还原设计值的基础上再叠加回现状订正值。

双累积曲线相关法采用双累积曲线将设计站与参证站的资料系列按时间顺序累积值对应点据绘于图上，寻找坡度间断点，截取近期最大斜率。双累积曲线的坡度间断点表明资料系列一致性已被破坏，近期最大斜率即为反映系列受环境综合影响的实际程度。有了最大斜率值，继续寻求系列的间断点，其斜率与最大斜率值的比值即为一致性修正系数，按此将系列修正至现状条件。

（2）趋势项法。又分为原始时间序列提取趋势项法及滑动平均序列等方法。对于潮位资料系列中存在渐变因素作用而有趋势变化的情况，可采用趋势项法进行一致性修正。

1）原始时间序列提取趋势项法。时间序列Z（t）可作为趋势项A（t）和随机项R（t）之和。若能够将趋势项A（t）从时间序列中分割出来，即A（t）（t＝1，2，…，n）已知，故年最高潮位可按下式进行修正

式中：Z′（t）为修正后潮位；Z（t）为实测潮位；A（n）为原始时间序列第n项的趋势值；A（t）为原始时间序列第t项的趋势值。

2）滑动平均序列提取趋势项法。为部分抵消原始序列中的随机波动，平滑原本参差不齐的序列，突出显示趋势成分，可以对年最高潮位计算系列选取适当的时间段（n年）进行滑动平均。对滑动平均系列Z″（t）同样确定趋势项A″（t）。

对年最高潮位原始序列按下式进行修正

式中：Z′（t）为修正后潮位；Z（t）为实测潮位；A″（n）为滑动平均序列第n项的趋势值；A″（t）为滑动平均序列第t项的趋势值。

相关分析修正是水文分析计算中常用的一致性修正方法。在具备参证站资料，且前后各时期设计站资料与参证站资料相关关系均密切的情况下，可选用参证站对设计站序列直接进行修正；在参证站本身资料不一致的情况下，需对参证站本身资料进行修正后方可采用。事实上参证站资料系列本身的一致性同样需引起重视，引用时必须加以分析。双累积曲线相关分析是一种图解方法，用以对测站记录的不一致性进行判别或校正，具有操作简单、直观的优点。该方法的缺陷在于对不一致点的判别和斜率的取用带有一定的任意性，受主观影响较大。

原始时间序列提取趋势项修正概念清楚、计算简便，能进行连续渐变修正。但仅凭原始时间序列本身修正，易受序列随机波动的干扰，其中大洪水或强台风导致的高潮位因被曲解成“趋势”而对趋势项的确定产生较大影响。滑动平均序列提取趋势项修正除具有原始时间序列提取趋势项修正的优点外，还可以通过对原始时间序列求滑动平均使随机波动得以部分抵消，使得原本参差不齐的序列平滑化，突出显示趋势成分，所确定的趋势项在很大程度上克服了随机波动的影响。但无论是原始时间序列提取趋势项修正方法还是滑动平均序列提取趋势项修正方法，修正值仅是时间的函数，与潮位本身的大小和成因无关。这种修正方法在成因上仍不能得到满意的答案。

12.3.1.4　沉降订正

由于感潮地区经济人口的快速增长，大量抽取地下水，部分河口沿岸城市存在不同程度的地面沉降，例如在长江口地区，有的测站多年累计沉降量达1m以上，其影响不容忽视。如不对地面沉降进行订正，则据以分析计算的潮位资料不能客观反映真实情况，产生误导信息。

沉降订正可根据测绘部门公布的同一水准引据点前后两次测量的高差作为沉降量，在两次测量的周期内平均分配修正。

12.3.1.5　漫溢与纳潮修正

漫溢、决口以及纳潮可使实测较正常潮位偏低，可采用相关分析或非恒定流水力模型推算的方法进行修正。

12.3.1.6　插补延长

潮水位站设立时间不一，可借助相邻站长系列对短系列资料进行插补，以延长计算系列、增加其代表性。在选择资料插补参证站时，应分析其洪潮特性，并比较相关关系。确定参证站后，可根据相关关系或极值同步差比法对系列进行插补延长。在一个参证站不能完全满足插补要求时，可选择多个参证站，但不宜超过3个。极值同步差比法的计算公式为

式中：hSX、hSY分别为参证站或设计依据站的设计高（低）潮水位；RX、RY分别为参证站和设计依据站的同期各年年最高（低）潮水位的平均值与平均海平面高程的差值；ANX、ANY分别为参证站和设计依据站的年平均海平面高程。

潮流特性及基本资料分析-水文分析计算与水资源评价

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