相应流量推算方法与报讯精度控制措施研究

段江勇 潘畅 陈大玄

摘要：相应流量报汛是长江水利委员会水文局水情分中心（以下简称“水情分中心”）一项极其重要的日常工作，要做到精准发布相应流量信息却是一项技术难题。通过对不同类型水文测站水位流量关系进行分析研究，提出了在极其复杂水情条件下的水文测站相应流量推算方法与精度控制措施，可供各地水情分中心同行借鉴与参考。

关键词：相应流量;报汛精度;流量推算;控制措施

中图法分类号：TV131.4

文献标志码：A

1研究背景

长江水利委员会水文局2005年率先在全国实行自动报汛之后，水文信息从内部掌控走向网络信息平台，成为社会共享资源而进入了公众视野，得到了各级政府、各相关部门和普通百姓的广泛关注。确保水文信息发布的及时性和准确性无疑是对水文人的严峻考验。水位、降水实时数据已全部实现自动记录、存储、传输和报汛，而实时相应流量报汛更多受断面等因素所限。目前，水文仪器设备暂时还无法达到自动测报条件的流量测站，更多地依赖于建立水位一流量关系，以水位为参数推求出相应流量，将相应流量作为实时流量连同实时水位信息一同发布。

2相应流量连时序法推求方法

在天然河道中，水位实测流量关系曲线呈单一线的测站数量极少，在河流中下游地区，尤其是洞庭湖区的水文测站特性影响因素极其复杂，大多水位一流量关系曲线呈非单一线。在年度整编推算时段流量时，通过实测流量测点按施测时间顺序在水位一流量关系图上连接成光滑曲线，以时间、水位为参数在水位一流量关系连时序曲线上查读流量，完成年度水文资料整编，行业称这种推算流量方法为连时序法或俗称绳套线法。

相应流量报汛与时段流量整编具有相同之处，都是以时间、水位为参数推算流量，差异在于：年度整编时推求时段流量的水位一流量关系连时序曲线，是由已知实测流量测点组成的光滑曲线;而某时刻相应流量推求的临时预报线只掌握前面的实测流量测点，其后的流量实测点的准确位置未知，需要水情报汛人员预测。因此，为报汛需要而推求的相应流量仅为预报值。相应流量的成果精度取决于水情报汛人员所作预报线的准确度，就目前而言，大多数水情分中心还是依靠工作人员凭经验作线，相应流量精度很大程度上依赖于工作人员的责任心与实践经验。然而，仅凭这些无法满足相应流量的报汛精度，应从专业角度和技术层面来解决相应流量推求难题，下面介绍两种在极其复杂水情条件下连时序法推算相应流量的方法。

2.1水位落差连时序关系线相关法

对于水位一流量关系非单一线的测站，在绘制临时预报线时一般根据曲线趋势延伸，它仅适应于水位漲落变化平稳，上游来水单一，下游渲泄顺畅，支流影响小的洪峰涨落水过程中的中间线段，对于峰顶、峰谷转折处若按曲线趋势延伸往往会得到相反的结果，方法上存在局限性，采用水位落差连时序关系线相关法可弥补上述方法的不足。

根据流量变化与水位落差成正比关系即Q=f（Zm），通过点绘上下游站连时序法水位落差曲线图，参照其落差变化趋势来确定同期水位一流量关系线（即预报线）。例如，南咀站2016年7月3日10：00水位达34.62m并持续上涨，按趋势延伸曲线查得7月4日08：00水位34.83m，相应流量为10400m2/s。如果参照落差变化，7月4日08：00落差为0.82m，比7月3日08：00落差1.03m偏小0.21m，落差减少而流量增大明显不合理。通过南咀站2016年6月9日至8月15日的落差图与其同期的水位一流量关系曲线图比较（见图1），不难发现，水位一流量关系曲线与落差曲线走向基本一致，落差减小时其相应流量减小，反之亦然。再用南咀站2017年6—7月的落差图与其同期的水位一流量关系曲线图进行比较，同样得到上述结论（见图2）。利用测站连时序水位落差曲线与水位一流量关系曲线的相关性，根据落差变化趋势适时修订预报线，可适时纠正相应流量的偏差，大幅提高相应流量报汛精度，是保证精准预报水位一流量关系曲线的最有效的辅助方法。

