李厚永

(長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局， 湖南 益陽 413000)

淺析中美水文測驗方式方法差異與創(chuàng)新

李厚永

(長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局， 湖南 益陽 413000)

介紹了美國地質調查局水文測驗的方式方法，并與我國目前采用的測驗手段進行了比較分析，指出兩國在水文領域存在的差異之處。通過比較表明，長江水文通過水文測驗方式方法技術創(chuàng)新，在技術層面上已經處于世界領先, 不過美國水文的務實理念仍然值得學習和借鑒。

水文測驗；技術創(chuàng)新；比較分析；美國USGS

1 概 述

為學習借鑒美國水文同行在水文測驗方式方法方面的經驗，從2009年開始，長江水利委員會水文局先后分批組團選派內外業(yè)技術骨干赴美開展考察交流活動，對美國地質調查局(USGS)總部、其所屬的密蘇里州和路易斯安那州水科學中心進行了參觀訪問，包括對路易斯安那州水科學中心所屬的3個水文站和美國陸軍工程師團新奧爾良區(qū)1個測驗斷面進行的野外實地考察，現(xiàn)場觀摩USGS工作人員收集水文資料操作過程。經過18 d的技術交流，不僅對美國地質調查局的水文站網布置、測驗設備設施、測驗方式方法、水文數據信息采集、水位流量關系定線整編、國家水信息系統(tǒng)數據庫運行管理和水文管理體制有了較為詳細了解，且對從信息采集、數據分析、資料整理到信息發(fā)布的水文測驗全流程有了具體了解，認識到兩國水文在測驗方式、水位流量關系定線、資料整編和產品發(fā)布等方面存在差異。長江水文通過多年的水文測驗方式方法技術創(chuàng)新，儀器設備更新改造換代，在技術層面，我國水文已經處于世界領先，但美國水文的務實理念仍然值得學習和借鑒。

2 水文巡測方式上的差異

2.1 水位測驗方式

根據美國方面的介紹和在水文測站現(xiàn)場考察的情況，美國水文站點沒有明顯的基本設施標志，如水文站房、儀器房、斷面標、輻射桿、水尺樁、水位自記臺和水文測船碼頭等。所到的4個水文站中，有3個站點的水位自記儀安放在橋梁上，1個安放在軍港碼頭平臺承重柱上，水準點標志鑲嵌在橋面或碼頭平臺上，均采用氣泡式水位記錄儀。現(xiàn)場校核水位方法簡易，用重錘測量繩從橋面放下，當錘頭接觸水面時，繩中的雙導線觸水導通在橋面的儀表燈發(fā)亮，USGS工作人員讀取數據，記錄值要精確到英尺單位小數點后3位。然而，從專業(yè)的角度講,這種測量方式實際上達不到所記錄的精度。

2.2 流量和含沙量測驗方式

水文測量船一般長7～9 m，有多種材質，以鈦合金材質為主，測船安放在拖車架上，平時停放在水科學中心陸地倉庫里，外出巡測時用皮卡車運輸幾十至幾百千米到達水文站，每個站都建有拖車入水碼頭。一次出巡往往沿途聯(lián)測多個測站的水文測驗項目,有的水科學中心備有房車，可為工作人員提供生活上的便利與保障，測船舾裝部分十分簡陋，只有駕駛室能容納2～4人的活動空間，一組車船派2～3名工作人員，就可完成開車、駕船、測流與含沙量取水樣等測驗項目，工作效率較高。

流量測驗采用ADCP，以小型快艇為載體，在斷面線上往返測4個單邊取其平均值，主要獲取流量數據，數據后處理也較簡單，至岸邊水平距離用普通視距儀直接讀取。測船上安裝取水樣小型電動絞關設備，用電瓶供電帶動。取水樣時測船不拋錨定位，用皮囊式垂線混合法采樣，所取水樣容量達不到要求時重新取樣，取1條垂線水樣經常要反復多次，其效率欠佳，泥沙顆粒分析設備和分析方法也并非最先進。

