長江河口鹽水入侵特征水文年劃分標準研究

長江流量年平均變化，流量豐富，長江河口廢水入侵強度減弱。由于河流稀少，對廢水的侵蝕和變化很大。為了研究不同流量條件下的水文特征，根據(jù)長江的年平均流量，這些不同的年份可以分為不同的特征。長江水生科學研究院確定了長江豐、平、旱流量分類標準：根據(jù)年平均海流的年平均流量，頻率低于25%的年平均流量為雨季流量，頻率高于75%的年平均流量為旱流量，介于25%和75%之間的年平均流量為月平均流量。然而，這種分類基準在分析長江河口淡水入侵的強度方面具有很大的限制。年平均流量代表了一年的平均狀況，并不反映季節(jié)分配的特征。長江河口海水入侵現(xiàn)象通常發(fā)生在旱季，即當年11月至12月和第二年1月至4月。長江口廢水的入侵強度主要與長江的旱季有關。雖然洪季的流量有限，但影響很小。因此，在旱季劃分特征的水文年有利于澄清長江河口海水的入侵規(guī)律。特征水文年一直采用傳統(tǒng)的劃分方法,主要是基于統(tǒng)計學的適線法.該方法是運用一些數(shù)理統(tǒng)計公式進行手工計算,工作量很大,與目前快速發(fā)展的計算機技術極不相稱.本文研究目的之一,就是探索將計算機高級語言函數(shù)功能引入到特征水文年的劃分方法中.1學習方法1.1理論曲線的繪制水文統(tǒng)計時為劃分不同的特征水文年多采用適線法這種確定估計量的估計方法作頻率曲線圖.適線法的具體內容和步驟如下:設所研究的隨機變量為X,通過觀測取得一個樣本,將這個樣本按大小重新排列,得到X1≥X2≥…≥Xm≥…≥Xn;采用經(jīng)驗頻率公式P=m(n+1)Ρ=m(n+1),對每一Xm,求出一個Pm(稱為經(jīng)驗頻率);再將這些數(shù)值點(Pm,Xm)(m=1～n)畫在機率格紙上(稱為經(jīng)驗點據(jù)).當把分布函數(shù)的形式確定以后,可通過積分P=Q(x)=∫f(x;u1,u2,u3)dx,求出P=Q(x)的關系.這個積分一般都有表(即Φ值或K值表)可查.把P=Q(x)的關系也畫在上述機率格紙上,這樣畫出的曲線稱為理論曲線.檢查這條曲線與經(jīng)驗點據(jù)的配合情況;如符合不好,再重新假設,直到曲線與點據(jù)符合(即擬合)良好時為止.最后所得曲線的參數(shù)就是所得的參數(shù)估計值.2長江口鹽水入侵規(guī)律傳統(tǒng)適線法中參數(shù)估計的計算比較繁復,本文運用Matlab中的多項式曲線擬合函數(shù)(polyfit)進行理論曲線的繪制,相對應的特征水文年各頻率流量值也可直接通過多項式求值函數(shù)(polyval)求出.參照文獻,根據(jù)長江口鹽水入侵發(fā)生的一般規(guī)律及其特征,確定了如下標準:頻率在25%以下對應的枯季流量為枯季豐水流量,頻率在26%～75%之間的為枯季平水流量,頻率在76%～95%之間對應的流量為枯季枯水流量,95%以上對應的流量為枯季特枯流量.按照以上標準,根據(jù)長江大通站多年的枯季平均流量,分別采用適線法和Matlab多項式曲線擬合法可將1946～2003年劃分為枯季特枯年、枯季枯水年、枯季平水年和枯季豐水年四類水文年,在分析長江口鹽水入侵規(guī)律時分別視為特枯年、枯水年、平水年和豐水年.2.1枯季流量的計算本文采用1946～2003年長江大通站月平均流量資料,對數(shù)據(jù)進行預處理.處理方法是:將第一年的11月、12月和翌年的1～4月份的月平均流量組合在一起,求出相應的枯季平均流量(枯季流量應該是指跨年度流量.本文為簡便起見,1946年枯季流量實際上是指1946～1947年度枯季流量,以此類推),以得到1946～2002年枯季平均流量序列.2.2累積頻率理論曲線根據(jù)1946～2002年枯季流量序列用Matlab中的多項式曲線擬合函數(shù)polyfit做出枯季平均流量累積頻率曲線圖(圖1).其對應的累積頻率理論曲線方程式為:Q(X)=23X3+244X2?2710X+14426,Q(X)=23X3+244X2-2710X+14426,其中Q(X)代表流量;X表示經(jīng)Norminv函數(shù)轉換過的P頻率值.根據(jù)前述劃分標準,可將1946～2002年分別歸類于四種不同特征水文年(如圖2),并得到相應的特征流量(如表1).3各特征流量值對比我們同時用適線法和多項式擬合法對長江特征水文年進行了劃分,兩種方法得出的曲線吻合度超過95%(如圖3).入海特征流量值只有±0.5%的差異.圖3所示實線是Matlab多項式函數(shù)的擬合曲線,兩條虛線是在不同Cs取值條件下適線法所作的理論曲線;圖中的曲線幾近重合,并且Matlab多項式函數(shù)所得的特征流量和適線法的結果也非常接近,但在枯水特征流量要稍微小些,這符合實際情況.4特征年劃分標準水文特征研究是地理水文學研究的一個重要分支內容,針對特定的大河研究其特征水文年,是研究該河有關水資源、水環(huán)境以及整個流域的生態(tài)氣候環(huán)境所必需的基礎工作.對長江鹽水入侵的研究,我國老一輩科學家已經(jīng)做了大量的工作,但隨著長江三峽水利工程、南水北調等大型水利工程的興建,以及長江沿岸和長三角經(jīng)濟發(fā)展區(qū)淡水資源的需求快速增長,長江入海流量對長江河口鹽水入侵影響的權重越來越重要.采用傳統(tǒng)的研究方法對特征水文年的劃分,具有可靠性,但是計算技術的飛速發(fā)展以及計算機圖形技術和高級編程語言的發(fā)展,為現(xiàn)代自然科學的研究提供了新手段、新思維和新方法.本文在長江50多年來大通水文站月平均入海流量數(shù)據(jù)的基礎上,根據(jù)南京水利科學研究院韓乃斌、朱元生等老先生的研究結論,參照華東師大河口海岸研究所沈煥庭等的研究結果,制訂了研究長江河口鹽水入侵的水文特征年的劃分標準;劃分了用于長江河口鹽水入侵研究參考的四種特征水文年:枯季特枯水年、枯季枯水年、枯季平水年和枯季豐水年;并計算出長江50多年來流量系列的入海流量特征值.這些結果對長江河口鹽水入侵的研究具有一定的參考價值.同時在傳統(tǒng)的特征水文年劃分方法的基礎上,引入了計算機高級編程語言Matlab中的一些功能函數(shù),即采用Matlab數(shù)值計算高級語言中的曲線擬合函數(shù),對傳統(tǒng)適線法的頻率累積曲線的繪制方法進行了改進,簡化了特征水文年劃分的步驟,減少了計算的工作量,