浅析中美水文测验方式方法差异与创新

2017-07-24李厚永

水利水电快报 2017年6期

关键词：单值水文测验测站

李厚永

(长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，湖南益阳 413000)

浅析中美水文测验方式方法差异与创新

李厚永

(长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，湖南益阳 413000)

介绍了美国地质调查局水文测验的方式方法，并与我国目前采用的测验手段进行了比较分析，指出两国在水文领域存在的差异之处。通过比较表明，长江水文通过水文测验方式方法技术创新，在技术层面上已经处于世界领先, 不过美国水文的务实理念仍然值得学习和借鉴。

水文测验；技术创新；比较分析；美国USGS

1 概述

为学习借鉴美国水文同行在水文测验方式方法方面的经验，从2009年开始，长江水利委员会水文局先后分批组团选派内外业技术骨干赴美开展考察交流活动，对美国地质调查局(USGS)总部、其所属的密苏里州和路易斯安那州水科学中心进行了参观访问，包括对路易斯安那州水科学中心所属的3个水文站和美国陆军工程师团新奥尔良区1个测验断面进行的野外实地考察，现场观摩USGS工作人员收集水文资料操作过程。经过18 d的技术交流，不仅对美国地质调查局的水文站网布置、测验设备设施、测验方式方法、水文数据信息采集、水位流量关系定线整编、国家水信息系统数据库运行管理和水文管理体制有了较为详细了解，且对从信息采集、数据分析、资料整理到信息发布的水文测验全流程有了具体了解，认识到两国水文在测验方式、水位流量关系定线、资料整编和产品发布等方面存在差异。长江水文通过多年的水文测验方式方法技术创新，仪器设备更新改造换代，在技术层面，我国水文已经处于世界领先，但美国水文的务实理念仍然值得学习和借鉴。

2 水文巡测方式上的差异

2.1 水位测验方式

根据美国方面的介绍和在水文测站现场考察的情况，美国水文站点没有明显的基本设施标志，如水文站房、仪器房、断面标、辐射杆、水尺桩、水位自记台和水文测船码头等。所到的4个水文站中，有3个站点的水位自记仪安放在桥梁上，1个安放在军港码头平台承重柱上，水准点标志镶嵌在桥面或码头平台上，均采用气泡式水位记录仪。现场校核水位方法简易，用重锤测量绳从桥面放下，当锤头接触水面时，绳中的双导线触水导通在桥面的仪表灯发亮，USGS工作人员读取数据，记录值要精确到英尺单位小数点后3位。然而，从专业的角度讲,这种测量方式实际上达不到所记录的精度。

2.2 流量和含沙量测验方式

水文测量船一般长7～9 m，有多种材质，以钛合金材质为主，测船安放在拖车架上，平时停放在水科学中心陆地仓库里，外出巡测时用皮卡车运输几十至几百千米到达水文站，每个站都建有拖车入水码头。一次出巡往往沿途联测多个测站的水文测验项目,有的水科学中心备有房车，可为工作人员提供生活上的便利与保障，测船舾装部分十分简陋，只有驾驶室能容纳2～4人的活动空间，一组车船派2～3名工作人员，就可完成开车、驾船、测流与含沙量取水样等测验项目，工作效率较高。

流量测验采用ADCP，以小型快艇为载体，在断面线上往返测4个单边取其平均值，主要获取流量数据，数据后处理也较简单，至岸边水平距离用普通视距仪直接读取。测船上安装取水样小型电动绞关设备，用电瓶供电带动。取水样时测船不抛锚定位，用皮囊式垂线混合法采样，所取水样容量达不到要求时重新取样，取1条垂线水样经常要反复多次，其效率欠佳，泥沙颗粒分析设备和分析方法也并非最先进。

