水文站巡測優化分析探究

趙文旭，趙新平

(陜西省水文水資源勘測局，陜西西安710068)

1 引言

隨著時間推移、環境改變，水文測驗需要根據水文水資源在生產生活中的應用需求逐步調整。巡測是為了適應現代化測驗條件，變更測驗方式的一種手段。傳統的水文測驗常采用人工駐守測站對河流各斷面上水文要素進行規律性的監測。隨著測驗歷史數據系列的形成，水文諸要素測驗規律逐步明晰，復雜條件下的測驗手段不斷加強，測驗設施設備逐漸呈智能、自動化發展趨勢，傳統的水文測驗正在逐步、迫使地被分化、取代。

巡測是根據水文測驗條件，以巡回流動的方式定期或者不定期地在一個地區或者流域內的水文測站或斷面進行水文要素觀測作業[1]。明確水文巡測區域，確定測驗測站、斷面，明晰水文要素測驗任務，布設水文巡測形成預案是簡明測驗準備的必要條件。針對預案尋求合理的方法布設巡測，既能有效節約測驗資源，又能促進水文測驗經濟效能的形成。因此分析測驗條件、探求測驗的優化方法便是水文巡測的先決條件之一。

2 水文巡測條件分析

為了區域內河流布設站點能高效的完成測驗任務，精準地測驗各大斷面的水文要素，有效掌控河流變化規律，在測驗變更需求下，水文巡測成為當下有效測驗方式之一。

在陜河流流域跨越東經105°29′～111°15′與北緯31°42′～39°35′間，涵蓋黃河干流、黃河中游區上段、窟野河、無定河、黃河中游區下段、渭河、涇河、北洛河、伊洛河、嘉陵江區、漢江上游水系、漢江中游水系、丹江水系、毛烏素閉流區14個水系[2]。各個水系分布地理位置不同、水流變化特性差異引起水文測驗條件多端變化。測站根據河流走勢區域布設，現統籌巡測測站154處，可納入巡檢水位站103處，雨量站1861處。

2.1 測站及任務確立

水文測驗工作主要包含站網規劃、勘測與設立水文測站、測驗方式、水文調查、報送信息、資料整編刊印[3]。巡測是測驗工作具體落實方式之一，承擔著測量河流水文要素數據、分析河流水文特征、統籌測站河流測驗、水文以及測驗環境調查。

根據河流所處自然環境、河流特性以及站網管理需求，在陜基本水文測站分布在黃河、長江主要支流，并逐步形成了多種水文要素歷史測驗數據系列，專用水文測站分布中小河流且正在形成歷史測驗數據系列。黃河、長江流域基本水文測站地域管轄分布見圖1。

圖1 黃河、長江流域基本水文測站區域分布

水文測驗任務是根據各項水文測驗規范及技術規定，按照站網優化分級管理原則，結合測站具體情況而設定。巡測是針對基本水文測站任務，完成主要水文要素測驗，包括：水位、流量、泥沙測驗項目。并針對測驗任務需求做出相應水文調查。降水、蒸發、水溫、冰情等項目則以巡檢方式納入測驗。

2.2 測驗條件

河流、渠道所設立基本水尺、測流斷面是水文要素測驗基礎?；c、校核點為保障斷面精準測量提供依據，校核基點、校核點、測驗斷面也是巡測方案實施的基本保障。

對比人工觀測與自動監測測驗數據，尋求對比規律是水位測量自動化的需求，也是水位巡測精準測驗的必要條件。

流量測驗是根據河道分布不同，采用多種測試方法。一般流量測驗是基于河流測流大斷面上的流速儀法。由斷面的水流特性，也可采用斷面上下比降、水面漂浮目標推算斷面流量。隨著科技發展，利用電磁波、聲波、同位素、水工設施等技術在河流上、表面以及河流中進行多種方法測量。

水文巡測為了精簡步驟，提高效率。在水流過程中河底高程變化相對穩定，大斷面面積變化較小，利用歷史水位、流量規律精簡測驗步驟。穩定的關系是簡化步驟的前提條件。尋求率定水位流量單值化是巡測流量的關鍵，通過有效時長的大斷面水位、流量數據統計，利用綜合落差指數[4]、擬合等方法率定關系。擬合法通常包含冪函數(拋物線)法、雙曲線法、多函數逐步回歸法。關系不穩定，測驗條件影響比較復雜時，巡測一般利用有效歷史時段測定的水位、流量數值在不同級水位上利用多段進行方法率定。特大洪水條件下，水位、流量不具備水流過程實時測量，則以洪水過后水文調查為依據。

泥沙測驗是依據河流懸移質歷史特性分布，通過對河流單位體積內含沙量以及斷面平均含沙量測定，對應時刻斷面水流速，則可計算出懸移質輸沙率。巡測泥沙測驗項目是基于懸移質水樣能自動采集并計算出含沙量或者斷面上通過的流量和輸沙率具有穩定關系。測定單位體積內含沙量或者斷面平均含沙量與水流量具有穩定對應關系則可以實施巡測。