2.3 巡測方式差異

我國水位和降水資料的獲取方式已由傳統(tǒng)的人工觀測向儀器化、自動化轉變,基本上實現(xiàn)了自動記錄、自動傳輸和自動報汛；流量測驗基本上以ADCP為主,轉子式流速儀也在繼續(xù)使用[1]；測流載體采用纜道、大型鐵制船和小型快艇；中美兩國均采用傳統(tǒng)方式測驗含沙量,尚無先進儀器設備能在現(xiàn)場直接獲取含沙量數據，在水文測站的基本資料收集方式方法上，兩國存在的差異正在縮小，但在巡測方式上仍存在差別。美國是以州水科學中心為基地輻射管轄區(qū)域所有水文測站，全部實行巡測。而我國(以長江水文為例)以基層分局為基地，采用巡測優(yōu)先、駐巡結合、測報自動、應急補充的巡測方式，其優(yōu)勢在于巡測區(qū)域范圍小交通快捷應急迅速；既能保證水文測驗資料的時效性和成果質量的高精度，又能滿足最嚴格水資源管理、中小河流治理對水文測驗信息的大量需求，自然災害頻繁發(fā)生時，方便就近快速投入水文測驗應急搶險[2]。

3 水位流量關系定線方法差異

3.1 美國水位流量關系定線與推流方法

美國USGS采用水位流量關系法,用水位推算時段流量(或稱相應流量),關系曲線一般采用歷年綜合線，用當年實測點檢驗歷年綜合線，只有當年測點明顯偏離歷年綜合線±8%時，才對歷年綜合線進行修線,一個測站每年的流量實測點約4～12個,絕大多數測站采用水位實測流量單一線法。計量單位采用英尺，由于英尺的絕對值數據比米制單位大，英尺制流量數據比米制流量數據大35.31倍。水位流量關系圖標尺采用的是雙對數，關系曲線大多是折線，定線極為方便。美國對水位流量關系線的相關程度沒有嚴格的檢驗標準，這是因為每年的實測點非常少。我國常采用標準差、系統(tǒng)誤差和隨機不確定度等檢驗方法。

3.2 定線與推流方法比較

就長江水文而言,用水位流量關系推算流量的方法有：連時序法、實測單一線法、水工建筑法、單值化數學模型等，使用實測單一線法的主要在河流上游測站，使用水工建筑法的主要在庫區(qū)，在河流中下游的測站主要采用連時序法。

為了研究美國USGS采用雙對數比例作水位流量關系曲線圖的精度，選擇了沙頭水文站2009年實測資料，用單值化處理后的測點，按雙對數格式點繪水位流量關系線，得到的結果是折線線型(見圖1)。

圖1 美國處理沙頭站2009年水位流量關系線界面

由圖1可見，如果測點不進行單值化處理，按英制雙對數格式定線，其測點散亂而不集合成帶狀，推算的時段流量與按單值化方案推算的流量相去甚遠。用雙對數作水位流量關系線圖，人工繪線非常方便，連成折線既可，無需對曲線進行檢驗等工序。我國點繪的關系線是拋物線型，用人工定線往往比較困難，既要考慮曲線曲率逐步遞增又要考慮測點兩側均勻分布，還要通過3種檢驗、標準差、系統(tǒng)誤差和隨機不確定度等技術指標檢驗，各項指標合格才算曲線定線合理,要經過反復多次才能成功。

雙對數圖的優(yōu)點是流量測點偏離曲線的相對誤差比例是一致的，從低水位到高水位測點沿曲線兩側平行分布，從圖1可判別出測點的相對誤差，克服了米制式水位流量關系線從低水到高水測點呈喇叭形分布、測點相對誤差從圖上不能得到直觀反映的缺點。由此可見，雙對數圖既不有助于減少流量測次也不能提高定線精度，只是為了彌補英尺制式造成流量絕對值數量級太大而采用的一種方法而已，在我國采用米制式繪圖的情況下并不適用。

4 水文產品發(fā)布方式差異

4.1 水文產品的公益性

美國的水文產品屬全社會共享資源，供國民免費查詢使用，所有水文產品均采用實時上網發(fā)布的形式向社會公開，讓民眾及時了解水文信息。水位和降水用儀器實記，流量采用水位推算，實時上網發(fā)布，每個數據的后面都會標注數據值出現(xiàn)的頻率，人們可據此情況加以關注。根據美國USGS介紹，他們沒有每年集中整編這個環(huán)節(jié)，平時實時發(fā)布的數據就是正式成果，手寫資料用掃描件保存，基本上實行了無紙化辦公。我國的水文產品經歷了從過去的保密、無償提供和有償服務幾個階段，到現(xiàn)在的水文信息全公開，成為全社會共享資源，與國際接軌，真正地體現(xiàn)了水文產品的公益性。