2.3 巡测方式差异

我国水位和降水资料的获取方式已由传统的人工观测向仪器化、自动化转变,基本上实现了自动记录、自动传输和自动报汛；流量测验基本上以ADCP为主,转子式流速仪也在继续使用[1]；测流载体采用缆道、大型铁制船和小型快艇；中美两国均采用传统方式测验含沙量,尚无先进仪器设备能在现场直接获取含沙量数据，在水文测站的基本资料收集方式方法上，两国存在的差异正在缩小，但在巡测方式上仍存在差别。美国是以州水科学中心为基地辐射管辖区域所有水文测站，全部实行巡测。而我国(以长江水文为例)以基层分局为基地，采用巡测优先、驻巡结合、测报自动、应急补充的巡测方式，其优势在于巡测区域范围小交通快捷应急迅速；既能保证水文测验资料的时效性和成果质量的高精度，又能满足最严格水资源管理、中小河流治理对水文测验信息的大量需求，自然灾害频繁发生时，方便就近快速投入水文测验应急抢险[2]。

3 水位流量关系定线方法差异

3.1 美国水位流量关系定线与推流方法

美国USGS采用水位流量关系法,用水位推算时段流量(或称相应流量),关系曲线一般采用历年综合线，用当年实测点检验历年综合线，只有当年测点明显偏离历年综合线±8%时，才对历年综合线进行修线,一个测站每年的流量实测点约4～12个,绝大多数测站采用水位实测流量单一线法。计量单位采用英尺，由于英尺的绝对值数据比米制单位大，英尺制流量数据比米制流量数据大35.31倍。水位流量关系图标尺采用的是双对数，关系曲线大多是折线，定线极为方便。美国对水位流量关系线的相关程度没有严格的检验标准，这是因为每年的实测点非常少。我国常采用标准差、系统误差和随机不确定度等检验方法。

3.2 定线与推流方法比较

就长江水文而言,用水位流量关系推算流量的方法有：连时序法、实测单一线法、水工建筑法、单值化数学模型等，使用实测单一线法的主要在河流上游测站，使用水工建筑法的主要在库区，在河流中下游的测站主要采用连时序法。

为了研究美国USGS采用双对数比例作水位流量关系曲线图的精度，选择了沙头水文站2009年实测资料，用单值化处理后的测点，按双对数格式点绘水位流量关系线，得到的结果是折线线型(见图1)。

图1 美国处理沙头站2009年水位流量关系线界面

由图1可见，如果测点不进行单值化处理，按英制双对数格式定线，其测点散乱而不集合成带状，推算的时段流量与按单值化方案推算的流量相去甚远。用双对数作水位流量关系线图，人工绘线非常方便，连成折线既可，无需对曲线进行检验等工序。我国点绘的关系线是抛物线型，用人工定线往往比较困难，既要考虑曲线曲率逐步递增又要考虑测点两侧均匀分布，还要通过3种检验、标准差、系统误差和随机不确定度等技术指标检验，各项指标合格才算曲线定线合理,要经过反复多次才能成功。

双对数图的优点是流量测点偏离曲线的相对误差比例是一致的，从低水位到高水位测点沿曲线两侧平行分布，从图1可判别出测点的相对误差，克服了米制式水位流量关系线从低水到高水测点呈喇叭形分布、测点相对误差从图上不能得到直观反映的缺点。由此可见，双对数图既不有助于减少流量测次也不能提高定线精度，只是为了弥补英尺制式造成流量绝对值数量级太大而采用的一种方法而已，在我国采用米制式绘图的情况下并不适用。

4 水文产品发布方式差异

4.1 水文产品的公益性

美国的水文产品属全社会共享资源，供国民免费查询使用，所有水文产品均采用实时上网发布的形式向社会公开，让民众及时了解水文信息。水位和降水用仪器实记，流量采用水位推算，实时上网发布，每个数据的后面都会标注数据值出现的频率，人们可据此情况加以关注。根据美国USGS介绍，他们没有每年集中整编这个环节，平时实时发布的数据就是正式成果，手写资料用扫描件保存，基本上实行了无纸化办公。我国的水文产品经历了从过去的保密、无偿提供和有偿服务几个阶段，到现在的水文信息全公开，成为全社会共享资源，与国际接轨，真正地体现了水文产品的公益性。

