厄瓜多爾瓜亞斯流域水文綜合監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃研究

(1.長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010;2.長江水利委員會水文局 漢江水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441021)

1 研究背景

2012年6月，水利部長江水利委員會(CWRC)和厄瓜多爾水利部(SENAGUA)簽訂了編制厄瓜多爾全國流域綜合規(guī)劃的協(xié)議。該協(xié)議旨在提高厄瓜多爾水資源綜合利用效率，減輕或避免洪水和干旱等自然災(zāi)害，促進該國經(jīng)濟社會的可持續(xù)性發(fā)展，從而實現(xiàn) 2013～2017年《厄瓜多爾國家美好生活規(guī)劃》(《Plan Nacional del Buen Vivir》)中的各項目標。

水文站網(wǎng)規(guī)劃作為整體規(guī)劃的必要組成部分，對整體規(guī)劃起著重要的基礎(chǔ)支撐作用。目前，與水文及水文測驗有關(guān)的國際通用規(guī)范主要有世界氣象組織(WMO)的水文實踐指南[1]以及國際標準化組織(ISO)的TC113[2]。其中，WMO的水文實踐指南中只對站網(wǎng)容許最稀密度作出了相應(yīng)規(guī)定，未對如何布設(shè)站網(wǎng)作出指導(dǎo)性說明。而ISO-TC113發(fā)布的68項標準主要用于指導(dǎo)水文測驗及河段選取，沒有專門針對水文站網(wǎng)綜合布局方面的條款。在厄瓜多爾標準化研究所(INEN)的標準目錄中，也未查找到水文站網(wǎng)規(guī)劃方面的標準。

據(jù)此可知，無論是國際通用標準或是厄瓜多爾國家標準，均無法直接用于指導(dǎo)該國的水文站網(wǎng)規(guī)劃。我國在借鑒前蘇聯(lián)水文站網(wǎng)規(guī)劃方面經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合國情編制完成了《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》(SL34-2013)[3]。幾十年的運用經(jīng)驗表明，該導(dǎo)則參考性和指導(dǎo)性較好[4]。但由于兩國的政治經(jīng)濟、地形地貌以及水文氣象等差別巨大，如何將國際和我國的各類站網(wǎng)規(guī)劃標準和規(guī)范因地制宜地用于厄瓜多爾的水文站網(wǎng)規(guī)劃，有必要開展深入的分析研究工作。

2 流域概況

厄瓜多爾河流眾多，是世界上每平方公里河流分布最為密集的國家之一，南北走向的安第斯山脈縱貫厄瓜多爾中部，將該國分為西部沿海、中部山地和東部亞馬遜地區(qū)3個部分。其中西部沿海和中部山地為太平洋水系，主要有米拉(Mira)、埃斯梅拉爾薩(Esmeraldsa)、馬納維(Manabi)、瓜亞斯(Guayas)、杰伯恩斯(Jubones)、普揚揚卡-塔馬約(Puyango-Catamayo)等6個流域；東部地區(qū)為亞馬遜河水系，主要有那波(Napo)、帕斯塔薩(Pastaza)、圣地亞哥(Santiago)等3個流域，本文選擇流域面積較大、經(jīng)濟較為發(fā)達、代表性較強的瓜亞斯(Guayas)流域為研究對象。該流域面積44 532 km2，由17條獨立入海河流組成。其中，11條河流流域面積超過100 km2，3條超過1 000 km2，分別是瓜亞斯河、德爾莫羅河和扎蓬塔爾河。

3 水文監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃

3.1 站網(wǎng)及測驗方式現(xiàn)狀

厄瓜多爾現(xiàn)有水文站網(wǎng)由水文站和氣象站組成，其中水文站有169處，氣象站有229處。水文站監(jiān)測的項目包括流量、水位，部分站點還兼測水質(zhì)和泥沙。氣象站監(jiān)測的項目包括雨量、蒸發(fā)、氣溫、風向、風速和空氣濕度等。其中，瓜亞斯流域現(xiàn)有12個站點開展泥沙監(jiān)測，大部分測站測驗資料年限較短且不連續(xù)。水質(zhì)監(jiān)測斷面站點40個，主要由國家水文氣象研究院和厄瓜多爾水利部兩個機構(gòu)負責。