2.2样本曲线模型法

在极其复杂水情条件下推求时段流量时，一般采用连时序法，尽管连时序法形成的绳套曲线极其复杂，但只要认真分析，不难发现每个测站的连时序法水位一流量关系绳套曲线都有其独特性。若将多年的水位一流量关系绳套曲线进行比较，许多洪峰过程的线型非常类似，有大部分不同年份的曲线可以重合在一起。根据这一规律，若把历史资料中具有代表性的洪峰过程曲线提取出来，配上其影响参数（如时间、不同河流来水、上下游落差、涨落水趋势、水位变化区间和涨落率等），设计编制专用软件，将这些绳套曲线作为模型录入计算机数据库，水情分中心人员可根据当前测站的影响参数输入专用计算机软件中进行搜索，把类似的曲线模型一一显示出来，通过比对、筛选、优化，选取符合本站当前水情的模型，稍作修改或不予修改作为临时预报线，再不断通过实测流量的校正、总结经验和修改参数等，相应流量报汛不再是难事。如比较南咀站2016年与2017年的高水期6～7月水位一流量关系曲线（见图1～2）可知，2017年6月28日至7月5日与2016年7月2-12日两条曲线非常相似，均是受到下游湘水与资水的严重顶托，水位一流量关系曲线呈现非常态的反线套曲线。若2017年7月3—8日预报线通过上下游落差及区域水情分析，不难发现与2016年同期水位落差图也非常相似，见图1～2。参照2016年同期水位一流量关系线来预测2017年的关系线，如果把南咀近lOa水位一流量关系曲线检索出来，可以找出许多非常相似或完全相似的曲线，再加以分析归类，提炼出一些比较典型的曲线模型，为水情分中心制作预报线提供参考，可大大提高相应流量报汛精度。

3相应流量单值法数学模型研究方法

前面介绍的方法能在很大程度上对推求相应流量起到定性作用，要精准推求相应流量最为有效的方法还是水位一流量关系单值化数学模型，其基本公式为式中，Qm为实测流量;Qx为校正流量因素;Zm为落差;B为落差指数。通过公式（1）就可以将Z～Q非单值相关关系转化成单值相关关系，但仅限于单一河道的水文测站。对于非单一河道，同时用n个落差组成综合落差，可归纳为一种通用标准数学模型为

计算校正流量：

推算时段流量：式中，Zm为综合落差;Zml、Zm2、…、Zmn为各站辅助落差;Km1、Km1、…、Kmm为各站辅助落差权重系数;B为综合落差改正值;B'为落差指数;Qm为实测流量;Qx为校正流量;K2为综合落差改正值;ZO为基本站水位;Z1、Z2、…、Zn为各辅助站水位;bi、b2、…、bn为落差站冻黄差;对于顺逆流站引入K1参数的概念，K1为顺逆流改正系数;Q为时段流量（或称相应流量、或称实时流量）;Qc为水位校正流量关系线上流量值。在上述数学模型中，共有3+n个待定参数Ki、K2、B、km1、Km2、…、kmm，通过历史资料，用水位一流量关系数学模型处理系统分析计算可求得这些参数。

3.1参数的确定

在数学模型中，有3+n个参数Ki、K2、Km1、Km2、Km3、…、Kmm、B。其中，Km1、Km2、Km3、…、Kmm为落差水尺的权重系数，当单一落差时，Km2、Km3、…、Kmn为0，Km1一般取1或某一常数或某变量Km1=f（Zo或Zm）。当辅助水尺采用2～3组或n组时，Km1、Km2、Km3、…、Kmm一般采用距离加权求得，绝大多数情况采用试算，Km1至Kmm可以是常数或变量函数Kmm=f（Zn或Zm）。数学模型中的权重系数和落差指数均采用变动系数，是基本水位的函数。也就是说，n组落差值的权重系数和落差指数值随基本站水位变化而变化。一旦确定辅助水尺，某测站水位一流量关系数学模型的分析就是对n+3组参数的设置、计算与优化处理过程。

3.1.1 Km1至Kmm/B的试算方法

数学模型分析的具体步骤是：①用单站落差作水位流量相关分析，择优选取代表性强的辅助站作辅助水尺，确定辅助水尺组数n。②按距离加权初设落差权重系数，建立水位一流量关系数学模型，拟合水位流量关系曲线，通过调整落差权重系数，使拟合曲线与水位实测流量关系曲线的图型比例与趋势保持一致。③设置每个参数的取值区域与增减变幅，对Km1至Kmm个参数进行递增或递减作3+n层大循环试算，数学模型处理系统自动完成曲线拟合、3种检验、误差统计和方案评估，大循环试算结束后从若干个方案中挑选出最佳方案。④再将最佳方案中关系曲线和Km2至Km4固定反算Km1，建立Km1与基本站水位（或辅助站水位）关系曲线，得到拟合曲线公式Km1=f（ZO或Zn），再将新的Km1=f（Zo或Zm）替代原有的Km1，反复进行第四项，直到Km1最优为止。如此类推，优化Km2至Kmm。