4.2 资料整编与自动报汛整合方式

自长江水文2015年实现118站自动报汛之后，全国水文系统己全部实行了自动报汛。而水文资料却形成了日常自动报汛资料与年度整编资料两个版本，从广义上讲两个版本资料是一样的，但从狭义上讲是不一致的两套资料。造成差异的原因是自动报汛资料与年度整编资料的实时相应流量推算方法不同，如用单一线法和单值化数学模型方法推算的，是根据前一年的水位流量关系线或历年综合线推算得之，年度整编的时段流量是根据当年确定的水位流量关系曲线求得，两者虽存在差异但其相对误差并不大。然而，用连时序法推算实时相应流量的两种资料存在较大误差，这因为年度整编资料是事后通过合理定线、邻站对照、下上游水沙量平衡、合理性分析、资料审查和资料复审之后得到的成果，而自动报汛资料是工作人员凭个人经验根据事前流量实测点的趋势估算得出。水文资料主要有两大用途：①实时报汛、为各级政府及相关部门做防洪抗旱决策之用；②收集历史系列资料为国民经济建设服务，为工程建设部门提供设计依据。我国水文站一般按一、二、三类基本站和专用站划分，不同类别的测站对资料的收集手段与年度整编方式上没有区别，有了自动报汛资料之后，应对测站资料性质进行分类，如重点站保存整编资料，一般站保存自动报汛资料。对水位、降水实行全程和全年仪器记录存储，两套资料没有差别，关键是对两套流量资料进行整合，用连时序法推算实时相应流量报汛的测站，可滞后一个时段按时序对流量实测点进行修线整编，每实测一个流量测点,就对之前的绳套线进行绘制整编，实时修正报汛数据，这样既确保了报汛的时效性又保证了水文资料的准确性。对于单一线法、单值化数学模型、水工建筑物推流方法的自动报汛资料可直接作为历史资料保存。比较中美两国水文资料发现，美国的水文产品是概算值，而我国的水文产品是精算值。美国的水文产品已经能满足国家需求，我国则需要考虑是否有必要所有测站按同一标准收集高精度产品。应尽快修订水文规范，制定出资料整编与自动报汛两套资料的整合方法。

5 长江水文测验方式方法创新

5.1 水文测验方式

美国水文的测验方式方法适应国家人口密度低的特点。如密西西比河流域的某蓄洪区无永久性的居民生活硬件设施，其功能明显就是高洪期蓄洪削峰，非淹没期兼种农作物,农耕收割靠机械化作业，实际上防洪压力不大，这给水文测验在流量、含沙量测点布控上带来了极大的灵活性，可以布控极少的流量测点以点带面检验历年综合线，用历年综合线推算出实时相应流量，注重对时段总量的概算，可忽略对洪水过程的控制。我国蓄洪垸常驻人口少则几万多则几十万，即使在超历史特大洪水面前也不可随意弃垸蓄洪，事关垸内人民群众生命财产安全。因此，我国水文必须注重对洪峰过程、水位流量变化过程的控制，以满足水情预报的需要。

5.2 长江水文基层分局巡测方式

长江水文通过水文测验方式方法创新，从固守测站到实行巡测，基本上实行巡测优先、驻巡结合、测报自动、应急补充的管理模式。以长江水文中游局益阳分局为例，管辖12个水文站和11个水位站，已全部实行了巡测，设4 个测验小组，每组由2名职工承担3～4个水文站和多个水位站的外业测验和兼顾内业资料处理。仿美国式的“长江水文7号”小型测量快艇已投产多年，操作灵活、使用方便、快捷安全、低耗高效，一艘船可同时完成多个水文站的流量、含沙量测验任务。仿美设计的直流式取沙绞关设备，其产品已优于美国同类产品。水文测量船也仿照美国方式上岸停泊陆地船屋，结束了船员昼夜24 h固守测船的历史，过去一艘大型铁制测量船固守一个水文站,现在一艘小型快艇配2名工作人员就可巡测5个以上水文站的流量、含沙量测验项目，同时还可完成对多个水位、降水站的管理，成功地将美国先进的管理理念运用于水文测验实际工作中。

