一种河流入湖库流量计算方法与流程

本发明属于湖库水环境技术领域，具体涉及一种湖库河流入湖库流量计算方法。

背景技术：

流量数据是计算湖库水量平衡、防洪、供水及环境质量管理的重要参量，准确估算和计算湖库主要河道水量具有重要意义。获取河道入湖入库水量通常需要在河道入湖入库口门布设水量监测断面，通过观测方法获得。由于河道水量受上游降雨以及湖库水位高低的影响，入湖入库河道流量存在快速的时间变化，因此，准确观测河道入湖入库水量需要进行高频监测。这样采用监测的方法获得河道流量，不但需要建设固定的基础设施、仪器设备，还需要配备足够的专业人员。在入湖入库河道众多的情况下，目前湖库入湖水量的获取一般采用在河口设置观测断面进行河流断面流量一次及若干次观测方法获得。这种方法获得日入湖库水量需要开展大量观测，需要耗费大量人力和财力。因此，目前开展入湖入库主要河道水量全覆盖监测的湖库很少，大部分湖库仅在主要入湖河道设定个代表站进行水量测验，然后利用代表站估算月尺度、年尺度整个湖库集水域的入水量，不但缺乏日尺度入湖入库水量，而且更缺乏各主要入湖入库河道的入湖入库水量。这不利于认识湖库水质变化原因和掌握污染物来源。特别是在当前，湖库水环境保护和治理受到高度重视的形势下，缺乏湖库主要河道入水量，就使得相关工作缺乏科学依据，难以抓住重点，工作成效有待提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种充分挖掘湖库集水域水文信息数据的河流入湖库流量计算方法。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

步骤1：针对入湖库河流河口断面缺乏流量监测数据问题，收集湖库及其流域水文数据和气象数据，所述水文数据包括湖库逐日水位、流域内控制水文站逐日流量、入湖库主要河流流域面积特征、以湖库为水源的水厂取水量、湖库集水域内污水处理厂尾水排放和湖库出水逐日流量数据；所述气象数据包括湖库集水域逐日降雨数据、湖库水面蒸发量数据；

其中，所述入湖库主要河流指所收集河流的集水域总面积占全部入湖库河流集水域总面积的90％以上；

步骤2：根据入湖库河流集水域内控制水文站逐日流量数据与逐日降雨数据，计算水文站控制断面逐日流量与其对应的集水域前1日～前10日不同时长t的降水总量之间的皮尔逊相关系数，依据系数的大小识别出与断面逐日流量显著相关的关键时长t；

步骤3：利用步骤2中识别出的关键时长t，依据水文站控制断面实测的逐日流量、对应的关键时长t的降雨总量、上游集水域面积，利用线性回归最小二乘法，建立控制水文站实测流量与集水域对应关键时长t内总降雨线性关系式；用断面控制的集水面积除流量-t时长内总降水关系式，求得流域单位面积降雨产流系数；

步骤4：根据建立的水文站控制断面流量～降雨、集水域面积、产流系数的关系，计算各入湖库河流的逐日流量，获得降雨进入湖库逐日总水量；根据湖库水位、湖库水位面积曲线计算降雨径流入湖库造成的水位日变化，获得降雨导致的湖库水位日变化序列1；

步骤5：依据收集到的逐日污水处理排放的尾水、水厂取水量、湖库水面蒸发量、湖库水面降雨量、湖库出水量、以及湖库水位资料，基于水量平衡原理，计算由降雨径流导致湖库水位的逐日变化，获得降雨导致的湖库水位日变化序列2；

步骤6：进行湖库水位日变化序列2和湖库水位日变化序列1变化曲线的比较，调整参与各入湖库河流的逐日流量计算的产流系数，使得湖库水位日变化序列1变化曲线逼近湖库水位日变化序列2，获得修正后各日产流系数；

步骤7：根据修正后日产流系数计算各入湖库河道的流量，然后将污水处理厂尾水逐日排放量加到对应河流的逐日流量上，计算获取各河流逐日入湖库的流量。

经过产汇流系数调整后，入湖入河流量数据实现了与湖泊逐日水位数据的一致，提升了流量、水位数据的协调性，为湖库水动力过程研究提供基础流量数据。

本发明的方法，所述步骤2中，根据水文站实测流量、断面上游集水域降雨量，计算断面日均流量与包含当日、不包含当日、不包含当日及前一日的三种情形下，时间长度为1至10日集水区总降雨量与水文站实测流量的线性相关的皮尔逊相关系数，选取最大的皮尔逊相关系数对应时间长度t，为断面流量计算采用的降雨时段。