B值是基本水位的函数，可经过试算求得，采用变动值对提高数学模型成果精度的作用不明显，但有改正水位校正流量關系线线型的作用，可将“S”型水位校正流量关系线改正为二次抛物线，使水位校正流量关系线趋势合理。

3.1.2 K1和K2的确定方法

k2为综合落差改正系数，当测站有顺逆时，通过设置k2来解决正负流量问题。当Zm为负值时，取k2为负值，将综合落差改为正值，便于指数运算;当Zm为正值时，取k2为正值，k1为负流量的改正系数，实测流量测点大致对称于正负流量坐标两侧。对负流量测点乘以k1时，可将负流量改为正值与正流量合并定为一条正负流综合线，由于正负流两线不完全对称而K1并非常数，而是随基本水位变化的变动系数，通过曲线拟合，当负流时，K1=f（Z0）;当正流时K1=1（常数），顺逆站按此方法处理可获得比较适用的数学模型。

下面通过两个实例介绍说明测站水位一流量关系数学模型的分析过程。

（1）实例一。小河咀站位于西洞庭湖湖口南端（见图3），水情极其复杂，上受沅水、澧水、长江来水涨落影响，下受湘、资水的回水顶托影响，同时还受西、南洞庭湖湖泊调蓄作用，上游选择二组辅助水尺，即沅水洪道周文庙站Z1，西洞庭湖湖泊代表站沙湾站Z2，下游选南洞庭湖湖泊代表站沅江站Z3，下泄主洪道东南湖站Z4，其单值化方案为

计算校正流量：

（2）实例二。南咀站位于西洞庭湖湖口北端，其测站水情特性极其复杂，上游受沅、澧水、长江来水的影响，下游受湘、资水的回水顶托。在水位一流量关系单值化模型中，上游选定了蒿子港、白蚌口站、西洞庭湖泊代表站沙湾站，下游选择了东南湖与黄茅洲站，共选择了5组落差辅助水尺，通过单值化数学模型处理后，在中高水位其精度可满足相应流量报汛的要求。要达到年度整编推求时段流量的精度要求，还有待对单值化数学模型作进一步的分析论证。南咀站2016年与2017年的6～7月均受资水、湘水严重顶托，水位一流量曲线极其反常，给相应流量报汛带来较大难度，造成相应流量误差偏大，但通过单值化处理后，完全满足相应流量报汛要求（见图5）。

水位一流量关系单值化数学模型分析有专用软件处理系统，其设计有多个功能模块，通过这些模块可快速寻找水位一流量关系规律，准确判断3+n，个待定参数与基本水位、综合落差、辅助站水位、不同来水时期、涨落率等因素是否存在相关关系。通过对基本站水位、辅助站水位、落差、时间的排序，判断流量相对误差大小变化，从中寻找3+n个参数的变化规律，分析出某一测站的水位一流量关系单值化数学模型。

4相应流量推算软件设计创新

相应流量的精确度是水情分中心最难掌控的一项技术指标，也是防汛部门最为关注的重点，尽管上级主管部门加大了对水情分中心管理的奖惩措施，对提高成果质量只能起到一定督促作用，要真正提高相应流量的报汛精度，必须从技术角度对相应流量推求软件进行改进与创新。

连时序法相应流量推求软件可设计为综合模块，连时序法曲线显示框采用米格形式，纵轴为水位，横轴为流量兼落差，曲线框可无限放大与缩小，某时刻以前已上报的相应流量以连时序法（绳套线）形式显示在图上，某时刻以后的相应流量是未知数据，是预报值。绘制该段曲线可通过点绘上下游站连时序法水位落差关系线作为其参照值，在模块中设计选择窗口，只要选择上下游站，就可用不同颜色将连时序法水位落差关系线与连时序法水位流量点绘在一起，通过对过去一段时间的两曲线进行比较分析就能确定连时序法预报线的趋势，最终确定预报线。经过不断调整实测流量修订预报线，不断提高相应的流量精度。