對于降水、蒸發、水溫、冰情等項目的巡檢，隨著現代化測驗設施設備的發展，項目測驗設備均可采用自動采集模式，根據測驗要求定期對測試環境、條件校核即可。

在陜基本水文測站水位監測已具備實時在線自動采集功能，數據對比歷史人工測驗，系列可被采用形成水位對比規律已達70%。

流量、泥沙測驗由于大斷面主要分布在長江、黃河兩大流域。長江流域由于降水頗豐，河流水峰較多，一般為峰高量小單式型居多，水位流量關系相對穩定，水位流量單值化關系或者多條件下穩定關系的測站滿足率已達70%；黃河流域降水量相對較小，變化急促，河流水峰一般峰高量小、歷時較短，水位流量關系受地理條件影響，關系較復雜，一般中高水呈繩套型，特殊區域呈單一線型，低水受斷面變化影響因素較大。地處兩大流域內的測站，按照測驗任務需求，根據測站水性特征分析，基本上逐站均采用過水位流量單值化分析，率定單值化或者具有區域穩定關系的水文站已可達40%。

穩定關系流量測驗一般均采用水位級布設，具有良好單一線測站則直接采用水位實時測驗，推算流量。水位計布設即：

式中：p為頻率；m為隨機樣本由大到小排列序列號；n為樣本總數。

圖2 高水位、平均水位、低水位頻率曲線

采用2008年～2012年5 a實測流量資料進行綜合定線，實測流量成果中包含各次洪峰以及最大洪峰過程，確保樣本的覆蓋性。確定綜合曲線見圖3。

圖3 水位-流量綜合曲線

以水位測定判斷流量，誤差控制以滿足正態分布函數N(0,σQ2)來界定。Pi=(Qi-Qci)/Qci，Pi～N(0,σQ2)。實際應用中，采用有限測驗數據Pi(i=1、2……n)作為樣本計算。

水位流量在單值化處理后，通過水位近似指數函數來逼近，則相對標準差可按第一公式控制：

當流量1nQi-1nQci變化相對較小，可用第二公式簡約計算：

置信水平為95%的相對隨機不確定度按照下式衡量：

X=2Se

式中：Se為相對標準差，X為相對隨機不確定度。

系統誤差一般采用相對誤差的均值，即：

式中：Qi為實測流量；Qci為預測流量；σQ為實測值偏離預測值相對誤差組成的總體方差。

對于水位流量比較復雜對應關系，形成繩套型線型，則以相對標準差直接作為衡量精度。

為了精確確定水位流量對應關系，通過歷史系列數據來檢驗對應測驗規律，一般需要進行符號檢驗、適線檢驗、以及偏離數值檢驗[5]。

懸移質輸沙率巡測是根據各大斷面測驗特點，通過測驗數據系列，控制單沙、斷沙、輸沙率測驗誤差，建立測驗項目與輸沙率之間的關系形成的。對于輸沙率停測或者間測，以定期歷史測驗資料為基礎，涵蓋輸沙率的變幅70%以上，水位變幅80%以上，控制預測輸沙率與歷史測驗數據偏離±5%內可間測[7]。在陜泥沙二類、三類精度水文測站間測涵蓋率已達100%。

3 水文巡測方案的優化

巡測是根據水文測站、斷面地理位置、交通條件、水文特性構成的巡測區實施水文要素規律性的監測。確定水文巡測中心，以流域水系上分布測站Ai為基礎，明確測站間的交通距離Dij、交通費用mij/mj、正常路程花費時間Tij/m(i,j=1,2……n)、水流過程預計時間Tij′等影響因子。

水文測站參考歷史水流、泥沙過程測驗，統計洪峰次數、水流過程歷時及特征、沙峰場次與含沙量測驗過程特點。通過測站水位流量測驗規律、測點含沙量及測驗歷時分析測驗特性，達到測站流量、含沙量測次精簡、歷時減短控制的目的。

為確保測驗覆蓋、延伸性，測驗標本選擇5 a以上的測驗控制過程。以渭河在陜上中游水文測站特性分析，如：魏家堡、鸚鴿、安頭大斷面。經過歷次水流過程分析，控制水流過程測次需求以及測流歷時見表1。

令流域水系上分布測站Ai對應斷面測流、含沙量測定時間為ti，以求最優控制時間、花銷或者兼顧兩者，求最優方案。則：

(1)以時間為目標，優化巡測方案

(2)以花費為目標，優化巡測方案

(3)綜合時間、距離，優化巡測方案

綜合性優化方案，N′綜合性數值，以加權αi，j計算方式進行，權重根據各測站間具體特性采用綜合評估取值Ai，j。即：

巡測方案的制定，由于受地理、環境變化因素影響較多，因此逐步探求量化影響因子，通過率定水文要素之間的規律，測驗方法上則可以逐漸以限制條件優化巡測步驟安排。精簡的測驗方式方法不但能精確滿足測驗任務需求，而且亦可節約測驗資源，達到優化效能的結果。

4 結語

分析河流測驗需求，根據測驗任務明確巡測中心以及分中心建立水文巡測的條件，將條件量化后依照方法進行條件限制處理的優化方案設計，則可最大限度的節約測驗資源，快速、及時的控制河流測驗過程，為區域水文測站巡測奠定基礎。