4.2 資料整編與自動報汛整合方式

自長江水文2015年實現(xiàn)118站自動報汛之后，全國水文系統(tǒng)己全部實行了自動報汛。而水文資料卻形成了日常自動報汛資料與年度整編資料兩個版本，從廣義上講兩個版本資料是一樣的，但從狹義上講是不一致的兩套資料。造成差異的原因是自動報汛資料與年度整編資料的實時相應流量推算方法不同，如用單一線法和單值化數學模型方法推算的，是根據前一年的水位流量關系線或歷年綜合線推算得之，年度整編的時段流量是根據當年確定的水位流量關系曲線求得，兩者雖存在差異但其相對誤差并不大。然而，用連時序法推算實時相應流量的兩種資料存在較大誤差，這因為年度整編資料是事后通過合理定線、鄰站對照、下上游水沙量平衡、合理性分析、資料審查和資料復審之后得到的成果，而自動報汛資料是工作人員憑個人經驗根據事前流量實測點的趨勢估算得出。水文資料主要有兩大用途：①實時報汛、為各級政府及相關部門做防洪抗旱決策之用；②收集歷史系列資料為國民經濟建設服務，為工程建設部門提供設計依據。我國水文站一般按一、二、三類基本站和專用站劃分，不同類別的測站對資料的收集手段與年度整編方式上沒有區(qū)別，有了自動報汛資料之后，應對測站資料性質進行分類，如重點站保存整編資料，一般站保存自動報汛資料。對水位、降水實行全程和全年儀器記錄存儲，兩套資料沒有差別，關鍵是對兩套流量資料進行整合，用連時序法推算實時相應流量報汛的測站，可滯后一個時段按時序對流量實測點進行修線整編，每實測一個流量測點,就對之前的繩套線進行繪制整編，實時修正報汛數據，這樣既確保了報汛的時效性又保證了水文資料的準確性。對于單一線法、單值化數學模型、水工建筑物推流方法的自動報汛資料可直接作為歷史資料保存。比較中美兩國水文資料發(fā)現(xiàn)，美國的水文產品是概算值，而我國的水文產品是精算值。美國的水文產品已經能滿足國家需求，我國則需要考慮是否有必要所有測站按同一標準收集高精度產品。應盡快修訂水文規(guī)范，制定出資料整編與自動報汛兩套資料的整合方法。

5 長江水文測驗方式方法創(chuàng)新

5.1 水文測驗方式

美國水文的測驗方式方法適應國家人口密度低的特點。如密西西比河流域的某蓄洪區(qū)無永久性的居民生活硬件設施，其功能明顯就是高洪期蓄洪削峰，非淹沒期兼種農作物,農耕收割靠機械化作業(yè)，實際上防洪壓力不大，這給水文測驗在流量、含沙量測點布控上帶來了極大的靈活性，可以布控極少的流量測點以點帶面檢驗歷年綜合線，用歷年綜合線推算出實時相應流量，注重對時段總量的概算，可忽略對洪水過程的控制。我國蓄洪垸常駐人口少則幾萬多則幾十萬，即使在超歷史特大洪水面前也不可隨意棄垸蓄洪，事關垸內人民群眾生命財產安全。因此，我國水文必須注重對洪峰過程、水位流量變化過程的控制，以滿足水情預報的需要。

5.2 長江水文基層分局巡測方式

長江水文通過水文測驗方式方法創(chuàng)新，從固守測站到實行巡測，基本上實行巡測優(yōu)先、駐巡結合、測報自動、應急補充的管理模式。以長江水文中游局益陽分局為例，管轄12個水文站和11個水位站，已全部實行了巡測，設4 個測驗小組，每組由2名職工承擔3～4個水文站和多個水位站的外業(yè)測驗和兼顧內業(yè)資料處理。仿美國式的“長江水文7號”小型測量快艇已投產多年，操作靈活、使用方便、快捷安全、低耗高效，一艘船可同時完成多個水文站的流量、含沙量測驗任務。仿美設計的直流式取沙絞關設備，其產品已優(yōu)于美國同類產品。水文測量船也仿照美國方式上岸停泊陸地船屋，結束了船員晝夜24 h固守測船的歷史，過去一艘大型鐵制測量船固守一個水文站,現(xiàn)在一艘小型快艇配2名工作人員就可巡測5個以上水文站的流量、含沙量測驗項目，同時還可完成對多個水位、降水站的管理，成功地將美國先進的管理理念運用于水文測驗實際工作中。

5.3 水位流量關系單值化數學模型

隨著長江水文測驗方式方法技術創(chuàng)新力度的加大，按連時序法測驗的測站大多實現(xiàn)了單值化。水位流量關系單值化數學模型的理論依據來源于曼寧公式，通過不斷探索與創(chuàng)新，已發(fā)展到現(xiàn)在水位流量關系單值化數學模型。用曼寧公式推導出“落差指數法”，用于受變動回水影響受漲落影響的測站。落差指數法基本公式為