水文氣象研究院是厄瓜多爾開展水文測驗和水文站網(wǎng)運行管理的單位，每年都對水文資料進行整編后發(fā)布在《水文年鑒》上。流量測驗采用流速儀五點法(見圖1)，測驗頻次為平均每3個月1次，年測次約4～5次，多采用涉水測量或水文吊箱纜道渡河測量(見圖2)，少部分站點采用ADCP測流。水位觀測采用自記和人工觀測兩種方式。人工觀測時，每日06:00和18:00觀測2次，自記多采用浮子式水位計。根據(jù)水位觀測所采用的設(shè)備不同，水位觀測站又分為人工觀測水尺測站(LM型)、模擬水位計測站(LG型，見圖3)、數(shù)字式自記水位站(AU型，具有自動采集、存儲和發(fā)送功能)、非接觸式水位測量儀測站。厄瓜多爾氣象觀測設(shè)施設(shè)備比較完善，降水觀測由氣象站兼測，氣象站監(jiān)測的項目還包括溫度、風向、風速、空氣濕度等(見圖4)。僅有部分水文站開展懸移質(zhì)泥沙測驗，年測次為1～7次不等。此外，部分水文站還兼測水質(zhì)參數(shù)。

圖1 流量測量所用流速儀

圖2 水文吊箱纜道

圖3 水位自記井(LG型)

圖4 氣象站及降水量觀測設(shè)備

3.2 規(guī)劃原則和方法

3.2.1 總體原則

在充分考慮厄瓜多爾自然、社會和經(jīng)濟條件的基礎(chǔ)上，制定較為合理可行的規(guī)劃目標和任務(wù)。以流域為基本規(guī)劃單元，綜合考慮氣候、水文和地理等特征劃分水文分區(qū)。在滿足流域內(nèi)防洪、水資源管理、航運、水利工程建設(shè)等多方面需求的前提下，以遵循中國相關(guān)標準和規(guī)范為基本要求[5～9]，具體規(guī)劃時盡量采用國際標準和厄瓜多爾本國標準，結(jié)合所在地的交通條件、生活環(huán)境和建站條件等因素，開展各類水文站網(wǎng)的規(guī)劃工作。按照先易后難的順序制定分期建設(shè)規(guī)劃，在力求經(jīng)濟高效的同時，實現(xiàn)綜合站網(wǎng)的整體功能(見圖5)。

圖5 瓜亞斯流域水文綜合站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)路線

3.2.2 規(guī)劃方法

(1)流量站網(wǎng)規(guī)劃方法。在大河控制站布設(shè)時，應(yīng)注意：① 在江河干流沿線，以任何兩個相鄰測站之間流量特征值的變化不應(yīng)小于10%的遞變率，來確定布站數(shù)量的上限；② 以內(nèi)插年徑流量或相當于防汛標準洪峰流量的誤差不超過5%～10%來確定布站數(shù)量的下限。在區(qū)域代表站布設(shè)時，應(yīng)注意：在同一大流域內(nèi)，根據(jù)徑流特征的空間變化特性，將其支流的面積分為若干級，再從每個面積級的河流中選擇有代表性的河流設(shè)站觀測。

(2)水位站網(wǎng)規(guī)劃方法。在河道水位站布設(shè)時，應(yīng)注意：①滿足防洪抗旱、分洪滯洪、引水排水、水利工程或交通運輸工程的管理運用等需要；②滿足河流沿線任何地點推算水位的需要；③盡量與流量站的基本水尺相結(jié)合。在水庫水位站布設(shè)時，應(yīng)注意：①能反映水庫各級水位水面曲線的轉(zhuǎn)折變化；②水庫主要支流入?yún)R口處，應(yīng)布設(shè)水位站；③庫區(qū)水位站應(yīng)盡量與其他觀測斷面結(jié)合布置。在湖泊水位站布設(shè)時，應(yīng)注意：①能反映湖泊水面曲線的轉(zhuǎn)折變化；②湖泊代表站的水位應(yīng)能代表湖泊的平均水位；③湖泊較大支流匯入處應(yīng)布設(shè)水位站。

