一种资料贫乏地区长系列泥沙数据综合重构方法与流程

本发明涉及水文泥沙领域，特别是涉及一种资料贫乏地区长系列泥沙数据综合重构方法。

背景技术：

泥沙不仅是改变河床形态的物质基础,也是水流中有机质与污染物的重要载体，沙量的多少、颗粒的粗细影响着河床变形的方向,不同的水沙组合特征决定了河床的平面形态和断面特征，也对水环境和水生态具有直接和间接的影响。泥沙数据是河流治理、开发和保护活动中各项科研、设计、管理工作所需的基础资料。但受自然条件、历史变迁和经济社会发展水平等因素的制约，相当一部分河流泥沙观测资料较为贫乏，难以满足人类认识河流、保护河流的需要，需要采取相应的重构技术获取足够的数据资料。

目前常用的资料贫乏地区泥沙数据重构方法有以下几种：①流量资料系列较长时，可采用该站流量与输沙率或流量与含沙量的相关关系插补延长；②上下游或邻近流域参证水文站有较长悬移质泥沙资料时，可建立设计依据水文站与参证水文站悬移质输沙量或含沙量的相关关系插补延长；③采取根据所在地区输沙模数图估算输沙量或根据邻近相似流域的测验资料采用类比法推算输沙量。

但上述方法均各自有其局限，有的对已有资料数量要求较高，有的只能推求输沙量特征值无法得到逐日含沙量过程等，无法完全满足资料贫乏地区长系列泥沙资料重构的需求。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种资料贫乏地区长系列泥沙数据综合重构方法，可直接应用于资料贫乏地区河流保护、治理和开发中的泥沙研究、设计等工作。

本发明一种资料贫乏地区长系列泥沙数据综合重构方法，其特征在于：包括以下具体步骤，

1)采集目标河段水文、泥沙数据，具体包括：水文站长系列逐日流量qi,j,k，泥沙测验含沙量tsi,n,k与测时流量qi,n,k，水质测验中表层泥沙测验含沙量ci,m,k和测时流量cqi,m,k，i＝1～nyear，nyear为长系列年数；j＝1～nday(i)，nday(i)为i年总天数；k＝1～nsta，nsta为水文站数；n＝1～nsam(i,k)，nsam(i,k)为第i年k号水文站泥沙测验样本数；m＝1～ncsam(i,k)，ncsam(i,k)为第i年k号水文站水质测验表层泥沙测验样本数；

2)采用流量-含沙量年关系曲线法计算资料优良年份泥沙数据；

3)采用水质泥沙数据与水文站泥沙数据相关关系法计算仅水质泥沙测验年份泥沙数据；

4)采用临近站点同年流量-含沙量关系曲线法计算资料缺乏年份泥沙数据；

5)采用多年平均流量-含沙量关系曲线法计算其余年份泥沙数据。

2.根据权利要求1所述的一种资料贫乏地区长系列泥沙数据综合重构方法，其特征在于：所述步骤2)采用流量-含沙量年关系曲线法计算资料优良年份泥沙数据的具体步骤如下：

依据以下原则识别泥沙数据资料优良年份：①汛期各个月均有泥沙测验样本；②年内样本数量不少于某一特定数量nsmin；

采用泥沙数据资料优良年份泥沙测验资料tsi,n,k与qi,n,k，建立年内流量-含沙量关系曲线：

tsi,k＝f1(qi,k)(1)

采用显著性水平α＝0.05且p<0.01检验所建立年内流量-含沙量关系曲线能否通过t检验，如不能，则将该年重新划出泥沙数据资料优良年份；反之，即可根据式(1)计算该年逐日含沙量数据：

si,k＝f1(qi,k)(2)

并统计年输沙量特征值：

3.根据权利要求2所述的一种资料贫乏地区长系列泥沙数据综合重构方法，其特征在于：所述步骤3)采用水质泥沙数据与水文站泥沙数据相关关系法计算仅水质泥沙测验年份泥沙数据的具体步骤如下：

