南通沿海潮位資料插值方法研究

劉　平　劉美華　吳海軍

(南通市水利局， 江蘇 南通　226003 )

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南通沿海潮位資料插值方法研究

劉平劉美華吳海軍

(南通市水利局， 江蘇 南通226003 )

【摘要】南通濱海平原地處黃海之濱，流域內河網水流運動受潮位影響明顯。本文針對沿海潮位實測資料中低潮潮位缺失的問題，提出一種采用具有完整潮位過程的臨近站點資料對潮位缺測站點進行潮位插值的方法，從而為南通平原河網水文水動力模型的計算提供潮位邊界條件。該方法結合典型潮位站的潮位單位線形狀，對南通沿海邊界潮位過程進行補充插值。通過流域內實測水位過程驗證， 表明該方法可以有效對潮位缺測站點進行潮位插補。

【關鍵詞】平原河網； 水動力模型； 潮位單位線； 潮位插值

1概述

南通市地處江蘇省東南部，南臨長江，東瀕黃海，地勢平坦，河道縱橫交錯呈網狀，屬于典型的濱海平原河網地區，河網水流運動過程均極為復雜。平原河網區既承受沿長江引水、本地降雨以及沿海潮位頂托影響，又受沿江、沿海港閘水利工程控制，閘泵水利工程與水文水動力過程相互作用，這給河網水動力模型模擬帶來極大困難。為了解決平原河網區多條件共同作用下的河網水流運動模擬問題，一般采用對整個區域進行水文水動力建模的方法，即:在平原區構建平原區產水模型計算產流，對整個河網構建河網水動力模型模擬河網水流運動，同時對流域內水利工程進行合理概化[1-2]。

沿海潮位站經常由于漲落潮起伏變化較大、低潮潮位低于水位觀測設備，導致測不到低潮潮位，水文年鑒整理資料一般只有每日的兩高潮位，因此，一般采用配一個設計潮型過程形成一個完整潮型過程的方法。但這種方法存在很大缺點：只對高潮位模擬比較準確，低潮潮位的精度沒有控制。在模擬時間長達數月乃至一年的過程模擬時，低潮部分的誤差就顯得更大，極大地影響了河網水流模擬的精度。

針對潮位插值、潮位設計以及潮型的時空變化已經有了很多研究，但針對如何利用潮汐測站高潮潮位對完整潮型進行有效插值，仍然缺乏研究。本文在南通平原區河網水文水動力模型基礎上，充分利用已有信息，采用臨近站點潮型對資料缺測站點進行潮位插補，從而為南通平原河網的水流計算提供了合理的邊界條件。

2潮位插值方法

2.1潮位及時間插補

為了對低潮潮位進行插值補全，本文選擇距離待插值站較近且潮型相似，且具有每日完整高低潮潮位實測資料的測站作為缺測站點潮型和潮位變幅插補計算的參證控制站。低潮潮位的插值分為兩步進行：?實現潮位變幅插值；?對低潮出現時間進行插值。該方法假定臨近測站潮位變幅相似，即高低潮的變幅是相同的。在實測潮位資料中與低潮潮位相鄰的兩個高潮一般不是嚴格的平移變化，本文以相鄰高低潮差的平均值反映這個平移變化，合并整理后的目標低潮潮位插值公式如下：

對低潮的出現時間插值，采用線性插值方法：

潮位插值詳見圖1。

圖1　潮位插值示意圖

2.2潮位曲線插值

若潮位作為模型邊界參與計算，則需要對特征潮位間的變化過程進行插值。常用的潮位插值方法包括樣條函數插值、余弦函數插值和潮位單位線插值。利用樣條函數或余弦曲線可以插值得任意時刻的潮位，但是針對漲潮、落潮期，采用的是同一插值函數，不同潮位站之間也沒有差別。實際上，根據詳細潮位資料分析，不僅漲潮、落潮插值函數不一樣，不同潮位站的插值函數也不一樣。因此，本文選用潮位單位線進行潮位插值，從而反映漲潮、落潮不同變化。

用水位及時間的絕對值來描述一個站的潮位過程，則小潮和大潮之間，其過程線形狀差別很大。由于潮汐在傳播過程中的變形，漲潮與落潮過程線的形狀也不同，無法加以歸納綜合。如果不論大潮或小潮，將漲、落潮的潮差定義為1.0，漲、落潮歷時亦定義為1.0，稱之為潮位過程線。各種潮的單位潮位過程線雖然不完全相同，但形狀基本一致，用一條平均的單位潮位線來近似，如圖2所示。

圖2　潮位過程線

有了單位潮位過程線后，將特征潮位值及相應時間代入，則可得到潮位過程Z(t)，由此插值得到任意時刻的潮位值。

3實例驗證

3.1南通河網水文水動力模型結構

由于資料的缺失，無法對插補的潮位過程進行直接驗證，本文通過對南通流域進行整體建模，由流域內的水位觀測站點對潮位插值的合理性進行評估。南通為典型的平原河網地區，將其分為水域、水田、旱地、建設用地四種不同下墊面，分別構建產流模型。產流計算結果經坡面匯流進入周邊河網。同時考慮邊界潮位和閘泵工程控制對流域內河網的水流過程的影響。模型結構如圖3所示，具體求解方法參見相關文獻[1-3]。模型選用2011年的實測資料進行驗證。

