基于組合頻率方法的感潮河段分期設(shè)計(jì)潮汐要素研究

孫 玥

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

感潮河段受河道洪水、天文潮以及風(fēng)暴潮的綜合影響，其河流水流流態(tài)十分復(fù)雜。分期設(shè)計(jì)潮汐對于感潮河道治理工程施工至關(guān)重要。當(dāng)前，國內(nèi)對于感潮河段設(shè)計(jì)潮汐推求大多基于實(shí)測潮汐資料進(jìn)行頻率分析，推求工程施工期的設(shè)計(jì)潮水位和潮流速[1-6]。但是這些成果大都沒有考慮分期設(shè)計(jì)潮汐，而是單純考慮汛期潮位的設(shè)計(jì)，而平水期和枯水期的潮汐影響對于感潮河段也同樣重要。為此本文結(jié)合組合頻率的方法[7-10]，以遼寧東部典型感潮河段大洋河為研究實(shí)例，結(jié)合組合頻率方法，利用實(shí)測潮位數(shù)據(jù)，對感潮河段的分期設(shè)計(jì)潮汐進(jìn)行分析。

1 組合頻率方法

本文結(jié)合組合頻率方法對感潮河段的潮汐進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)定了兩個(gè)頻率分別為10%和20%，組合頻率的主要方法為設(shè)定兩個(gè)頻率進(jìn)行計(jì)算，其假設(shè)則X和Y的上、下尾相關(guān)系數(shù)λU和λL的計(jì)算方程分別為：

(1)

(2)

尾部相關(guān)系數(shù)是通過條件概率的極限求得，根據(jù)條件概率和函數(shù)之間的關(guān)系，λU和λL可以寫為：

(3)

(4)

式中，C(u,u)—經(jīng)驗(yàn)組合頻率函數(shù)，定義為：

(5)

式中，I—示性函數(shù);Ri—xi在x1,，xn中的秩，Si—yi在y1,，yn中的秩。經(jīng)驗(yàn)尾部相關(guān)系數(shù)可以通過非參數(shù)估計(jì)方法求解(Frahmetal.，2005)，主要包含LOG法、SEC法、CFG法等。

2 研究成果

2.1 大洋河概況

大洋河流域呈扇形形狀，流域內(nèi)山峰林立，丘陵起伏，平均海拔300m，至東港境內(nèi)，地勢開闊，平均海拔約100m。扇形的地形容易造成洪水集中，形成暴漲暴落的洪峰，因此大洋河洪水有集流時(shí)間短，來勢迅猛之特點(diǎn)。為獨(dú)立入海河流，清代稱羊河，因河流較長且水量較大而稱大洋河，是遼東半島上的最大河流。

2.2 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

為對實(shí)測潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)合趨勢、跳躍、持續(xù)、隨機(jī)檢驗(yàn)方法對潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

從趨勢檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)次相關(guān)置信限為±1.562時(shí)，其置信結(jié)果表示可以接受，跳躍檢驗(yàn)方式下的置信限為±1.345～±1.562之間，其置信結(jié)果可以接受，而在對潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)檢驗(yàn)時(shí)，其置信限為±1.562以上，隨機(jī)檢驗(yàn)的置信限在±1.245～±1.345之間。從總體檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，區(qū)域?qū)崪y潮位數(shù)據(jù)的置信限制在±1.562之間可以滿足數(shù)據(jù)的趨勢、跳躍、持續(xù)以及隨機(jī)檢驗(yàn)。

2.3 潮流量設(shè)計(jì)頻率分析

結(jié)合組合頻率的方式對各分期的潮流設(shè)計(jì)頻率進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，各分期潮流設(shè)計(jì)頻率分析結(jié)果較為合理，各頻率曲線吻合度均較高，為分析各分期頻率曲線的適線結(jié)果的合理性，對各分區(qū)潮流設(shè)計(jì)頻率曲線進(jìn)行了擬合度分析，各頻率曲線和實(shí)測潮流點(diǎn)據(jù)的吻合度在0.95以上，表明了組合頻率方法對于感潮河段的分期設(shè)計(jì)潮汐具有較好的適用性和適線精度。