在泥沙数据资料优良年份中选出同时拥有水质测验表层泥沙测验样本的年份，采用这些年份表层泥沙含沙量ci,m,k和测时流量cqi,m,k，建立表层泥沙含沙量与流量的关系曲线：

ci,k＝f2(cqi,k)(4)

根据式(4)计算该年表层泥沙年输沙量特征值

根据式(3)和(5)即可建立k水文站，泥沙测验资料优良且有水质表层泥沙测验资料年份，其年输沙量与年表层输沙量的关系曲线：

tqsk＝f3(tqck)(6)

根据式(6)和式(4)即可计算有水质表层泥沙测验资料但无优良泥沙测验资料年份的逐日泥沙数据：

si,j,k＝f3(f2,(qi,j,k)×qi,j,k)/qi,j,k(7)。

4.根据权利要求3所述的一种资料贫乏地区长系列泥沙数据综合重构方法，其特征在于：所述步骤4)采用临近站点同年流量-含沙量关系曲线法计算资料缺乏年份泥沙数据的具体步骤如下：

在相邻k和k+1两水文站各自泥沙数据资料优良年份中，选出两站同年均为资料优良的年份，根据式(3)建立相邻两站年输沙量的关系曲线：

tqsk＝f4(tqsk+1)(8)

采用显著性水平α＝0.05且p<0.01检验所建立关系曲线(8)能否通过t检验，如未通过检验，则相邻两站间并不存在明显的相关关系，无法应用该方法；如通过检验，则可由式(8)和k+1水文站资料优良年份水沙关系曲线式(2)，计算k站同年且无优良资料年份的泥沙数据：

si,j,k＝f4(f1,k+1(qi,j,k)×qi,j,k)/qi,j,k(9)。

5.根据权利要求4所述的一种资料贫乏地区长系列泥沙数据综合重构方法，其特征在于：所述步骤5)采用多年平均流量-含沙量关系曲线法计算其余年份泥沙数据的具体步骤如下：

采用所有资料优良年份泥沙测验资料tsi,n,k与qi,n,k，建立多年平均流量-含沙量关系曲线：

tsk＝f5(qk)(10)

对于步骤2)～步骤4)三种方法均无法适用的年份，采用式(10)计算逐日含沙量数据：

sk＝f5(qk)(11)。

本发明的技术效果：与已有方法相比，本方法根据资料贫乏地区泥沙观测实际与特点，综合采用四种方法重构长系列泥沙数据，不仅可弥补各方法间的局限和不足，而且所需资料较之已有方法更易收集，从而简便快捷的重构资料贫乏地区长系列泥沙数据，可直接应用于资料贫乏地区河流保护、治理和开发中的泥沙研究、设计等工作。

附图说明

图1为本发明实施例的资料贫乏地区长系列泥沙数据综合重构流程示意图。

图2为本发明实施例的水质泥沙数据与水文站泥沙数据关系图。

图3为本发明实施例的长系列泥沙数据综合重构结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本发明提出了一种新的资料贫乏地区长系列泥沙数据综合重构方法。其基本思路是：首先，采用流量-含沙量年关系曲线法计算资料优良年份泥沙数据；其次，采用水质泥沙观测数据与水文站泥沙数据相关关系法推求仅有水质泥沙观测数据的年份；再次，对于既无优良泥沙数据也无水质泥沙测验的年份，采用临近站点同年流量-含沙量关系曲线法计算；最后，对于上述三种手段都不适用的年份，采用多年平均流量-含沙量关系曲线法计算。本发明技术方案具体流程详见图1。

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体说明。

一种资料贫乏地区长系列泥沙数据综合重构方法，包括以下步骤：

步骤1，采集目标河段水文、泥沙数据，具体包括：水文站长系列逐日流量qi,j,k，泥沙测验含沙量tsi,n,k与测时流量qi,n,k，水质测验中表层泥沙测验含沙量ci,m,k和测时流量cqi,m,k，i＝1～nyear，nyear为长系列年数；j＝1～nday(i)，nday(i)为i年总天数；k＝1～nsta，nsta为水文站数；n＝1～nsam(i,k)，nsam(i,k)为第i年k号水文站泥沙测验样本数；m＝1～ncsam(i,k)，ncsam(i,k)为第i年k号水文站水质测验表层泥沙测验样本数。

