基于三元均衡模式的河流流量測次布局理論與方法

文宏展，張建洪

（廣西壯族自治區水文中心，南寧 530023）

1 傳統河流流量測次布局方法、面臨的挑戰及存在的問題

1.1 傳統布局方法

河流流量測次布局是根據水文站定線推流需求和水情變化情況進行實測流量次數布局和實測的過程，是分析水位流量關系和研究水的運動變化規律的重要基礎工作。傳統的河流流量測次布局方法是基于駐測方式基礎上提出的。一般情況下，水文站一年中的流量次數，根據高、中、低各級水位的水流特性，測站控制條件、測驗精度，定線推流要求等綜合確定，要求能夠準確掌握各個時期的水情變化、合理控制各級水位和水情變化過程轉折點[1]。

1.2 面臨的挑戰

河流流量信息是支撐水旱災害防御、水資源管理、水生態保護等工作的重要基礎信息之一。隨著經濟社會的發展，對河流流量信息的及時性和準確性需求日益增強。縣域是水文服務的基本單元，現代環境條件下如何對縣域內多條河流、多個水文站的流量測次進行合理布局，面臨著新挑戰。

（1）流量監測站網擴大帶來多站點流量測次布局的新挑戰。傳統的流量測次布局，往往只需要考慮單個水文站。隨著流量監測站網的不斷擴大，縣域水文機構的流量測次布局，需要統籌考慮人、財、物等資源，進行縣域內多條河流、多個水文站，尤其是洪水期流量測次的合理布局。

（2）流量監測方式轉變帶來適量流量測次布局的新挑戰。傳統的流量監測方式是以駐測為主、巡測為輔。目前，由于流量監測站網擴大和基層水文測驗人員不足，流量測驗方式已轉變為以巡測為主、駐測為輔。單個水文站的流量測次布局，難以按傳統駐測方式進行，需要考慮人力、時間、交通等因素，確定合適的測次數量。

（3）水量評價時效性需求帶來適時流量測次布局的新挑戰。傳統的流量監測，主要為流量資料整編服務，時效性要求不高。而新時期的水旱災害防御、水資源管理、水生態保護等工作，需要以實時或者旬、月為時間節點的水量評價成果服務，時效性要求較高。因此，水文站的流量測次布局需要統籌考慮提供水量評價時效性服務的需要。

1.3 存在的問題

相對于現代環境下的河流流量測次布局需求，傳統的河流流量測次布局方法主要存在以下三個方面的問題。

（1）難以定量布局流量測次。從布局依據看，傳統河流流量測次布局方法重點考慮水文站的水流特性、控制條件、定線推流要求等，只能對流量測次進行定性把握；從布局要素看，重點考慮水情變化的轉折點，缺乏定量的依據、要素與方法，無法對水文站的流量測次進行定量。

（2）難以事前布局流量測次。傳統的河流流量測次布局，主要依據水文站水情變化進行確定，是一個漸次明朗的過程，無法在年初給出明晰的布局。流量測次布局的合理性，多為次年進行的事后分析，難以實現事前控制。

（3）難以保障水量評價時效。傳統的河流流量測次布局，主要服務于水文站定線推流，其流量資料整編往往在次年的整編階段才能完成，無法滿足以實時或旬、月為時間節點的流量資料整編和水量評價需求。

基于以上主要問題，迫切需要對傳統的河流流量測次布局方法進行改進與創新，形成一套概念清晰的、可定量的、能夠反映時間、水位和漲（落）水變化的流量測次布局方法。

2 基于三元均衡模式的河流流量測次布局理論與方法

2.1 三元均衡模式的河流流量測次布局理論

河流徑流是水文循環的一個重要環節，具有以年為周期的周期性變化規律和隨機性規律[2]。南方的河流徑流屬于雨源型，洪水期隨著降雨量的增減而增減；非洪水期則為水利工程調度或者地下水補給；同時反復呈現出漲（落）水過程，從而在一年內的時間、水位和漲（落）水上呈現相對有規律的變化過程。因此，河流徑流具有明顯的時間、水位和漲（落）水變化的三元特性。

均衡是要素布局上等量的平衡。根據一般均衡理論[3]，各要素達到均衡狀態時，可以實現整體最優和總體效益最大化。由于河流流量測次無法進行連續的布局，在一年內的時間、水位和漲（落）水變化上進行河流流量測次的均衡布局，是最具代表性的，也最能反映河流徑流的變化過程。

在時間變化上，由于河床沖淤、變動回水等影響，水文站的水位流量關系具有不穩定性和非單一線，往往需要使用臨時曲線法或者連時序法確定水位流量關系曲線[4]。因此，河流流量測次的布局需要在時間變化上分布均衡，以適應不同時段的定線推流需求。

在水位變化上，由于降雨或者水利水電工程調度的影響，造成河流徑流水位反復漲（落），不同的水位有其相應的斷面面積、流速、流量，需要確定相應的水位流量關系。因此，河流流量測次的布局需要在水位變化上分布均衡，以適應不同水位級的定線推流需求。

在漲（落）水變化上，由于水利水電工程調度和洪水的影響，漲水面與落水面具有不同的水文特性，低水期水位流量關系較為凌亂，中高水期水位流量關系多為復式繩套。因此，河流流量測次的布局需要在漲（落）水變化上分布均衡，以適應漲水面和落水面的定線推流需求。