2.4 設(shè)計(jì)潮汐組合頻率分析

結(jié)合組合頻率分析方法對區(qū)域的設(shè)計(jì)組合頻率進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

表1 潮位數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果

圖1 各分期潮流設(shè)計(jì)頻率分析結(jié)果

從設(shè)計(jì)潮汐組合頻率分析結(jié)果可以看出，不同分期的設(shè)計(jì)潮汐組合結(jié)果較為不一致，特枯水期以及枯水期的組合頻率分析結(jié)果要差于平水期以及豐水期的組合頻率，特枯水期以及枯水期在低水區(qū)域的吻合度較高，但在高水期吻合度較差。而對于平水期和豐水期而言，其在低水期的吻合度較弱，而在高水期的吻合度較高。所以在感潮河段的枯水期，可以采用枯水期和特枯水期的組合頻率分析結(jié)果控制低水，而在豐水期和平水期，則采用平水期和枯水期的組合頻率分析結(jié)果，對其高水潮流部分進(jìn)行有效控制。

2.5 最大漲潮流速與潮汐要素的相關(guān)性分析結(jié)果

結(jié)合組合頻率分析結(jié)果，對各工程段不同分期的設(shè)計(jì)潮汐進(jìn)行了分析，建立了各工程河段的最大漲潮流速和潮汐要素的回歸方程，回歸方程見表2，

圖2 不同分期潮汐組合頻率分析結(jié)果

工程段設(shè)計(jì)分期特枯水期枯水期平水期豐水期①V=0.345ΔZ+0.135V=0.412ΔZ+0.175V=0.435ΔZ+0.189V=0.531ΔZ+0.173②V=0.289ΔZ+0.263V=0.313ΔZ+0.183V=0.634ΔZ+0.225V=0.734ΔZ+0.165③V=0.334ΔZ+0.185V=0.467ΔZ+0.252V=0.591ΔZ+0.212V=0.636ΔZ+0.198④V=0.175ΔZ+0.315V=0.289ΔZ+0.294V=0.369ΔZ+0.413V=0.669ΔZ+0.228⑤V=0.353ΔZ+0.147V=0.468ΔZ+0.387V=0.514ΔZ+0.329V=0.659ΔZ+0.229⑥V=0.434ΔZ+0.318V=0.525ΔZ+0.226V=0.656ΔZ+0.374V=0.831ΔZ+0.297⑦V=0.358ΔZ+0.413V=0.413ΔZ+0.534V=0.539ΔZ+0.626V=0.848ΔZ+0.105⑧V=0.276ΔZ+0.383V=0.345ΔZ+0.229V=0.435ΔZ+0.262V=0.639ΔZ+0.187⑨V=0.262ΔZ+0.141V=0.292ΔZ+0.179V=0.331ΔZ+0.265V=0.349ΔZ+0.272

并對各方程的回歸系數(shù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表3。

表3 各工程河段回歸方程的回歸系數(shù)分析結(jié)果

表2為各工程河段的不同分期的最大漲潮流速和潮汐要素的回歸方程，結(jié)合該方程可以確定不同分期各工程段的最大漲潮流速和潮汐要素之間的關(guān)系，結(jié)合設(shè)計(jì)潮流流向和流速，可以確定各工程段最大的漲潮流速。從表3中可以看出豐水期各方程回歸系數(shù)最高，在0.65～0.75之間，而特枯時(shí)期的回歸系數(shù)最低，在0.48～0.63之間。

3 結(jié)語

本文結(jié)合組合頻率分析方法對感潮河段不同分期的設(shè)計(jì)潮汐要素進(jìn)行分析，分析的結(jié)果表明：

(1)組合頻率可以考慮不同分期的設(shè)計(jì)頻率，進(jìn)行感潮河段分期潮汐要素的設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)單一頻率方式更為合理。

(2)豐水期組合頻率下高潮位控制精度較高，而在枯水期及特枯水期低潮位潮汐要素控制精度較高，在感潮河段的工程設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合來水量進(jìn)行組合頻率及回歸方程的選取。