(3)雨量站網(wǎng)規(guī)劃方法，規(guī)劃時應(yīng)注意：①能控制與配套面積相應(yīng)的時段雨量等值線的轉(zhuǎn)折變化，不遺漏雨量等值線圖經(jīng)常出現(xiàn)極大或極小值的地點；②在雨量等值線梯度大的地帶和對防汛有重要作用的地區(qū)應(yīng)適當加密；③暴雨區(qū)的站網(wǎng)均應(yīng)適當加密；④區(qū)域代表站和小河站所控制的流域重心附近應(yīng)設(shè)立雨量站；⑤雨量站應(yīng)盡量設(shè)立在生活交通和通信條件較好的地點。

(4)泥沙站網(wǎng)規(guī)劃方法。規(guī)劃時，應(yīng)注意：①以任何相鄰測站之間，多年平均年輸沙量的遞變率不小于20%～40%為原則，估計布站數(shù)目的上限。②以內(nèi)插年輸沙量的誤差不超過10%～15%為原則，估計布站數(shù)目的下限。③在不具備分析論證條件的地區(qū)，可按下述方法確定泥沙站的數(shù)目：在強侵蝕地區(qū)，應(yīng)選不少于60%的流量站作為泥沙站；在中度侵蝕區(qū)，可選擇30%～60%的流量站作為泥沙站；在輕度、輕微侵蝕地區(qū)，可選擇15%～30%的流量站作為泥沙站。

(5)水質(zhì)站網(wǎng)規(guī)劃方法。為達到流域水資源保護與管理的要求，重點考慮在水功能區(qū)、省界水體、飲用水水源地、入河排污口及敏感水域的典型斷面布設(shè)監(jiān)測斷面。

(6)水面蒸發(fā)站網(wǎng)規(guī)劃方法。厄瓜多爾的氣象站均有蒸發(fā)觀測項目，但這些蒸發(fā)項目并不全是水文分析計算所需的水面蒸發(fā)資料，故從現(xiàn)有的氣象站點中，按照下述觀測場地要求，優(yōu)選出所需的陸上水面蒸發(fā)觀測站。①場地附近的下墊面條件和氣象特點，應(yīng)能代表整個區(qū)域的一般情況，要避免局部地形影響。②較大水體(水庫、湖泊、海洋等)最高水位線的水平距離應(yīng)大于100 m，以防止附近水體蒸發(fā)對觀測造成影響。③場地四周必須空曠平坦，氣流暢通，以防止氣流受阻，水面蒸發(fā)速度和強度減弱，使觀測結(jié)果失真。

3.3 綜合站網(wǎng)規(guī)劃與布局

按照上節(jié)所述規(guī)劃原則和方法，以瓜亞斯流域為例開展了各類水文站網(wǎng)規(guī)劃和布設(shè)(見表1、圖6和圖7)。在現(xiàn)有各類水文站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過新設(shè)、撤銷以及變更用途等方式，實現(xiàn)了站網(wǎng)的優(yōu)化與調(diào)整，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

表1 瓜亞斯流域水文綜合站網(wǎng)規(guī)劃成果

注：表中不包含10個工程專用站。

圖6 瓜亞斯流域現(xiàn)有水文站網(wǎng)分布

圖7 瓜亞斯流域水文站網(wǎng)規(guī)劃成果

(1)站類更加齊全?，F(xiàn)狀情況下，瓜亞斯流域主要有水文及氣象兩大類站網(wǎng)。水文站施測水位、流量，部分水文站還兼測泥沙、水質(zhì)；氣象站監(jiān)測雨量、蒸發(fā)、濕度、氣溫和風速風向等。本次規(guī)劃在現(xiàn)有站類的基礎(chǔ)上，新增了輔助水文站網(wǎng)、水位站網(wǎng)、水質(zhì)站網(wǎng)、專用水面蒸發(fā)站網(wǎng)以及工程專用站網(wǎng)，站點類型更加豐富。