在模块中设计测站连时序法历史曲线模型选择窗口，通过对测站名、时间、水位等参数的选择，结合多种方法进行综合分析最终确定预报线。按此思路设计的软件，可改盲目作线为直观绘图;可改靠经验主观作线为以多种参数为旁证综合分析定线，这对提高相应流量预报线成果精度是一种非常有效的技术手段和措施。

5相应流量报汛精度控制措施

5.1过程控制措施

5.1.1 建立水情分中心管理制度

建立科学合理、切合实际的水情分中心管理制度，强化分中心人员工作责任心，以此来保障报汛产品的成果质量，其基本内容措施是：①规定分中心人员在岗工作时间、地点和内容。②规定当班人员对设备定时段、定项目巡视检查登记。③规定对硬件故障处理的要求时限。④规定对报汛软件掌握的熟练程度。⑤依据条款规定对值班人员过错进行责任追究处理。

5.1.2制定应急预案

制定各项应急预案是保障水情分中心报汛质量的重要措施，应急预案分为硬件、软件及测验方式3类。硬件包括数据接收及处理设备、服务器、网络传输设备、电源设备等，平常应加强对上述仪器设备的维护保养工作，发生故障时能及时处理，必要时更换备品备件。软件包括水情数据接收系统、水情数据处理系统、水情信息交换系统和MicrosoftSQL Server数据库等。这些软件虽已成熟，但必须预先在备用机上装好，关键时刻能够及时切换，平时应认真做好各软、硬件的测试和应急演练工作。测验方法应急预案是指当出现特殊水情或测区出现溃堤决垸等极端情况时，原有水位一流量关系被改变，单值化数学模型失效，如何改变测验方式，相应流量推求方法应有相应的应急预案可用。

5.1.3 内部培训交流机制

加强水情分中心报汛人员培训是一项长期的重要工作内容，相应流量报汛是极其重要的工作，因此应定期对报汛相关人员进行培训和开展内部交流，水情報汛人员必须熟悉了解本测区各测站水情特性，熟练掌握水情分中心软、硬件的操作技能，尤其是新职工必须经过严格的培训并考核合格之后方可上岗值班。

5.1.4痕迹材料留存备查机制

水情分中心应该制定一套完整齐备的工作手册，设计规范化、标准化的操作工序，工作人员交换班时，应规定下班时应交接的事项、接班人员应完善工作程序，每道程序的操作过程必须用文字记录留存痕迹材料。认真做好相应流量报汛过程控制痕迹材料保存工作，尤其是水位一流量关系进行率定和流量预报线修定及审查情况。对于实测流量必须在规定时效内接收、处理并发送，同时做好记录。保证所有流量报汛痕迹材料规范完备，便于主管部门例行检查与事后追责备查。

5.2责任追究与考评机制

5.2.1 大错成因分析与追责

水情分中心出现数据迟报、漏报或错报时，都应查清问题出现的原因，可能是人为因素、自然事故或仪器突发故障，查明原因后寻求最佳处置方法，必要时应依照上级主管部门制定的有关条款予以追责，以杜绝类似事故发生。

5.2.2相应流量计算方式方法缺陷修复机制

相应流量报汛精度是目前水情分中心最难掌握的项目。不管测站水情多么复杂，只要认真做辅助性分析，均可找到一些自然规律，认真分析后就能够大幅度提高相应流量报汛精度。如某测站相应流量误差长期超限，应及时改变方法方式，及时修正存在的缺陷，创新出适合测站特性的方法。

5.2.3 成果考评机制

每年报汛成果质量考评应由主管部门组织实施，主要有精度考核、时效考核和痕迹材料考核。精度考核主要针对相应流量而言，相应流量成果精度应是水情分中心重点需要攻克的难题。时效考核主要是实测流量在规定的时间之内是否报出的问题。痕迹材料考核主要是检验分中心人员是否按照上级主管部门要求对各项检查记录材料存档。

6结语

在当前的防汛测报工作中，精准推算极其复杂水情条件下水文测站的相应流量是水情分中心的工作重点和技术难题。通过不断摸索与经验积累，提出的水位落差连时序关系线相关法、样本曲线模型法、相应流量单值法数学模型研究方法及相应流量报汛精度控制措施，可为水文同行提供技术支撑与参考，不同水文测站可选择适合测站特性的相应流量推求方式方法，为各级防汛部门提供准确的水文数据。

参考文献：

[1]李厚永，张潮，吴琼.水位流量关系单值化分析综合模型研究及应用[J]冰文，2011，31（S1）：152-153，157.