所述步骤2中，对于入湖库河流上游集水域存在集水域面积较大水库情形，计算河流集水域面积时从河流集水域面积中扣除水库集水域面积。

本发明的方法具有如下有益效果：

(1)提高入湖库水量数据的时间和空间分辨率，给出了主要河道逐日流量数据，为湖库主要河道入湖污染量计算和估算奠定了基础；

(2)时间分辨率显著提高，目前大部分湖库入湖水量仅能估算到逐月水量，无逐日流量数据；

(3)使得流域各类水文信息价值得到充分挖掘，使得获得的逐日流量数据、水位数据保持了高度的相容性和协调性。

附图说明

图1是实施例1巢湖环湖河道逐日流量计算方法流程图；

图2是2014-2015年桃溪日径流量与集水区前1-10日平均降雨量相关系数变化折线图；

图3是2014年桃溪日均流量与集水区前1-10天平均降雨量散点图；

图4是2015年桃溪日均流量与集水区前1-10天平均降雨量散点图；

图5是根据初步计算的河道流量计算水位与实测水位过程对比图；

图6是使用校正后的产流系数推求的各河道入湖总量计算的巢湖2014年与2015年水位过程与实测水位过程的对比情况示意图；

图7是最终推求得到的巢湖12条主要入湖河道2014年与2015年逐日径流过程示意图。

具体实施方式

实施例以巢湖为例，对本发明流量计算方法的技术方案作进一步描述。

巢湖位于安徽省中部，是我国长江流域第四大淡水湖。其流域面积13486km²，巢湖闸上流域面积9153km²，属长江下游左岸水系，巢湖水域面积769.6km²(常水位8.5m吴淞高程)，平均水深约2.7m，容积20.7亿m³。流域地势西高东低，中间低洼平坦。巢湖流域支流众多，干支流多为树型，水力联系清晰。主要入湖河流有：杭埠河-丰乐河、派河、南淝河-店埠河、白石天河、兆河、柘皋河、十五里河、烔炀河等(表1)，其中杭埠河-丰乐河是入湖水量最大河流，其次为南淝河和白石天河，湖泊东部的裕溪河是巢湖唯一出湖入江通道，兆河河段建有节制闸，断面流量受人为控制，具有逐日流量数据。

表1合肥局巢湖流域主要支流情况表

利用本发明的河流入湖库流量计算方法计算巢湖日入湖流量，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：选取巢湖的主要入湖河流，获取主要入湖库河流的水文数据和气象数据；对于巢湖，根据上表，巢湖的主要入湖河流包括杭埠河、南淝河、派河、白石天河、柘皋河、十五里河、塘西河、双桥河、烔炀河、鸡裕河、蒋口河及花塘河；

搜集获取巢湖2014-2015年较为完整的水文、气象资料。包括：

水文数据：丰乐河桃溪水文站日平均流量数据、巢湖闸、兆河闸流量数据；巢湖塘西、中庙、巢湖闸日均水位数据；流域面积特征数据；巢湖水厂日取水量、合肥市下属县级市污水处理厂日处理量，尾水排放相关数据；

气象数据：巢湖流域合肥、桃溪、白山等气象站日降雨量数据；巢湖闸、董铺站日水面蒸发量数据。

步骤2：利用桃溪水文站2014～2015年的逐日平均流量数据与集水区内的山南、桃溪、磨墩水库气象站日降雨数据，分析计算桃溪流量与流域前期降雨量之间的时滞关系。首先计算三雨量站算术平均值，作为桃溪集水区内的日平均降雨量；然后分别计算桃溪逐日流量与包含当日、不包含当日及不包含当日及前一日三种情形下，时间长度为1～10日集水区滑动总降雨量线性相关的皮尔逊相关系数，选取最大的皮尔逊相关系数对应时间长度t，为影响桃溪日径流量的降雨关键时长t。

步骤3：利用步骤2中识别出影响桃溪水文站逐日平均流量的关键时长t内总降雨量，依据水文站控制断面实测的逐日流量、对应的关键时长t的降雨总量、上游集水域面积，利用线性回归方法中的最小二乘法，建立水文站实测流量与集水域对应关键时长t内总降雨的降雨～流量线性关系式；用控制断面的集水面积除流量-t时长内总降水关系式，求得流域单位面积降雨产流系数；

