深圳市重要河流水文站網布設技術探討

程正選 劉廣山 何 良

深圳市河流眾多，其中深圳河、茅洲河、龍崗河、觀瀾河、坪山河5條河流流域面積超過100 km2，5條河流流域總面積占深圳市陸域國土總面積的61%，在深圳市國民經濟發展和防汛減災中占有重要地位。大沙河是深圳市第二大排洪河，上游的西麗水庫和長嶺陂水庫，不僅是深圳市重要的水源地，同時承擔著城市防洪的重要責任，流域內分布有大學城、高新科技園和創新產業城，社會經濟地位十分重要。目前，6條河流中除深圳河因河道治理設有部分工程專用水文站外，其余河流均未設立基本水文站。

為滿足水環境治理及水資源優化配置等對水文資料的需求，并為落實河長制和治水提質提供技術支撐，同時為防汛測報、防洪減災、河道治理、水資源合理開發利用、工程水文分析、水文特性分析研究、防洪工程等的實施與運行提供準確可靠的水文水資源基礎資料，深圳市正在積極推進水文站網規劃及水文站建設工作。依據站網規劃的原則，應優化站網結構，使水文站網盡量滿足區域內國民經濟對水文資料的需求。

1 流域概況

1.1 自然地理

深圳市位于廣東省東南部珠江口的東岸，北連惠州市、東莞市，南隔深圳河與香港九龍新界相鄰，東依大鵬灣、大亞灣，西瀕伶仃洋與珠海市相望。陸域范圍為東經114°37′21″（大鵬半島鞋柴角）～113°45′44″，北緯22°51′49″～22°26′59″（大鵬半島南端）。平面形狀呈東西長（92 km），南北窄（44 km）的狹長形。根據《2015年深圳市統計年鑒》，全市土地總面積為1 996.85 km2。

深圳市地勢東南高、西北低，主要山脈走向由東向西，貫穿中部，形成天然屏障，成為主要河流發源地和分水嶺。依托地勢特征，全市分布著3個地貌帶，即東南為半島海灣地貌帶，中部為海岸山脈地貌帶，西北部為丘陵谷地地貌帶。

1.2 河流水系

深圳市共有流域面積大于1 km2的干流及一、二、三級支流、獨立河流310條，其中流域面積大于100 km2的河流有5條，即茅洲河、龍崗河、觀瀾河、深圳河和坪山河。

深圳市地形地貌的特點決定了河流水系的分布和走向。小河溝數目多、分布廣、干流短是深圳市水系的一個特點。以海岸山脈和羊臺山為主要分水嶺，深圳市河流劃分為珠江口水系、東江中下游水系和粵東沿海水系3個水系。

（1）珠江口水系。西部和西南地區諸河流，流入珠江口伶仃洋，主要河流有深圳河、大沙河、西鄉河和茅洲河。

（2）東江水系。主要為東北部河流，發源于海岸山脈北麓，由中部往北或東北方向流入東江中、下游，主要河流有龍崗河、坪山河和觀瀾河。

（3）粵東沿海水系。河流發源于海岸山脈南麓，流入大鵬灣和大亞灣，主要河流有鹽田河、葵涌河、王母河、東涌河等。

1.3 水文氣象

深圳市地處廣東省南部沿海，位于北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風氣候，溫暖、濕潤、多雨、無霜，夏季長，冬季不明顯。冷期短，霜日極少。多年平均日照時數2 120 h，≥10℃年積溫8 053.1℃，年太陽總輻射量53.47萬kJ/cm2，其年季變化不大。深圳市多年平均氣溫22.4℃，極端最高氣溫38.7℃，極端最低氣溫0.2℃，多年平均水面蒸發量1 346 mm，多年平均氣壓1 010.8 mPa，各月氣壓變化較小。雨量充沛，全市多年平均降水量為1 830 mm，降雨量的年內分配很不均勻，大部分集中在4～9月份，占全年降雨量的85%以上。多年平均徑流深900～1 100 mm。徑流的年際變化較大，變差系數Cv取0.38，Cs=2 Cv。

2 水文站網現狀及評價

2.1 站網現狀

目前，深圳市共有水（潮）位站54處、降水量站58處、水面蒸發站3處、專用水文站6處。

現有的站點均為工程專用水文測站，測站的設立與裁撤以工程施工和工程運行需要為依據，站網的布設也是以服務工程為目的，因此，站網布設的合理性和測站的長久性具有不確定性。現有的6個流量站中有5個流量站設在深圳河流域，站網密度為29 km2/站，而茅洲河、龍崗河、觀瀾河、坪山河和大沙河5條河流均未設立基本水文站，站網空間分布不均。

隨著深圳市經濟和社會的發展和治水提質、海綿城市、防洪治澇等工作的開展，水文工作也凸顯了其重要性。社會對水文信息的需求將越來越高，現有的水文站網體系在諸多方面亟待發展、調整、補充和完善。同時，深圳市水資源問題和洪澇災害日益突出，暴露出水文資料不足、流量站網分布與防洪減災新要求不相適應、站網結構不合理等問題。

