水文站缺測資料插補展延實例分析

裴光倩

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002)

水文系列資料是研究流域水資源變化和水能合理開發利用規劃的主要依據，資料的連續性、一致性和代表性對水資源調查評價和合理配置工作的科學開展尤為重要。偏巖河流域有木孔水文站、石牛口水文站等水文站的新建、裁撤、搬遷和恢復等變動，導致水文資料監測斷斷續續，資料序列不完整、不連續，不能真實反映流域天然來水量情況，對河流徑流計算帶來很多不便[1]。為準確掌握偏巖河水資源數量及變化規律，以木孔水文站1984～2017年實測資料為基準，結合石牛口水文站1957～1978年和鯉魚塘水文站1979～1983年實測資料，通過建立線性回歸模型，經系統插補延展計算[2]，實現木孔水文站1957～2017年共61年徑流系列的插補展延，可為區域性水資源合理開發利用規劃、生態環境保護等工作開展提供翔實可靠的數據依據，確保設計方案與工程實際具有較高匹配性和適用性[3]。

1 水文站概況及地理位置關系

1.1 水文站概況

木孔水文站于1983年設立，站址位于金沙縣木孔鄉的偏巖河中下游，具有1984年至今觀測資料。測驗河段內無彎道、急灘、河床較穩定。木孔水文站為國家水文基本站網，資料三性條件較好，且均經省水文水資源局審查、整編、刊布。

石牛口水文站位于金沙縣官田鄉的偏巖河下游河段。測驗河段內無彎道、急灘、河床較穩定。因受烏江渡水電站水庫蓄水影響，于1978年后撤銷，具有1957年至1978年的水位、流量等觀測資料。

黃魚塘水文站1956年7月由貴州省水文總站設立，1972年下遷30 km后改名為鯉魚塘水文站。鯉魚塘水文站位于播州區鐵廠鎮河西村湘江干流鯉魚塘大橋下游160 m處，1973-01-01日正式開始觀測，測站控制流域面積4 780 km2，2010年后受構皮灘水電站回水的影響，流量測驗不能正常進行，有1973～2009年的水文資料。

1.2 水文站地理位置關系

木孔水文站與石牛口水文站均位于長江流域烏江水系偏巖河干流，石牛口水文站位于木孔水文站下游約47.5 km，水文站控制集水面積2 182 km2，為木孔水文站控制集水面積999 km2的2.18倍，流域面積相差不大。經分析，兩水文站區間氣候條件和下墊面因素基本一致。

鯉魚塘水文站位于長江流域烏江水系湘江干流，控制流域面積為4 780 km2。石牛口水文站與鯉魚塘水文站分別屬于烏江流域兩條相鄰支流的控制測站。經分析，兩測站流域內人口分布密度、耕地分布等基本相似，下墊面情況也基本相當。

2 插補展延方法選擇[4]

木孔水文站具有1984～2017年共計34年的徑流資料系列(見表1)，石牛口水文站具有1957～1978年共計22年的徑流資料系列(見表2)，鯉魚塘水文站具有1957～2009年共計53年的徑流資料系列(見表3)。

根據各水文站位置關系和所具備的年徑流系列情況，對木孔水文站年徑流系列插補展延可供選擇的方法如下。

1)鯉魚塘水文站與木孔水文站具有1984～2017年同期年徑流量資料，可用于建立相關方程，以展延木孔水文站1957～1983年徑流系列。經計算，鯉魚塘水文站與木孔水文站相關關系較差，相關系數僅為0.716。因為木孔水文站和鯉魚塘水文站在1990年以后的徑流系列資料受人類活動影響較大。

2)經木孔水文站與周邊的烏江渡水文站(F=27 838 km2)、湘江水文站(F=554 km2)分別進行相關性分析計算，相關關系不能滿足設計要求。

3)鯉魚塘水文站與石牛口水文站具有1957～1978年同期年徑流量資料，可用于建立相關方程，以展延石牛口水文站1979～1983年徑流系列。

4)石牛口水文站和木孔水文站是同一條河流的上下游站，控制流域面積相差不懸殊，應具有較好的相關關系。但兩站沒有同期觀測資料，不能建立相關方程。可通過水文比擬法展延木孔水文站年徑流系列。

表1 木孔水文站(1984～2017)年平均流量 m3/s

注：1984～2017年為實測資料，多年平均流量Q=12.1 m3/s，Cv=0.32。

表2 石牛口文站(1957～1978)年平均流量 m3/s

注：1957～1978年為實測資料，多年平均流量Q=27.2 m3/s，Cv=0.29。

3 石牛口水文站徑流系列插補展延分析

石牛口水文站和鯉魚塘水文站有1957～1978年共22年的同期年徑流觀測值資料，可用于兩站建立線性回歸方程。將兩站對應觀測值點繪相關點，其分布比較密集，符合線性關系，如圖1所示。

表3 鯉魚塘水文站(1957～2009)年平均流量 m3/s

注：1957～2009年均為實測資料，但1989年缺測1年；多年平均流量Q=73.2 m3/s，Cv=0.25。

圖1 石牛口水文站和鯉魚塘水文站年徑流相關關系

線性相關函數表達為[5]

y=a+bx

式中：x為自變量，此處為鯉魚塘水文站流量；y為倚變量，此處為石牛口水文站流量；r為兩變量的相關性系數；a、b為待定常數。

將表2、表3中的實測數據代入上述公式，計算得：a=-0.155，b=0.371。相應石牛口水文站倚鯉魚塘水文站年平均流量的線性回歸模型為：y=0.371x-0.155，相關系數r=0.868，兩站相關關系好。

根據鯉魚塘水文站1979～1983年資料，插補石牛口水文站1979～1983年年徑流系列，其分析成果如表4所示。

表4 石牛口水文站(1979～1983)年平均流量延展成果 m3/s

年份年平均流量年份年平均流量年份年平均流量197916.8198113.9198331.7198025.5198230.2

4 木孔水文站年徑流插補展延

木孔水文站位于石牛口水文站上游，兩水文站區間氣候條件和下墊面因素基本一致。經對兩站控制流域年降雨量進行分析，木孔水文站為1 004.4 mm，石牛口水文站為1 009.6 mm，兩站多年平均年降雨量基本一致。石牛口水文站流量資料可直接通過流域面積比擬至木孔水文站，兩站控制面積比為0.458。延展后木孔水文站1957～2017年徑流成果如表5所示。

表5 木孔水文站(1957～2017)年平均流量 m3/s

說明：1984～2017年為實測資料，1957～1983年為延展資料；多年平均流量Q=12.1 m3/s，Cv=0.31。

5 結 語

木孔水文站徑流資料系列經插補延展后得到1957～2017年共計61年(水文年60年)年徑流資料，經計算木孔水文站1984～2017年(水文年)實測系列年平均流量為12.1 m3/s、Cv為0.32，經延展后1957～2017年系列年平均流量為12.1 m3/s、Cv為0.31。插補延展和實測資料均值基本一致，Cv相差0.01，成果相差甚微，證明插補延展徑流資料連續完善。石牛口水文站與鯉魚塘水文站實測資料間相關性較好，延展前后年平均流量均值相差1.84%，Cv相差0.01；木孔水文站與石牛口水文站區間氣候條件、下墊面因素和流域面雨量基本一致，插補延展后的年徑流系列具有較高精度，成果可靠，可用于實際工程規劃設計。