圖3　平原區河網水文水動力模型結構

3.2流域概化

根據產流規律的不同，將南通下墊面按照土地利用類型進行合并，并對整個平原河網地區按200m×200m進行柵格化。同時對流域內不同級別河道分別進行概化，其中一級河道和二級骨干河道采用實測河道斷面，其他二級非骨干河道及三級河道采用梯形河道斷面。流域內一級河道共12條，二級河道共111條，三級河道共1149條。潮位站點為洋口外閘、遙望港閘、大洋港閘和連興港閘，流域內有海安(通)、搬經、丁埝和石港4個水位測站，站點分布如圖4所示。潮位站中除位于長江入海口的連興港閘具有完整潮位資料外，其余三個潮位站點均只有每日兩高潮位數據。

圖4　南通河網模型概化及水位站點分布

3.3潮位插值

在南通流域附近，有大豐港、東大港、新條魚港、洋口港等遙測潮位站，本文選用最靠近南通沿海港閘的洋口港潮位單位線作為典型的潮位單位線，結合沿海各測站的每日兩高潮位資料進行兩低潮位插值形成完整潮位過程。對洋口港潮位資料進行綜合，提取大、中、小潮過程，除以潮位振幅進行歸一化處理，消除不同潮型量級的影響，形成從0到1的大、中、小潮潮位單位線，再對大、中、小潮潮位單位線取平均，獲得實際使用的漲潮、落潮單位線，計算結果見表1。

將洋口外閘、遙望港閘以及大洋港閘的特征潮位值及其相應時間代入，則可得到任意時刻的潮位過程。2011年三個潮汐站的插值結果如圖5所示。

表1　洋口港遙測站潮位單位線統計

3.4模型率定與驗證

由于缺少沿海每日兩低潮位資料，無法對潮位插值結果的精度進行直接驗證，本文采用耦合河網水文水動力模型，利用河網內部水位實測資料進行間接驗證。模型采用2011年6月1日—9月1日的同步實測降雨、流量、水位資料進行驗證。通過計算調試率定出南通河網河道糙率在0.02～0.03之間，計算時間步長為15min，驗證成果過程見圖6和表2。

圖5　2011年洋口外閘、遙望港閘和大洋港閘潮位插值結果

圖6　2011年南通河網水位模擬過程

站名洪峰水位/m峰現時間實測計算誤差實測計算差值海安(通)4.073.98-0.0914日8時14日8時遲后1h搬經3.943.950.0114日8時14日8時遲后1h丁埝3.883.85-0.0314日8時14日8時遲后1h石港3.033.160.1314日8時14日9時遲后2h

3.5成果討論

從驗證結果可以看出，在海安(通)、搬經、丁埝、石港模型模擬成果較好，4個驗證站的水位計算過程與實測過程變化基本相同，海安(通)、搬經、丁堰、石港驗證站的峰值水位絕對誤差在0.13m以內，表明基于臨近站點的沿海潮位插值方法是可行的，且具有較高的精度，可以保證平原河網模型的正確計算。但同時由于受以下因素影響，會導致模型模擬水位存在一定偏差：

a.沿江、沿海小閘的實際運行工況不掌握，實際引排過程和閘泵工程規則不完全一致，從而導致沿江沿海小閘引排過程模擬不準確，這是影響區域內水位過程模擬精度的主要原因。

b.沿海實測潮位只有每日兩高潮位，潮位過程采用插補方法獲得，潮位插補無法和實測最低潮位完全一致，存在誤差。

c.南通河網水文水動力模型概化方面存在誤差，如：下墊面空間分布缺少實測資料，采用均化方式處理導致產水空間分布誤差；與泰州連接的有通揚運河、如靖界河等邊界實測流量不掌握，這些模型簡化也會造成水位模擬誤差。

4結語

本文針對南通沿海潮位資料缺失的情況，耦合南通河網水文水動力模型，利用河網內部水位實測資料對潮位插值方法進行間接驗證，結論如下：通過對南通地區實況年份洪水期水情及引水期的模擬演算，計算地區各代表站的洪峰水位及水位過程線與實測情況相差較小，水位過程線趨勢與實況均擬合較好，模型模擬結果合理，基本反映了南通河網地區水流特點和實際狀況。驗證成果表明：利用本文提出的潮位插值方法能夠解決南通沿海缺少每日兩低潮位的潮位站點插補計算問題，并且潮位插值具有較好的效果。

參考文獻

[1]程文輝,王船海,朱琰.太湖流域模型[M].南京:河海大學出版社,2006.

[2]王船海,王娟,程文輝,等.平原區產匯流模擬[J].河海大學學報(自然科學版),2007(6):627- 632.

Research on Nantong coastal tidal level data interpolation method

LIU Ping, LIU Meihua, WU Haijun

(NantongWaterConservancyBureau,Nantong226003,China)

Abstract：Nantong coastal plain is located besides Yellow Sea. River network water flow movement in the basin is affected by tidal level significantly. In the paper, a method of tidal level interpolation on the tidal level measurement missing station close to station data with complete tidal level process is proposed aiming at the problem of missing low tidal level in coastal tidal level actually-measured data. Therefore, tidal level boundary conditions are provided for calculating river network hydrological and hydrodynamic model in Nantong Plain. In the method, tidal level unit linear shape of typical tidal level station is combined for supplemental interpolation aiming at Nantong coastal boundary tidal level process. It is obvious that the tidal level measurement missing station can accept effective tidal level interpolation by the method through actual measurement water level process verification in the basin.

Key words：plain river network; hydrodynamic model; water unit line; tide level interpolation

中圖分類號：TV221

文獻標志碼：A

文章編號：1005- 4774(2016)01-0068-05

DOI:10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.01.019