在本实施例中，利用步骤2中识别出的关键时长t，分别建立2014年、2015年桃溪日均径流与集水区前期降雨的降雨～径流线性关系式：

q桃溪，t＝α·p桃溪，t-1·s桃溪(1)

式中：q桃溪，t为桃溪水文站控制断面在t日的实测日均径流总量(m³)；α为丰乐河单位面积降雨产流系数；p桃溪，t-1为桃溪控制流域面t时长内平均总降雨量(m)；s桃溪为桃溪水文站控制流域面积(㎡)。其中q桃溪，t、p桃溪，t-1及s桃溪都为已知量，利用最小二乘法，可求得2014年、2015年桃溪控制流域单位面积降雨产流系数α。

图2为2014年、2015年桃溪日径流量与集水区前1～10日平均降雨量之间的皮尔逊相关系数变化情况。可以看出，无论是2014年还是2015年，桃溪日径流量与不包含当日的前期降雨相关性相对较好。该情形下，当降雨时段长度与从径流前1天延伸到前4天时，与逐日径流量相关性呈上升趋势，而延伸到5天之后又呈下降趋势，这种特征2015年体现的更加充分，即前4天的总降雨与桃溪日径流相关性最好，二者的相关系数2014年与2015年分别达0.817与0.847，呈显著相关关系，说明前4日总降雨情况对于桃溪站流量影响最为显著。

图3与图4分别为2014、2015年桃溪日均流量与集水区前1-10天滑动平均降雨量散点图及相关系数。从图中可以看出，前1天与前2天降雨量与桃溪日流量构成的点分布较为分散，相关性较差。而前4天降雨量与桃溪日流量总体呈线状分布，相关性最好。

在识别出前4日为关键影响时段的基础上，利用公式(1)，采用最小二乘法分别进行平均前四日降雨总量与2014年、2015年平均日径流总量拟合，可得2014年与2015年产流系数，分别为0.0917与0.1046。

对于南淝河、派河等其他13条无径流资料河道，可假设在时段t内其单位面积降雨产流系数与丰乐流域相等，则河道流量可通过下式计算：

qi，t＝α·pi,t-1·si(2)

式中：qi，t为河道i在t日的入湖水量初步估算值；pi,t-1为子流域在t日前t时长内降雨总量，其计算时段与桃溪相同；si为子流域集水域面积，由于南淝河流域上游兼有董铺、大房郢及众兴等集水域面积较大的水库，降雨径流大部分被水库截留，计算时采用南淝河流域面积为南淝河流域面积扣除上述水库集水域面积。

对于南淝河、派河等其他13条无径流数据河道，将对应的前四日子流域降雨总量及集水区面积代入公式(2)，计算得到各条河道初步日入湖水量。

步骤4：根据步骤3建立的降雨～径流线性关系、集水域面积、产流系数的关系，利用公式(2)计算各入巢湖河流的逐日流量，获得降雨进入巢湖逐日总水量，根据巢湖水位、湖泊水位面积曲线计算降雨径流入巢湖造成的水位日变化，获得降雨导致的巢湖水位日变化序列1；

图5为利用初步计算的各条河道日入湖总量，并考虑巢湖闸、兆河闸、降雨、蒸发、取水、污水处理厂尾水排放情况，根据水量平衡原理计算得到的巢湖日水位过程与实测水位对比情况。其中深色实线为利用推求的河道流量计算的巢湖水位，阴影覆盖区为塘西、中庙和巢湖闸三水位站实测水位变化区间，浅色虚线为三站平均水位。可以看出，利用推求的河道入湖水量计算的巢湖水位过程与实测过程变化趋势基本一致，说明推求各条河道的入湖水量变化过程与实际情况相吻合，但在不同的时间段，与实测水位存在一定的偏差，如2014年2～7月，推求流量计算的水位明显高于实测水位，同时9～10月低于实测过程，这主要是由于流域土壤含水量是一个动态变化过程，如在枯水期，由于流域降雨量较少，土壤含水量将明显低于丰水期，若使用与丰水期一样的产流系数，将导致推求的河道入湖流量高于实际情况。因此，需根据实际情况，在不同时段对产流系数做出动态调整。