2.2 站網評價

根據氣候與下墊面條件相似程度以及深圳市水系分布特點和河流地理特征，深圳市劃分為3個水文分區，即東江水文區、珠江口水文區、海灣水文區［1］。深圳市上述6條河流所屬的水文分區及河流特征如表1所示。

表1 水文分區情況及河流特征

2.2.1 區域代表站的設立

區域代表站的設立應考慮有較好的代表性和測驗條件［2］，能控制徑流等值線明顯的轉折與走向，同時滿足防汛抗旱、水資源管理、水工程規劃、設計和管理運用等需要［3］。

采用卡拉謝夫法對區域代表站布設數量進行計算，該方法依據的3個準則為臨界最小面積準則、梯度準則以及相關準則［4］。

（1）臨界最小面積準則。

式中，F0為最優站網密度確定的測站控制流域面積，km2；Fm為臨界最小面積準則確定的測站控制的最小流域面積，km2。

（2）梯度準則。

式中，F?為基于梯度準則確定的測站控制的最小流域面積，km2；σ0為測驗誤差的相對均方差；my為正常年徑流深，mm；?為正常年徑流深沿某一方向的梯度變化，mm/km。

（3）相關準則。

式中，；Fk為相關準則確定的測站控制的最大流域面積，km2；L0為相關半徑，km；k2為置信系數；cv為徑流深變差系數。

由上述三準則可知，基于卡拉謝夫法確定的單站控制面積應滿足

水文分區內區域代表站最優站網密度對應的布設數目為

式中，n0為研究區域代表站最優站網密度對應測站數目；F為研究區域的面積，km2。

根據卡拉謝夫法對深圳市3個水文分區分別進行計算，南方濕潤地區臨界最小面積準則大約取200 km2［5］。

由于深圳市缺乏相應的實測徑流資料，徑流深由《廣東省平均年徑流深等值線圖》所得，區域平均變差系數Cv也由《廣東省年徑流深變差系數等值線圖》所得，為0.38。年徑流深梯度變化，由流域中心點徑流深與相鄰最近流域中心點徑流深之差除以相應距離計算得到。測驗誤差相對均方差參考文獻取0.05［6］，最終依據梯度準則計算得到各水系測站控制的最小流域面積（如表2所示）。

因現狀區域內無流量站網，相關半徑取L0=770 km［7］，保證率與置信系數分別取P=75%、k2=1.15［6］，最終依據相關準則計算得出測站控制的最大流域面積和代表站布設數目（如表2所示）。

表2 卡拉謝夫法計算結果

根據以上計算結果，對n0修約取整，最優區域代表站密度除東江區為2個外，珠江口區和海灣區分別為1個。依據《水文站網規劃技術導則》（SL34-2013）［8］的分類，龍崗河、茅洲河、深圳河流域面積符合濕潤地區200～3 000 km2范圍，又分別屬于東江、珠江口、海灣3個水文分區，符合區域代表站設立的要求。觀瀾河屬于東江區，面積接近200 km2，也可設立區域代表站。

考慮到3個水文分區內防洪減災、水資源保護與利用、水利工程規劃建設等需要，通過對龍崗河、觀瀾河、茅洲河、深圳河實地查勘，在滿足水文測驗條件的前提下，兼顧交通和生活條件，比選出龍崗河、觀瀾河、茅洲河、深圳河口4個區域代表水文站的斷面位置。根據水文特性、來水來沙情況和社會經濟發展需求，確定4個水文站的基本觀測水文要素有水位、降水、流量、懸沙、顆分、水質，具體如表3所示。

表3 區域代表站基本情況

2.2.2 小河站設立

坪山河和大沙河屬于區域代表站之間的空白區域，分屬東江區和海灣區。因其在深圳市防汛減災和水資源管理中具有特殊地位，又屬于城市化快速發展區域，下墊面變化大，可設立小河站。通過小河站收集暴雨洪水資料，為城市防洪減災提供服務，也可為探索產匯流機制在地區上和隨下墊面變化的規律提供平臺。

坪山河和大沙河雖然僅符合小河站設立要求，但由于屬山溪性雨洪河流，降雨集中，產匯流時間短，洪水漲落急劇，流域內城市化程度非常高，洪水危害大，防汛減災和水資源保護任務重大，也按基本水文站的要求設立，具體如表4所示。

表4 小河站基本情況

3 設站需求分析與測驗河段比選

3.1 設站需求分析

深圳是我國經濟最發達的地區之一，豐沛的水量和密集的河流為其發展提供了優越的自然條件，但洪、澇、旱、臺風、暴潮等災害的不斷發生又對地區發展構成巨大的威脅。隨著社會經濟的發展及城市化水平的不斷提高，建立深圳市重要河流水文基本站，可滿足以下4方面的需求。

