设计潮水位计算：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】：12.3.2.2增水分离（叠加）法该法以实测潮水位减去推算的天文潮，得到分离出的增水系列，由分离出的增水进行排频计算，将计算成果与天文潮叠加得到设计成果。

感潮河段的设计洪水主要采用频率分析方法，另外还有增水分离法、组合频率法、周期最大值法等。虽然频率分析方法存在一定缺陷，但因其实用性较强，故国内外沿海地区的涉水工程设计，包括欧美及日本等发达国家，目前一般仍采用频率分析途径进行计算。

12.3.2.1　频率分析法

对于潮位频率计算，在样本选取时，有年最高潮位法、年多次取样法等方法。年最高潮位法即每年选取一个年最高潮位作为计算样本。年多次取样法，又称超定量法，以一定的标准进行潮位频率计算选样，一年可以有多个数据作为样本参加频率计算。年最高潮位抽样的主要缺陷是它只反映极值的统计规律，而不能描述过程。超定量抽样的优点在于它几乎包括了发生在各个时期的高潮，因而能比较全面地反映整个汛期潮水的演变规律，但超定量法与以年最大法为依据的设计标准不匹配，故在工程实践中的应用尚不多。

设计潮水位的计算环节主要包括样本选取、经验频率估算、理论频率线型选择、统计参数估计、合理性分析等。

感潮河段由于最高潮位持续时间短暂，一般难以留下可供考证的标志、刻字、泥印、水痕等，而历史潮位比内陆历史洪水的考证更困难，加之河口地区经济发达，沿岸地带建筑拆迁变化较大，可供查访参证的建筑较难寻觅，另外鉴于河口地区河道演变较频繁，地面高程相应发生变化，将高程变动的历史沿革查证清晰难度很大。故通过直接的调查测量获取定量历史高潮位的方法存在一定的难度。但河口地区一般经济文化较发达，其洪、涝、风、潮、旱等灾害记载较为丰富，为历史最高潮位的考证提供了一定的资料。如长江口地区的潮灾记录最早可追溯至公元21年，远年记载十分简单，至明清后记载内容详、范围广、较连续，可以根据文字描述对大多数潮灾定性，但难以定量。故在确定历史潮位的重现期时不宜推定过远。

我国颁布的《水利水电工程水文计算规范》（SL278—2002）规定，潮水位频率曲线的线型一般应采用P—Ⅲ型，特殊情况，经分析论证后也可采用其他线型。关于潮位频率分析的线型，在交通部颁发的《海港水文规范》（JTJ213—98）中规定：采用极值Ⅰ型（或称耿贝尔型）。有学者根据我国5个河口37个潮位站的资料（系列长度均大于28年），比较了P—Ⅲ型、对数正态型和耿贝尔型3种线型的拟合效果，指出P—Ⅲ型能较好地拟合年最高潮位序列。

此外，目前在上海、浙江、江苏、广东、福建等地的海堤工程规划设计中，虽考虑到不同行业的习惯，同时进行P—Ⅲ型和耿贝尔型曲线的分析计算，但最终还是推荐P—Ⅲ型曲线的成果。

设计高、低潮水位经验频率计算及统计参数确定方法与一般的设计洪水计算的方法是一致的，具体可按前述章节方法进行分析确定，此处不再赘述。

由于潮水位数值与基面高程有关，在进行频率计算时，若数值过大或过小（出现负值），均应进行处理。数值过大时，可将实测潮位减实测最低潮位或河底最低点高程后的数值，再回加减去的数值推求设计潮位；潮位数值过小时（出现负值），则会出现偏差系数Cs为负值的情况，应采用负偏态线型进行频率计算。现有的P—Ⅲ型曲线离均系数φ值和模比系数Kp值查算表只适用于正偏态的频率曲线，对于负偏态线型，可将系列加以适当的转换后，应用这些查算表。也可将低潮位系列先加一个常数，使全部数据变为正值，然后进行计算，避免适线时负值的影响，频率分析的成果需要减去加上的数值或再转换回来后得到设计值。

在实际运用中，对过高或过低数值进行处理时可加减一常数，但对于加减常数的数值任意性较大。且各项目的计算基面取用可能不一致，设计成果的统计参数相互间无比较基础，则难进行时空协调平衡。为此，有水文工作者提出以均方差σ代替变差系数Cv，表征潮水位的多年间离散程度。由于均方差具有在系列各项上加减某一常数不影响其数值的特性，故可作为一种合理协调潮位计算参数的方法。

12.3.2.2　增水分离（叠加）法

该法以实测潮水位减去推算的天文潮，得到分离出的增水系列，由分离出的增水进行排频计算，将计算成果与天文潮叠加得到设计成果。增水分离法试图从成因上对潮位进行分析，但因天文潮、台风增水不是各自独立而是相互作用的，在实际应用中精确地分离出增水系列存在困难，同时计算得出的增水成果与天文潮应如何叠加组合亦非易事，故此法有较大局限性。对于增水较小的区域其计算误差相对会很大。

