清水河徑流量插補(bǔ)方法探討

□朱建春（巴州水文水資源勘測(cè)局）

1.流域自然地理概況

1.1 流域地形

清水河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州和碩縣北部，流域東面與曲惠溝流域接壤，西面與黃水溝流域毗鄰，北界阿拉溝流域，地理位置介于86°35′～87°10′E，42°10′～42°50′N，流域內(nèi)地勢(shì)北高南低向西傾斜，山口以上平均海拔高程在3100 m以左右。海拔高度在2500～3800 m的地帶降水較多，氣候濕潤(rùn)。

1.2 河流

清水河發(fā)源于天山南麓，從河源至出山口河長(zhǎng)60.2 km，流域平均寬度22.1 km，最大寬度36.0 km，河道平均坡度3.7%。流域內(nèi)冰川面積5.64 km2，占流域總面積的0.56%，冰川儲(chǔ)量0.142 km3。克爾古提水文站是該河唯一的水文站，1956年建站,位于清水河出山口處，東經(jīng)86°54′，北緯42°22′，水文站以上流域集水面積為1016 km2。

2.流域降水及徑流概況

2.1 降水

山口處多年平均年降水量146.6 mm，降水量集中在汛期（6-8月），汛期多年平均降水量24.9～37.2 mm之間，連續(xù)最大4個(gè)月降水量占年降水量70.9%。

2.2 徑流

清水河的徑流量主要是由冰雪融水和降雨補(bǔ)給，還有少量的地下水補(bǔ)給組成。夏季降雨大部分直接補(bǔ)給徑流，因而降水是影響清水河徑流大小的主要因素之一，山區(qū)降雨大小直接影響河道徑流量的大小。徑流的年內(nèi)分配不均勻，主要是由于流域的降水時(shí)空分布不均，且季節(jié)變化明顯，徑流主要集中在汛期（0.809×108m3），約占全年的 65.7%。

2.3 枯水

清水河枯水時(shí)間比較長(zhǎng)，一般為每年10月初至次年4月底為枯水期，其中，12月中旬至次年4月底為最枯時(shí)段，月徑流占年徑流的4.5%～3.0%之間，此段時(shí)期河流大部分時(shí)間處在冰期，地表徑流補(bǔ)給中斷，靠地下水補(bǔ)給，這時(shí)河水徑流量比較穩(wěn)定。

3.年徑流插補(bǔ)方法

3.1 5-11月合計(jì)徑流量與年徑流量相關(guān)法

克爾古提站1994-2008年總共逐年徑流及1-4月和12月徑流資料的插補(bǔ)延長(zhǎng)，采用歷年實(shí)測(cè)5-11月徑流量與年徑流量建立相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖1。根據(jù)1994-2008年每年5-11月實(shí)測(cè)徑流量，按相關(guān)方程計(jì)算出各年徑流量。

其相關(guān)方程為：

相關(guān)系數(shù)：R=0.9958。式中：W—年徑流量；W5～11月 -5-11月時(shí)段徑流量。

根據(jù)（1）式求得1994-2008年各年徑流量，然后用年徑流量減去該年5-11月份徑流量，求得1-4月和12月徑流量，再用多年平均歷年1-4月和12月各月水量占1-4月和12月時(shí)段水量百分比計(jì)算出1994-2008年各年1-4月和12月各月徑流量。

3.2 枯季退水曲線分析法

根據(jù)清水河枯季徑流特征分析，每年12月至次年4月底為最枯時(shí)段，月徑流靠地下水補(bǔ)給，這時(shí)河水徑流量退水平穩(wěn)，多年平均退水系數(shù)在0.06～0.006之間波動(dòng)，從11月下旬至次年4月下旬逐漸減小，退水系數(shù)說(shuō)明此時(shí)段徑流消退速度逐漸降低。

圖1 克爾古提水文站歷年5-11月徑流與年徑流相關(guān)圖

克爾古提站1993-2008年，每年12月和次年1-4月徑流資料的插補(bǔ)延長(zhǎng)，采用11月徑流量為枯水開(kāi)始消退值，用退水曲線公式計(jì)算出每年12月和次年1-4月徑流。