5.3 水位流量关系单值化数学模型

随着长江水文测验方式方法技术创新力度的加大，按连时序法测验的测站大多实现了单值化。水位流量关系单值化数学模型的理论依据来源于曼宁公式，通过不断探索与创新，已发展到现在水位流量关系单值化数学模型。用曼宁公式推导出“落差指数法”，用于受变动回水影响受涨落影响的测站。落差指数法基本公式为

(1)

式中，Q为校正流量；Qm为实测流量；Zm为落差；β为落差指数。

通过上式就可以将Z-Q非单值化相关关系转化成单值化相关关系，但仅限于单一河道的水文测站。对于非单一河道，同时用n个落差组成综合落差，可归纳为一种通用标准数学模型

计算校正流量：

(2)

(3)

(4)

推算时段流量：

(5)

式中，Zm为综合落差；Zm1,Zm2,…,Zmn为各站辅助落差；Km1,Km1,…,Kmn为各站辅助落差权重系数；B为综合落差改正值；K2为综合落差改正值；Z0为基本站水位；Z1,Z2,…,Zn为各辅助站水位；b1,b2,…,bn为落差站冻黄差；对于顺逆流站引入K1参数的概念，K1为顺逆流改正系数；q为时段流量(相应流量或称实时流量)；Qc为水位校正流量关系线上流量值。

在上述数学模型中，共有n+3个待定参数：K1,K2,β,Km1,Km2,…,Kmn，通过历史资料用水位流量关系数学模型处理系统分析计算求到。笔者长期从事水位流量关系单值化数学模型的分析研究，研发了计算机软件《水位流量关系数学模型处理系统》，并取得国家计算机软件著作权，使单值化数学模型处理过程中的分析计算、绘图、曲线公式拟合和误差检验等实现计算机智能化，提高了单值化数学模型的分析工作效率。利用《水位流量关系数学模型处理系统》先后完成长江中下游和洞庭湖区的汉口、小河咀等十多个重点水文站的水位流量关系数学模型处理分析工作，确定各站的水位流量关系数学模型方案，上报长江水利委员会水文局批准投产，为水文巡测和自动报汛发挥了积极作用并取得社会效益。

采用单值化数学模型，多数站只需增加一个水位站就能满足准确推算时段流量的要求，投入的运行成本极低，而一个测站的流量测验可由年测100～300次大幅减少到15～30次，对于河床和区域河道特性稳定的测站，也可以采用历年综合线推算当年流量，每年只需4～12个测点检验历年综合线。只增加了一组水尺或多组水尺，得到的流量成果既有过程控制满足洪水预报的要求，又能大幅度减少测次，节省运行成本，值得推广使用。

5.4 流量输沙异步测验技术

流量输沙异步测验技术是指在输沙测验时无需同步施测流量，只在取样垂线取样，以取样垂线间的部分含沙量，直接计算断面平均含沙量的方法。该方法将各取样垂线间的部分流量与全断面流量的比值定义为部分流量权重系数，并分别以k0,k1,k2,…,kn表示，S0,S1,S2,…,Sn分别代表取样垂线间的n+1个部分平均含沙量，则

(6)

式中,S0,S1,…,Sn可以根据每次取样分析所得的垂线平均含沙量计算。k0,k1,k2,…,knm则根据历史流量资料求得，再与水位建立函数关系，k=f(Z)，Z为水位要素。

用最小二乘法将关系点(k、Z)拟合成曲线公式：

k=a0+a1Z+a2Z2+…+anZn

(7)

式中，系数a0，a1，…，an可以根据历史实测资料系列采用最小二乘法求解,同样方法可以得到m组部分流量权重曲线公式: