基于三元均衡模式的河流流量测次布局理论与方法

文宏展，张建洪

（广西壮族自治区水文中心，南宁 530023）

1 传统河流流量测次布局方法、面临的挑战及存在的问题

1.1 传统布局方法

河流流量测次布局是根据水文站定线推流需求和水情变化情况进行实测流量次数布局和实测的过程，是分析水位流量关系和研究水的运动变化规律的重要基础工作。传统的河流流量测次布局方法是基于驻测方式基础上提出的。一般情况下，水文站一年中的流量次数，根据高、中、低各级水位的水流特性，测站控制条件、测验精度，定线推流要求等综合确定，要求能够准确掌握各个时期的水情变化、合理控制各级水位和水情变化过程转折点[1]。

1.2 面临的挑战

河流流量信息是支撑水旱灾害防御、水资源管理、水生态保护等工作的重要基础信息之一。随着经济社会的发展，对河流流量信息的及时性和准确性需求日益增强。县域是水文服务的基本单元，现代环境条件下如何对县域内多条河流、多个水文站的流量测次进行合理布局，面临着新挑战。

（1）流量监测站网扩大带来多站点流量测次布局的新挑战。传统的流量测次布局，往往只需要考虑单个水文站。随着流量监测站网的不断扩大，县域水文机构的流量测次布局，需要统筹考虑人、财、物等资源，进行县域内多条河流、多个水文站，尤其是洪水期流量测次的合理布局。

（2）流量监测方式转变带来适量流量测次布局的新挑战。传统的流量监测方式是以驻测为主、巡测为辅。目前，由于流量监测站网扩大和基层水文测验人员不足，流量测验方式已转变为以巡测为主、驻测为辅。单个水文站的流量测次布局，难以按传统驻测方式进行，需要考虑人力、时间、交通等因素，确定合适的测次数量。

（3）水量评价时效性需求带来适时流量测次布局的新挑战。传统的流量监测，主要为流量资料整编服务，时效性要求不高。而新时期的水旱灾害防御、水资源管理、水生态保护等工作，需要以实时或者旬、月为时间节点的水量评价成果服务，时效性要求较高。因此，水文站的流量测次布局需要统筹考虑提供水量评价时效性服务的需要。

1.3 存在的问题

相对于现代环境下的河流流量测次布局需求，传统的河流流量测次布局方法主要存在以下三个方面的问题。

（1）难以定量布局流量测次。从布局依据看，传统河流流量测次布局方法重点考虑水文站的水流特性、控制条件、定线推流要求等，只能对流量测次进行定性把握；从布局要素看，重点考虑水情变化的转折点，缺乏定量的依据、要素与方法，无法对水文站的流量测次进行定量。

（2）难以事前布局流量测次。传统的河流流量测次布局，主要依据水文站水情变化进行确定，是一个渐次明朗的过程，无法在年初给出明晰的布局。流量测次布局的合理性，多为次年进行的事后分析，难以实现事前控制。

（3）难以保障水量评价时效。传统的河流流量测次布局，主要服务于水文站定线推流，其流量资料整编往往在次年的整编阶段才能完成，无法满足以实时或旬、月为时间节点的流量资料整编和水量评价需求。

基于以上主要问题，迫切需要对传统的河流流量测次布局方法进行改进与创新，形成一套概念清晰的、可定量的、能够反映时间、水位和涨（落）水变化的流量测次布局方法。

2 基于三元均衡模式的河流流量测次布局理论与方法

2.1 三元均衡模式的河流流量测次布局理论

河流径流是水文循环的一个重要环节，具有以年为周期的周期性变化规律和随机性规律[2]。南方的河流径流属于雨源型，洪水期随着降雨量的增减而增减；非洪水期则为水利工程调度或者地下水补给；同时反复呈现出涨（落）水过程，从而在一年内的时间、水位和涨（落）水上呈现相对有规律的变化过程。因此，河流径流具有明显的时间、水位和涨（落）水变化的三元特性。

均衡是要素布局上等量的平衡。根据一般均衡理论[3]，各要素达到均衡状态时，可以实现整体最优和总体效益最大化。由于河流流量测次无法进行连续的布局，在一年内的时间、水位和涨（落）水变化上进行河流流量测次的均衡布局，是最具代表性的，也最能反映河流径流的变化过程。

在时间变化上，由于河床冲淤、变动回水等影响，水文站的水位流量关系具有不稳定性和非单一线，往往需要使用临时曲线法或者连时序法确定水位流量关系曲线[4]。因此，河流流量测次的布局需要在时间变化上分布均衡，以适应不同时段的定线推流需求。

在水位变化上，由于降雨或者水利水电工程调度的影响，造成河流径流水位反复涨（落），不同的水位有其相应的断面面积、流速、流量，需要确定相应的水位流量关系。因此，河流流量测次的布局需要在水位变化上分布均衡，以适应不同水位级的定线推流需求。

在涨（落）水变化上，由于水利水电工程调度和洪水的影响，涨水面与落水面具有不同的水文特性，低水期水位流量关系较为凌乱，中高水期水位流量关系多为复式绳套。因此，河流流量测次的布局需要在涨（落）水变化上分布均衡，以适应涨水面和落水面的定线推流需求。