2.2 三元均衡模式的河流流量測次布局方法

三元均衡模式的河流流量測次布局方法，就是以一年內的時間、水位和漲（落）水變化為基本要素，統籌考慮不同時間段、不同水位級和漲（落）水面進行流量測次均勻布設，并輔以漲（落）水歷時、最大漲（落）率時間和水位變化情況進行合理調整的河流水文站流量測次布局方法。在時間上，劃分為洪水期和非洪水期，每次洪水起漲點至止落點的時間段為洪水期，其余時間段為非洪水期；在水位上，劃分為低水位級和中高水位級，中水位以上為中高水位級，其余為低水位級；在漲（落）水上，劃分為漲水面和落水面，水位漲率大于零時為漲水面，小于零時為落水面。

（1）時間均衡布局。在非洪水期和低水位級，以時間變化為主、以水位變化為輔，統籌考慮漲（落）水變化情況，按適當時間間隔、水位變幅間隔和漲（落）水過程，均衡布局水文站的流量測次。

式中：N1為非洪水期和低水位級布局的流量測次數量，按“向上取整”方法取整數，次/a；T1為非洪水期和低水位級的天數，d/a；Δt1為非洪水期和低水位級計劃布局流量測次的單個時間段天數，一般以30 d、20 d、10 d 為時間段，d；n為非洪水期和低水位級計劃布局流量測次的時間段個數，單一線型時n=1，個；ΔHi為非洪水期和低水位級第i個時間段水位最大變幅，m；Δhi為非洪水期和低水位級第i個時間段的流量測次水位變幅間隔，m。

（2）水位均衡布局。在洪水期和中高水位級，以水位變化為主、以時間變化為輔，以歷年最大水位變幅為控制，統籌考慮布局時段最大水位變幅預測值和漲（落）水過程，按適當洪水水位變幅間隔，均衡布局水文站的流量測次。

式中：N2為洪水期和中高水位級布局的流量測次數量，按“向上取整”方法取整數，次/a；T2為洪水期和中高水位級的天數，d/a；Δt2為洪水期和中高水位級計劃布局流量測次的單個時間段天數，一般以單個洪水過程為時間段，d；m為洪水期和中高水位級發生洪水過程次數，單一線型時m=1，次/a；ΔHj為洪水期和中高水位級第j次洪水過程水位最大變幅，m。

（3）漲（落）水均衡布局。結合時間均衡和水位均衡布局，分別考慮漲水面和落水面的水位變化，以漲、峰、落、谷為重點，按適當水位變幅間隔，錯落地均衡布局漲水面和落水面的流量測次。

（4）年總測次布局。河流水文站年內布局流量測次總數等于非洪水期（低水位級）、洪水期（中高水位級）與年初（末）布局的流量測次數量之和。年初、年末布局的流量測次數量各按1次計。

式中：N為河流水文站年內布局流量測次總數，次/a。

（5）流量測次水位計劃。河流水文站各時段流量測次的具體水位級，可以某時段水位變幅預測值和流量測次布局數量為依據，參考以下公式確定，并依據時間和漲（落）率適當調整：

式中：Hk為某時段第k次流量測次布局的水位，m；Hmin為某時段預測的最低水位，m；Δh為某時段預測的水位漲幅，m；q為某時段布局的流量測次，次。

3 基于三元均衡模式的河流流量測次布局的探討

從近年廣西河流水文站流量測次布局情況看，平均50～70次/（站·a），最多為180次/（站·a），最少為30 次/（站·a），均滿足流量測驗精度和定線推流要求。但是，部分水文站的流量測次布局還有待進一步優化，以有效地降低基層水文職工勞動強度，提高河流流量測驗工作效率。

某水文站近年流量測次布局為49～76次，2016年實測流量49次，水位變幅位于143.2～150.8 m 之間，按照三元均衡流量測次布局方法進行分析，確定按水位年變幅1 次/0.3 m、漲（落）水面均衡測次、至少1 次/月，均衡布局流量測次26 次，水位流量關系線“三性”比較分析情況如表1所示。

表1 某水文站流量測次布局效果比較分析表

以上比較分析表明，按照三元均衡法進行流量測次布局，在滿足流量測驗精度和定線推流要求情況下，某水文站流量測驗工作量可減少47%，有效地提高了流量測驗工作效率。

4 結語

（1）由于人類活動的影響和經濟社會發展對水文信息需求的提升，大多數河流徑流已經不是自然狀態，客觀上給流量測驗帶來了困難。本文提出的基于三元均衡模式的河流流量測次布局方法，較好地融合了河流徑流在時間、水位和漲（落）水變化的特征，為實現河流流量測次精準定量提供了基礎方法。

（2）實例證明，利用基于三元均衡模式的河流流量測次布局方法進行流量測驗，可以在滿足流量測驗精度和定線推流要求情況下，提高流量測驗工作效率，為現行水文站優化測次提供了技術支撐。

（3）雖然基于三元均衡模式的河流測次布局方法總體解決了流量測次定量高效的問題，但在應用上還需要結合水文站特性進行具體分析和細化。針對新建水文站的流量測次布局，可以參照相似流域水文站進行，并加強其自身特性分析與應用。