步骤5：依据巢湖水面降雨量、水面蒸发水量、巢湖水厂取水量、合肥市污水处理厂尾水排放量、巢湖出水量数据，基于水量平衡原理，即入巢湖河流入水量之和与巢湖储水水量的变化相等，计算由降雨径流导致巢湖水位的逐日变化，获得降雨导致的巢湖水位日变化序列2；

步骤6：使用固定的产流系数推求的各河道入湖流量计算的巢湖水位虽与实测水位变化情况一致，但在部分时段存在明显的偏差。因此考虑根据巢湖水量平衡对产流系数做出修正，即对于时段t，若计算水位高于实测水位，说明推求的河道入湖流量偏大，则降低产流系数；反之，若计算水位低于实测水位，说明推求的流量偏小，则相应增大产流系数，直至计算水位与实测水位基本一致。

为达上述目标，进行巢湖水位日变化序列2和巢湖水位日变化序列1变化曲线的比较，调整参与各巢湖入湖河流的逐日流量计算的产流系数，使得巢湖水位日变化序列1变化曲线逼近巢湖水位日变化序列2，获得各日产流系数；

根据水量平衡原理，巢湖湖面降雨和蒸发水量、水厂取水量、污水处理厂尾水排放量、巢湖闸日流出水量、兆河闸日出入巢湖水量、及其他需要推求河道入湖水量之和应与巢湖储水水量的变化相等，即，据此得出公式(3)。这里储水水量近似等于巢湖水面面积与水位变化的乘积。

δlt·sc，t＝∑qi,t+(pt-et)·sc，t-at+tt(3)

式中：δlt为巢湖由实测水位值计算获得的t日内水位变化；sc，t为巢湖在t日内平均水面面积，δlt·sc，t即为t日内巢湖储水量变化量；pt为巢湖在t日降雨量，采用湖周的中庙、烔炀、白山、塘西等6站的平均值计算；et为在t日巢湖蒸发量，采用董铺站和巢湖闸的平均值；at为巢湖水厂在t日取水量；tt为污水处理厂在t日排放尾水量，∑qi，t为入巢湖河流t日入水量之和。

将式(2)代入式(3)，便可推算出由出入湖水量初步估算值估算的水位变化量。进行估算值与实测巢湖水位变化量对比，扩大或缩减流域产流系数，在保障估算值与实测巢湖水位变化量同步增减同时，使二者尽可能接近，缩减误差。将式(2)代入式(3)推导得出调整后的单位面积降雨产流系数计算方式如公式(4)所示：

α＝[δlt·sc，t-(pt-et)·sc，t+a-tt]/∑(pi,t-1·si)(4)

鉴于风涌增减水会对巢湖测点水位造成影响，为确保测点水位能真实反映巢湖时间平均水位变化，这里实测巢湖水位变化量取中庙、巢湖闸上、塘西三水位站水位变化量均值的七日滑动平均，以剔除风场对水位影响。用调整后的单位面积降雨产流系数再次计算估算河流的日入湖水量。这之后再将污水处理厂尾水叠加到相应河道上，便可获得出12条河道的逐日流量过程。

表2为2014年及2015年各时段使用的产流系数，其中2014年1月1日至3月19日、7月30日至9月1日两个时间段产流系数做出了调整，其他大部分时间未做出改变。可以看出，调整后，产流系数与全年降雨分布空间特征较为一致，即枯水期由于土壤含水量较低，产流系数较小，丰水期流域土壤含水量处于饱和或接近饱和的状态，降雨产流系数随着增加。2015年由于全年降雨分布时空差异性较大，因此产流系数变化也相对复杂，其中1月1日至2月15日、3月16日至5月2日、6月28日至7月29日及9月4日至12月31日产流系数做出了一定的调整。

表2流域降雨产流系数校正

图6为使用校正后的产流系数推求的各河道入湖总量计算的巢湖2014年与2015年水位过程与实测水位过程的对比情况。可以看出，经过校正之后，计算水位与实测水位基本吻合，仅在部分时段存在较小的偏差，说明推求的河道流量与实际情况较为接近。

图7为最终推求得到的巢湖双桥河、柘皋河、烔炀河、南淝河等12条主要入湖河道2014年与2015年逐日径流过程。可以看出，12条河道中，杭埠河流量最大，南淝河次之，花塘河、蒋口河等河道日均流量较小，兆河河流主要由闸门控制，流量受人为控制，本身有流量数据，不需要推算。