因该方法关键在于推算天文潮，目前天文潮推算方法较多，非本文重点研究范畴，可参见相关文献。得到增水系列后其频率计算方法与一般方法相同。

12.3.2.3　频率组合法

频率组合利用潮位函数近似描述洪潮规律，对影响设计潮位的若干因素进行频率组合。以X表示台风暴潮年最高潮位随机变量，Y表示非台风暴潮年最高潮位随机变量，显然年最高潮位为：Z＝Max［X，Y］，根据二者取大的概率原理，则有F（Z）＝FX（Z）＋FY（Z）－FX（Z）·FY（Z）。故分别求出X、Y的概率分布后，运用此公式，即可求出组合后年最高潮位的概率分布。该方法的缺点在于实际运用中操作较繁琐，而设计成果与潮位直接频率分析方法差别不大。

【例12.1】　长江北岸支流滁河水位不仅受流域降水影响，受长江潮位顶托和沿河水利工程影响，故应用频率组合法分析滁河六合站的设计洪水位。

首先用以分析计算的基本资料应满足：行洪时，河道上各控制闸闸门均打开，并无破圩、分洪等情况发生。

设z为六合站的年最高水位、P为某时段滁河流域年最大面雨量、H为长江干流下关站年最高潮位。由此建立现状情况下的函数关系式z＝g（P，H），可通过频率组合法，由下关潮位频率分布及滁河流域面雨量频率分布来确定所需的现状情况下的设计洪水位。而长江下关潮位及流域面平均雨量系列均可认为基本上能满足一致性要求，即可以得到这两者的频率曲线。

采用多元线性回归法，经比较以7天为计算时段的相关关系较好，得六合站水位函数为

其复相关系数较高，为0.883，说明建立的滁河流域面平均雨量和下关潮水之间相关程度较高，据此建立的水位函数较为合理，可应用于频率组合计算。

经整理得到滁河流域降雨序列为48年，下关潮位序列为66年，采用适线法分别求得滁河流域7天面雨量的统计参数以及南京下关潮位的统计参数，见表12.3和表12.4。

表12.3　滁河流域最大7天面雨量频率计算结果

表12.4　南京下关站最高潮位频率计算结果

表12.5　滁河六合站不同频率的设计洪水位（频率组合法）

对滁河流域7天面平均雨量P和下关潮位H进行相关分析，得其相关系数为0.325，表明H和P之间的相关关系很弱，可以认为基本上相互独立。

应用频率组合法，求得滁河六合站不同频率的设计洪水位（表12.5）。该结果与滁河流域上下游其他站以及长江下关站的设计洪水位的相互关系均基本协调。

12.3.2.4　周期最大值法

周期最大值法分析的前提是潮水位系列存在较显著的准周期性。具体做法是：首先通过周期分析，选择基本周期步长；然后由周期单元取样，按照周期最大值的随机性，结合历史调查特大值，进行频率分析。其关键在于周期步长的选择，需符合地区风暴潮特性。周期最大值法有助于提高稀遇频率设计潮水位的精度，改进现行年最大值法的不足。但要求计算站点实测资料需达百年，且有较详细可靠的历史风暴潮灾记录可供考证。

【例12.2】　黄浦江吴淞站地处感潮河段，受风暴潮影响大，根据其实测的百余年潮位资料，运用周期最大值法，进行设计潮位分析。

根据历史风暴潮灾资料及实地调查分析，追溯约460年期间，本地区风暴潮灾以1696年最大，其次为1732年、1539年的特大风暴潮。

根据吴淞站1900～2000年的年最高潮位资料（经一致性改正），验算黄浦江严重风暴潮准周期分析见表12.6。

表12.6　吴淞站严重风暴潮综合分析

①　1939年8月强台风，吴淞站潮水位资料因抗战中断由黄浦公园站插补而得，略偏低。
②　1956年8月强台风，虽实测最高潮位不高，但其增水达1.86m，故列入严重风暴潮。

经周期分析，有2.5年、8年、34年和60年等准周期性，由复合周期组成。现将主要周期8年和34年绘制于图12.1。

图12.1　黄浦江严重风暴潮准周期图

（节点为年份，节点间距为年数）

由于实测资料的限制，选取8年为周期步长，即t＝8年（实际变幅6～12年）；n＝100，则l＝12；历史调查N＝460年，则L＝57；用频率分析法计算经验频率并适线得到相应参数为：EX＝5.32m、Cv＝0.061、Cs＝1.60，吴淞站周期最高潮位频率曲线如图12.2所示。

由周期最大值法推得的成果，需要转换为以年为单位的数据，因t＝8年，取P年≥10%为转换起点，按式P＝1－（1－P年）L计算，吴淞站年最大值法和周期最大值法频率分析成果见表12.7。

图12.2　吴淞站周期最高潮位频率曲线

表12.7　吴淞站年最大值法和周期最大值法频率分析成果比较　单位：m

无论采用何种方法计算的设计高（低）潮位计算成果，都应通过本站与地理位置、地形条件、洪潮特性相似地区的实测或调查特高（低）潮位、计算成果等方面分析比较，检查其合理性。因为统计参数确定与潮位高程有关，故在分析参数的地区时空分布特性时，需基于同一高程基准综合分析。

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