步骤2，采用流量-含沙量年关系曲线法计算资料优良年份泥沙数据，包括步骤2.1、步骤2.2和步骤2.3。

步骤2.1，识别泥沙数据资料优良年份。

优良年份选取依据以下原则：①汛期各个月均有泥沙测验样本；②年内样本数量不少于某一特定数量nsmin。

步骤2.2，建立年内流量-含沙量关系曲线。

采用泥沙数据资料优良年份泥沙测验资料tsi,n,k与qi,n,k，建立年内流量-含沙量关系曲线：

tsi,k＝f1(qi,k)(1)

步骤2.3，显著性水平检验并计算资料优良年份泥沙资料。

采用显著性水平α＝0.05且p<0.01检验所建立年内流量-含沙量关系曲线能否通过t检验。如不能，则将该年重新划出泥沙数据资料优良年份；反之，即可根据式(1)计算该年逐日含沙量数据:

si,k＝f1(qi,k)(2)

并统计年输沙量特征值：

步骤3，对于无法应用步骤2的非资料优良年份且有水质泥沙观测数据的，采用水质泥沙数据与水文站泥沙数据相关关系法计算仅有水质泥沙测验年份的泥沙数据，包括步骤3.1、步骤3.2、步骤3.3和步骤3.4。

步骤3.1，建立水质观测表层泥沙含沙量与流量的关系曲线。

在泥沙数据资料优良年份中选出同时拥有水质测验表层泥沙测验样本的年份，采用这些年份表层泥沙含沙量ci,m,k和测时流量cqi,m,k，建立表层泥沙含沙量与流量的关系曲线：

ci,k＝f2(cqi,k)(4)

步骤3.2，根据式(4)计算该年表层泥沙年输沙量特征值：

步骤3.3，建立年输沙量与年表层输沙量的关系。

根据式(3)和(5)建立k水文站，泥沙测验资料优良且有水质表层泥沙测验资料年份的，年输沙量与年表层输沙量的关系曲线：

tqsk＝f3(tqck)(6)

步骤3.4，推求逐日泥沙数据。

根据式(6)和式(4)可得式(7)，即可计算有水质表层泥沙测验资料但无优良泥沙测验资料年份的逐日泥沙数据：

si,j,k＝f3(f2,(qi,j,k)×qi,j,k)/qi,j,k(7)

步骤4，采用临近站点同年流量-含沙量关系曲线法计算资料缺乏年份泥沙数据，包括步骤4.1、步骤4.2和步骤4.3。

步骤4.1，建立相邻两站年输沙量的关系曲线。

在相邻k和k+1两水文站各自泥沙数据资料优良年份中，选出两站同年均为资料优良的年份，根据式(3)分别推求两站这些年份的年输沙量tqsi,k和tqsi,k+1，进而建立相邻两站年输沙量的关系曲线：

tqsk＝f4(tqsk+1)(8)

步骤4.2，显著性检验。

采用显著性水平α＝0.05且p<0.01检验所建立关系曲线(8)能否通过t检验。如未通过检验，则相邻两站间并不存在明显的相关关系，无法应用临近站点流量-含沙量关系曲线法。

步骤4.3，对于步骤4.2中通过显著性检验的站点，由式(8)和k+1水文站资料优良年份水沙关系曲线式(2)，计算k站同年且无优良资料年份的泥沙数据：

si,j,k＝f4(f1,k+1(qi,j,k)×qi,j,k)/qi,j,k(9)

步骤5，采用多年平均流量-含沙量关系曲线法计算其余年份泥沙数据，包括步骤5.1和步骤5.2：

步骤5.1，采用所有资料优良年份泥沙测验资料tsi,n,k与qi,n,k，建立多年平均流量-含沙量关系曲线：

tsk＝f5(qk)(10)

步骤5.2，对于步骤2～步骤4三种技术均无法适用的年份，采用式(10)计算逐日含沙量数据:

sk＝f5(qk)(11)。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。