(2)站點分布更加合理。流量站網(wǎng)方面，對流域內(nèi)集水面積較小、水量較小、流程短、設(shè)站過密的水文站進行了優(yōu)化，使其變更為輔助水文站，并在大的未控河流上設(shè)置了出口控制站。雨量站網(wǎng)方面，重點在年均降雨量2 000～3 000 mm的北部地區(qū)和年均降雨量400～1 000 mm的西部地區(qū)增設(shè)了部分站點，無論從空間分布還是高程分布上都更加合理。其他各類站網(wǎng)也通過增設(shè)站點的方式，使得空間分布更加的合理。

(3)站點密度進一步提升。流量站點數(shù)量和密度變化均不大，僅新增了8處流量站，增幅也是各類站網(wǎng)增幅最小的(11.59%)，但通過對現(xiàn)有流量站點的優(yōu)化調(diào)整，將30處流量站優(yōu)化為輔助站，在測站總數(shù)小幅增加的情況下，實現(xiàn)了站網(wǎng)功能的優(yōu)化。雨量站點新增了41處，增幅達到 80.39%，站網(wǎng)密度也由 1.145處/103km2增至2.066處/103km2，達到了WMO的容許最稀站網(wǎng)標準。水位站網(wǎng)方面，在通航河段增設(shè)了7處站點，提升了對內(nèi)河航運的支撐力度。泥沙站網(wǎng)密度較規(guī)劃前有了大幅提高，由現(xiàn)有的12處增至20處，增幅達到 66.67%，達到了WMO的最稀站網(wǎng)密度標準。水質(zhì)監(jiān)測斷面也由現(xiàn)有的40處增加到了61處，增幅也達到了52.50%。新增的1處水面蒸發(fā)站位于北部地區(qū)的貝拉斯科-伊瓦拉湖地區(qū)。

(4)服務(wù)功能更加全面。在增加測驗項目的同時，綜合站網(wǎng)的服務(wù)功能也更加全面。新設(shè)置的工程專用站可以滿足防洪、發(fā)電等需求。通過在通航河段新設(shè)水位站，進一步提升了服務(wù)內(nèi)河航運的能力。新增的貝拉斯科-伊瓦拉湖水面蒸發(fā)站可以滿足流域水資源管理的需求。在重點產(chǎn)沙區(qū)新設(shè)置的泥沙監(jiān)測站點可以更好、更全面地服務(wù)于流域的水土保持工作。

4 結(jié) 論

本文選擇厄瓜多爾瓜亞斯流域為典型流域，以國內(nèi)外有關(guān)站網(wǎng)規(guī)劃的標準和規(guī)范為指導(dǎo)，實現(xiàn)了瓜亞斯流域水文綜合站網(wǎng)的優(yōu)化與調(diào)整。主要結(jié)論如下：

(1)瓜亞斯流域現(xiàn)有水文站網(wǎng)由水文站網(wǎng)和氣象站網(wǎng)組成，其中水文站69處，氣象站51處?，F(xiàn)有站網(wǎng)存在的主要不足包括：站點數(shù)量較少，水文站和氣象站均未達到WMO的容許最稀站網(wǎng)標準；站點的空間分布不均，部分大河未設(shè)置出口控制站，北部和西部地區(qū)雨量站點較少；流域缺少專用的水面蒸發(fā)監(jiān)測站等。

(2)本次規(guī)劃包括基本站網(wǎng)、輔助站網(wǎng)及工程專用站網(wǎng)等三大類站網(wǎng)，共計216處單項站，其中基本站206處，工程專用站10處?；菊?含一站多能)中包括流量站77處、雨量站92處、水位站76處、泥沙站20處、水質(zhì)站61處、水面蒸發(fā)站5處。

(3)通過本次規(guī)劃，在現(xiàn)有水文和氣象站網(wǎng)的基礎(chǔ)上新增了輔助水文站網(wǎng)、水位站網(wǎng)、水質(zhì)站網(wǎng)、專用水面蒸發(fā)站網(wǎng)以及工程專用站網(wǎng)，站點類型更加豐富；通過增設(shè)站點和調(diào)整站點功能的方式，使得站網(wǎng)空間分布更加合理；各類站點密度進一步提升，接近或達到了WMO的最稀站網(wǎng)密度標準；在增加測驗項目的同時，綜合站網(wǎng)的服務(wù)功能也更加全面。