（1）實時防災減災的需要。防災減災是水務中心工作，也是各級政府的重要工作。深圳市城市化率接近100%，隨著城市化水平的提高，城市防洪尤其排澇問題日益突出，同量級暴雨洪水引發的洪澇災害造成的直接或間接損失會越來越大，迫切需要加強城市暴雨洪水特性的研究和城市排澇的設計等方面工作。在重要河流設立水文基本站，及時準確地提供水情情報，是實施防洪指揮調度決策、指導城市防洪排澇工程規劃和建設的重要依據。

（2）落實河長制的需要。根據《深圳市全面推行河長制實施方案》，至2025年，深圳市對全市148條（160段）河流實施河長制管理。其中，在加強水安全保障方面，應重點推進主要河流和濱海地區感潮河段的防洪減災工程建設，提高全市中小河流的防洪、防潮標準。為此需要加強河流水文站網建設及信息監測，建立防洪救災響應和管理機制，提高洪澇災害科學預報預警和防災減災信息化水平。

（3）開展水生態保護與修復的需要。水生態是河流健康的重要標志，開展水生態監測是水生態保護與修復工作的重要基礎，對生態建設和深層次水資源管理具有十分重要的意義。在重要河流設立水文基本站，及時跟蹤和評價城市河涌整治的水環境狀況，可為深圳市實施治水提質、開展水環境保護與治理提供依據。

（4）科學開展涉水工程規劃設計的需要。深圳市作為國際化現代化的特大城市，一切與水相關的工程建設都要充分考慮防洪安全與地區資源條件。例如水庫、河道、海堤、道路、橋梁工程設計，區域城市規劃均需要準確可靠的水文資料。在重要河流設立水文基本站，依托長期的水文觀測提供足夠系列的基本水文資料是工程規劃與設計需要。

3.2 測驗河段比選

因為茅洲河、觀瀾河、龍崗河、坪山河、深圳河、大沙河等流域設立的是流域控制性水文站，需控制最大的流域面積和大部分的支流來水量，站址選擇范圍應在干流下游段。其中茅洲河和大沙河干流下游段屬感潮河段，為避免后期水位流量關系過于復雜，需避開潮汐影響河段。

基于《水文站網管理辦法》（水利部令第44號）和《水文站網規劃技術導則》（SL34-2013）［8］，通過多次實地勘察，依據上述建站目的確定各站站址的大致河段。

根據《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）［9］對測驗河段選擇的要求，通過斷面比選，綜合考慮控制的流域面積大小、河段順直長度、斷面穩定和水流集中情況，選定了茅洲河水文站、龍崗河水文站、觀瀾河水文站、坪山河水文站、大沙河水文站的最優斷面位置（見表3和表4）。其中，觀瀾河站下游80 m有跌水，龍崗河站下游150 m有急灘、坪山河站下游60 m有石梁，大沙河站下游70 m有急灘，在中低水時形成了斷面控制，有利于中低水時水位流量關系保持穩定。

在深圳河流域6個專用水文站中，根據測站的重要性和現有資料的連續性，以控制流域最大面積和最大來水量為根本，選定深圳河口站升級為區域代表站。

4 結語

依據深圳市水文分區劃分，采用卡拉謝夫法確定了東江水文區、珠江口水文區、海灣水文區的最優區域代表站密度，并在查勘比選的基礎上，確定了龍崗河水文站、觀瀾河水文站、茅洲河水文站、深圳河水文站4個區域代表站的站址；在區域代表站之間的空白區，為滿足城市防洪和探索產匯流機制在地區上和隨下墊面變化的規律的需要，確立了坪山河水文站、大沙河水文站2個小河站的站址。

深圳市是我國最早建立的經濟特區，經濟高速發展，然而，深圳市的水文站網發展相對滯后，全市用于收集水文基本資料的測站極少。4個區域代表站和2個小河站的設立符合深圳市河流分布狀況和水文特性，能初步滿足深圳市經濟發展對水文的需要，成為深圳市水文站網的骨干構架，為后期水文站網的進一步完善打下了基礎。

［1］ 朱曉原，張留柱，姚永熙.水文測驗實用手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2013.

［2］ 丁義，朱成濤，蹇德平.雅礱江流域水文站網規劃與建設［J］. 人民長江，2013，44（S1）：1-2.

［3］ 李海源，香天元，徐漢光.長江流域水文站網系統評價及發展建議［J］. 人民長江，2011，42（17）：20-23.

［4］ 朱曉原，張留柱，姚永熙.水文站網規劃與優化［M］.北京：中國水利水電出版社，2013.

［5］ 馬秀峰，龔慶勝.干旱地區水文站網規劃論文選集［M］.鄭州：黃河出版社，1987.

［6］ 錢學偉.關于卡拉謝夫法相關準則的分析論證［J］.水文，1994（5）：23-28.

［7］ 胡鳳彬，桂宗禹，于維忠.濕潤地區水文站網規劃論文選集［M］.南京：河海大學出版社，1988.

［8］ SL34-2013水文站網規劃技術導則［S］.

［9］ GB 50179-2015河流流量測驗規范［S］.

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