2.2 三元均衡模式的河流流量测次布局方法

三元均衡模式的河流流量测次布局方法，就是以一年内的时间、水位和涨（落）水变化为基本要素，统筹考虑不同时间段、不同水位级和涨（落）水面进行流量测次均匀布设，并辅以涨（落）水历时、最大涨（落）率时间和水位变化情况进行合理调整的河流水文站流量测次布局方法。在时间上，划分为洪水期和非洪水期，每次洪水起涨点至止落点的时间段为洪水期，其余时间段为非洪水期；在水位上，划分为低水位级和中高水位级，中水位以上为中高水位级，其余为低水位级；在涨（落）水上，划分为涨水面和落水面，水位涨率大于零时为涨水面，小于零时为落水面。

（1）时间均衡布局。在非洪水期和低水位级，以时间变化为主、以水位变化为辅，统筹考虑涨（落）水变化情况，按适当时间间隔、水位变幅间隔和涨（落）水过程，均衡布局水文站的流量测次。

式中：N1为非洪水期和低水位级布局的流量测次数量，按“向上取整”方法取整数，次/a；T1为非洪水期和低水位级的天数，d/a；Δt1为非洪水期和低水位级计划布局流量测次的单个时间段天数，一般以30 d、20 d、10 d 为时间段，d；n为非洪水期和低水位级计划布局流量测次的时间段个数，单一线型时n=1，个；ΔHi为非洪水期和低水位级第i个时间段水位最大变幅，m；Δhi为非洪水期和低水位级第i个时间段的流量测次水位变幅间隔，m。

（2）水位均衡布局。在洪水期和中高水位级，以水位变化为主、以时间变化为辅，以历年最大水位变幅为控制，统筹考虑布局时段最大水位变幅预测值和涨（落）水过程，按适当洪水水位变幅间隔，均衡布局水文站的流量测次。

式中：N2为洪水期和中高水位级布局的流量测次数量，按“向上取整”方法取整数，次/a；T2为洪水期和中高水位级的天数，d/a；Δt2为洪水期和中高水位级计划布局流量测次的单个时间段天数，一般以单个洪水过程为时间段，d；m为洪水期和中高水位级发生洪水过程次数，单一线型时m=1，次/a；ΔHj为洪水期和中高水位级第j次洪水过程水位最大变幅，m。

（3）涨（落）水均衡布局。结合时间均衡和水位均衡布局，分别考虑涨水面和落水面的水位变化，以涨、峰、落、谷为重点，按适当水位变幅间隔，错落地均衡布局涨水面和落水面的流量测次。

（4）年总测次布局。河流水文站年内布局流量测次总数等于非洪水期（低水位级）、洪水期（中高水位级）与年初（末）布局的流量测次数量之和。年初、年末布局的流量测次数量各按1次计。

式中：N为河流水文站年内布局流量测次总数，次/a。

（5）流量测次水位计划。河流水文站各时段流量测次的具体水位级，可以某时段水位变幅预测值和流量测次布局数量为依据，参考以下公式确定，并依据时间和涨（落）率适当调整：

式中：Hk为某时段第k次流量测次布局的水位，m；Hmin为某时段预测的最低水位，m；Δh为某时段预测的水位涨幅，m；q为某时段布局的流量测次，次。

3 基于三元均衡模式的河流流量测次布局的探讨

从近年广西河流水文站流量测次布局情况看，平均50～70次/（站·a），最多为180次/（站·a），最少为30 次/（站·a），均满足流量测验精度和定线推流要求。但是，部分水文站的流量测次布局还有待进一步优化，以有效地降低基层水文职工劳动强度，提高河流流量测验工作效率。

某水文站近年流量测次布局为49～76次，2016年实测流量49次，水位变幅位于143.2～150.8 m 之间，按照三元均衡流量测次布局方法进行分析，确定按水位年变幅1 次/0.3 m、涨（落）水面均衡测次、至少1 次/月，均衡布局流量测次26 次，水位流量关系线“三性”比较分析情况如表1所示。

表1 某水文站流量测次布局效果比较分析表

以上比较分析表明，按照三元均衡法进行流量测次布局，在满足流量测验精度和定线推流要求情况下，某水文站流量测验工作量可减少47%，有效地提高了流量测验工作效率。

4 结语

（1）由于人类活动的影响和经济社会发展对水文信息需求的提升，大多数河流径流已经不是自然状态，客观上给流量测验带来了困难。本文提出的基于三元均衡模式的河流流量测次布局方法，较好地融合了河流径流在时间、水位和涨（落）水变化的特征，为实现河流流量测次精准定量提供了基础方法。

（2）实例证明，利用基于三元均衡模式的河流流量测次布局方法进行流量测验，可以在满足流量测验精度和定线推流要求情况下，提高流量测验工作效率，为现行水文站优化测次提供了技术支撑。

（3）虽然基于三元均衡模式的河流测次布局方法总体解决了流量测次定量高效的问题，但在应用上还需要结合水文站特性进行具体分析和细化。针对新建水文站的流量测次布局，可以参照相似流域水文站进行，并加强其自身特性分析与应用。