退水計(jì)算公式：

式中：Q0-表示開(kāi)始消退值；Qt-表示退水后t時(shí)段的消退值；β—表示t時(shí)段的退水系數(shù)。

根據(jù)1957-1993年歷年實(shí)測(cè)月徑流量資料，分析歷年逐時(shí)段退水曲線系數(shù)β。利用每年11月實(shí)測(cè)徑流量，根據(jù)（2）式求得1993-2008年每年12月和次年1-4月徑流量。插補(bǔ)的1-4月和12月各月徑流量與實(shí)測(cè)的5-11月徑流量相加即得到1994-2008年各年徑流量。

3.3 歷年均值代替

根據(jù)歷年實(shí)測(cè)月徑流量資料，分析歷年逐月平均月徑流量，一般為每年12月至次年4月底月徑流占年徑流的4.5～3.0%之間，且歷年逐月徑流年際變化較穩(wěn)定，12月和1-4月徑流量變差系數(shù)CV值在0.25～0.15之間，在一般情況下用歷年逐月平均月徑流量近似代替缺測(cè)月份的徑流量，用歷年平均1-4和12月合計(jì)徑流量與當(dāng)年實(shí)測(cè)的5-11月徑流量相加即得到1994-2008年各年徑流量。

4.插補(bǔ)方法誤差分析及精度評(píng)定

本次根據(jù)克爾古提站1957-1990年的月、年徑流資料，來(lái)進(jìn)行徑流量相關(guān)法的分析及建立相關(guān)方程，分析退水曲線法歷年逐時(shí)段退水曲線系數(shù)β，和1957-1990年逐月平均徑流，運(yùn)用上述3種方法分別對(duì)1991-1993年各年1-4月和12月及年徑流進(jìn)行插補(bǔ)。然后通過(guò)1991-1993年實(shí)測(cè)月、年徑流資料來(lái)檢驗(yàn)各種方法插補(bǔ)值的精度，通過(guò)對(duì)各種方法的比較和精度評(píng)定，優(yōu)選年徑流插補(bǔ)方法。插補(bǔ)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各年1-4月和12月及年徑流插補(bǔ)成果表

各種方法插補(bǔ)結(jié)果與1991-1993年實(shí)測(cè)月、年徑流進(jìn)行絕對(duì)誤差及均方差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)上述3種方法插補(bǔ)值的精度來(lái)看，相關(guān)分析法年各月插補(bǔ)值絕對(duì)誤差在0.03～0.83 m3/s之間，年徑流絕對(duì)誤差在0.010～0.018 m3/s之間。3年1-4月和12月平均均方差在0.08～0.42之間，合計(jì)為1.04，3年年徑流平均均方差為0.025；退水曲線法3年各月插補(bǔ)值絕對(duì)誤差在0.05～0.44 m3/s之間，年徑流絕對(duì)誤差在0.003～0.028 m3/s之間。3年1-4月和12月平均均方差在0.08～0.34之間，合計(jì)為0.92，3年年徑流平均均方差為0.015；歷年均值法3年各月插補(bǔ)值絕對(duì)誤差在0.04～1.13 m3/s之間，年徑流絕對(duì)誤差在0.029～0.046 m3/s之間。3年1-4月和12月平均均方差在0.17～0.64之間，合計(jì)為1.63，3年年徑流平均均方差為0.049。

從分析結(jié)果來(lái)看，3年1-4月和12月插補(bǔ)值絕對(duì)誤差和平均均方差變化范圍最小的是枯水退水曲線法的插補(bǔ)結(jié)果，3年年徑流平均均方差最小的也是枯水退水曲線法的插補(bǔ)結(jié)果。

表2 插補(bǔ)成果絕對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)分析表

5.結(jié)論

根據(jù)清水河流域的降水和枯季徑流特征，采用相關(guān)分析法、退水曲線法和歷年均值法對(duì)克爾古提水文站缺測(cè)年份的月、年徑流資料進(jìn)行插補(bǔ)。并運(yùn)用1991-1993年實(shí)測(cè)月、年徑流資料來(lái)檢驗(yàn)各種方法插補(bǔ)值的精度，通過(guò)對(duì)各種方法的比較和精度評(píng)定，枯水退水曲線法的插補(bǔ)結(jié)果的值絕對(duì)誤差和平均均方差變化范圍最小，插補(bǔ)值相對(duì)比較準(zhǔn)確。在進(jìn)行清水河水資源評(píng)價(jià)和水文分析計(jì)算時(shí)，枯水退水曲線法的插補(bǔ)結(jié)果可用于克爾古提水文站缺測(cè)年份的月、年徑流資料進(jìn)行插補(bǔ)。