(1)

式中，Q為校正流量；Qm為實測流量；Zm為落差；β為落差指數。

通過上式就可以將Z-Q非單值化相關關系轉化成單值化相關關系，但僅限于單一河道的水文測站。對于非單一河道，同時用n個落差組成綜合落差，可歸納為一種通用標準數學模型

計算校正流量：

(2)

(3)

(4)

推算時段流量：

(5)

式中，Zm為綜合落差；Zm1,Zm2,…,Zmn為各站輔助落差；Km1,Km1,…,Kmn為各站輔助落差權重系數；B為綜合落差改正值；K2為綜合落差改正值；Z0為基本站水位；Z1,Z2,…,Zn為各輔助站水位；b1,b2,…,bn為落差站凍黃差；對于順逆流站引入K1參數的概念，K1為順逆流改正系數；q為時段流量(相應流量或稱實時流量)；Qc為水位校正流量關系線上流量值。

在上述數學模型中，共有n+3個待定參數：K1,K2,β,Km1,Km2,…,Kmn，通過歷史資料用水位流量關系數學模型處理系統(tǒng)分析計算求到。筆者長期從事水位流量關系單值化數學模型的分析研究，研發(fā)了計算機軟件《水位流量關系數學模型處理系統(tǒng)》，并取得國家計算機軟件著作權，使單值化數學模型處理過程中的分析計算、繪圖、曲線公式擬合和誤差檢驗等實現(xiàn)計算機智能化，提高了單值化數學模型的分析工作效率。利用《水位流量關系數學模型處理系統(tǒng)》先后完成長江中下游和洞庭湖區(qū)的漢口、小河咀等十多個重點水文站的水位流量關系數學模型處理分析工作，確定各站的水位流量關系數學模型方案，上報長江水利委員會水文局批準投產，為水文巡測和自動報汛發(fā)揮了積極作用并取得社會效益。

采用單值化數學模型，多數站只需增加一個水位站就能滿足準確推算時段流量的要求，投入的運行成本極低，而一個測站的流量測驗可由年測100～300次大幅減少到15～30次，對于河床和區(qū)域河道特性穩(wěn)定的測站，也可以采用歷年綜合線推算當年流量，每年只需4～12個測點檢驗歷年綜合線。只增加了一組水尺或多組水尺，得到的流量成果既有過程控制滿足洪水預報的要求，又能大幅度減少測次，節(jié)省運行成本，值得推廣使用。

5.4 流量輸沙異步測驗技術

流量輸沙異步測驗技術是指在輸沙測驗時無需同步施測流量，只在取樣垂線取樣，以取樣垂線間的部分含沙量，直接計算斷面平均含沙量的方法。該方法將各取樣垂線間的部分流量與全斷面流量的比值定義為部分流量權重系數，并分別以k0,k1,k2,…,kn表示，S0,S1,S2,…,Sn分別代表取樣垂線間的n+1個部分平均含沙量，則

(6)

式中,S0,S1,…,Sn可以根據每次取樣分析所得的垂線平均含沙量計算。k0,k1,k2,…,knm則根據歷史流量資料求得，再與水位建立函數關系，k=f(Z)，Z為水位要素。

用最小二乘法將關系點(k、Z)擬合成曲線公式：

k=a0+a1Z+a2Z2+…+anZn

(7)

式中，系數a0，a1，…，an可以根據歷史實測資料系列采用最小二乘法求解,同樣方法可以得到m組部分流量權重曲線公式:

式中，S0，S1，S2，…，Sn分別為取樣垂線間的部分平均含沙量；k0，k1，k2，…，kn分別為取樣垂線間的部分流量權重系數；Cs為斷面平均含沙量；m-1為取沙垂線數，建立水位與部分流量權重系數關系數學模型后，按式(6)計算斷面平均含沙量。

益陽分局所有測站均實現(xiàn)了輸沙率與流量異步施測方式，這項含沙量測驗方式創(chuàng)新技術現(xiàn)已得到廣泛應用。

6 結 語

美國采用的測驗方式實用性強、成本極低、效益高，不完全適用于我國水文測驗實際情況，但以點帶面的思維方式和低能高效的運行模式可供我國實際工作參考借鑒。

[1] 李厚永.用水位部分流量權重推求斷面平均含沙量探討[J].人民長江,1995,26(2).

[2] 李厚永,張潮,吳瓊.水位流量關系單值化分析綜合模型研究及應用[J].水文,2011,31(S1).

2017-03-31

李厚永，男，長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局益陽分局局長,高級工程師.

1006-0081(2017)06-0003-04

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