水文站巡测优化分析探究

赵文旭，赵新平

(陕西省水文水资源勘测局，陕西西安710068)

1 引言

随着时间推移、环境改变，水文测验需要根据水文水资源在生产生活中的应用需求逐步调整。巡测是为了适应现代化测验条件，变更测验方式的一种手段。传统的水文测验常采用人工驻守测站对河流各断面上水文要素进行规律性的监测。随着测验历史数据系列的形成，水文诸要素测验规律逐步明晰，复杂条件下的测验手段不断加强，测验设施设备逐渐呈智能、自动化发展趋势，传统的水文测验正在逐步、迫使地被分化、取代。

巡测是根据水文测验条件，以巡回流动的方式定期或者不定期地在一个地区或者流域内的水文测站或断面进行水文要素观测作业[1]。明确水文巡测区域，确定测验测站、断面，明晰水文要素测验任务，布设水文巡测形成预案是简明测验准备的必要条件。针对预案寻求合理的方法布设巡测，既能有效节约测验资源，又能促进水文测验经济效能的形成。因此分析测验条件、探求测验的优化方法便是水文巡测的先决条件之一。

2 水文巡测条件分析

为了区域内河流布设站点能高效的完成测验任务，精准地测验各大断面的水文要素，有效掌控河流变化规律，在测验变更需求下，水文巡测成为当下有效测验方式之一。

在陕河流流域跨越东经105°29′～111°15′与北纬31°42′～39°35′间，涵盖黄河干流、黄河中游区上段、窟野河、无定河、黄河中游区下段、渭河、泾河、北洛河、伊洛河、嘉陵江区、汉江上游水系、汉江中游水系、丹江水系、毛乌素闭流区14个水系[2]。各个水系分布地理位置不同、水流变化特性差异引起水文测验条件多端变化。测站根据河流走势区域布设，现统筹巡测测站154处，可纳入巡检水位站103处，雨量站1861处。

2.1 测站及任务确立

水文测验工作主要包含站网规划、勘测与设立水文测站、测验方式、水文调查、报送信息、资料整编刊印[3]。巡测是测验工作具体落实方式之一，承担着测量河流水文要素数据、分析河流水文特征、统筹测站河流测验、水文以及测验环境调查。

根据河流所处自然环境、河流特性以及站网管理需求，在陕基本水文测站分布在黄河、长江主要支流，并逐步形成了多种水文要素历史测验数据系列，专用水文测站分布中小河流且正在形成历史测验数据系列。黄河、长江流域基本水文测站地域管辖分布见图1。

图1 黄河、长江流域基本水文测站区域分布

水文测验任务是根据各项水文测验规范及技术规定，按照站网优化分级管理原则，结合测站具体情况而设定。巡测是针对基本水文测站任务，完成主要水文要素测验，包括：水位、流量、泥沙测验项目。并针对测验任务需求做出相应水文调查。降水、蒸发、水温、冰情等项目则以巡检方式纳入测验。

2.2 测验条件

河流、渠道所设立基本水尺、测流断面是水文要素测验基础。基点、校核点为保障断面精准测量提供依据，校核基点、校核点、测验断面也是巡测方案实施的基本保障。

对比人工观测与自动监测测验数据，寻求对比规律是水位测量自动化的需求，也是水位巡测精准测验的必要条件。

流量测验是根据河道分布不同，采用多种测试方法。一般流量测验是基于河流测流大断面上的流速仪法。由断面的水流特性，也可采用断面上下比降、水面漂浮目标推算断面流量。随着科技发展，利用电磁波、声波、同位素、水工设施等技术在河流上、表面以及河流中进行多种方法测量。

水文巡测为了精简步骤，提高效率。在水流过程中河底高程变化相对稳定，大断面面积变化较小，利用历史水位、流量规律精简测验步骤。稳定的关系是简化步骤的前提条件。寻求率定水位流量单值化是巡测流量的关键，通过有效时长的大断面水位、流量数据统计，利用综合落差指数[4]、拟合等方法率定关系。拟合法通常包含幂函数(抛物线)法、双曲线法、多函数逐步回归法。关系不稳定，测验条件影响比较复杂时，巡测一般利用有效历史时段测定的水位、流量数值在不同级水位上利用多段进行方法率定。特大洪水条件下，水位、流量不具备水流过程实时测量，则以洪水过后水文调查为依据。

泥沙测验是依据河流悬移质历史特性分布，通过对河流单位体积内含沙量以及断面平均含沙量测定，对应时刻断面水流速，则可计算出悬移质输沙率。巡测泥沙测验项目是基于悬移质水样能自动采集并计算出含沙量或者断面上通过的流量和输沙率具有稳定关系。测定单位体积内含沙量或者断面平均含沙量与水流量具有稳定对应关系则可以实施巡测。

对于降水、蒸发、水温、冰情等项目的巡检，随着现代化测验设施设备的发展，项目测验设备均可采用自动采集模式，根据测验要求定期对测试环境、条件校核即可。

在陕基本水文测站水位监测已具备实时在线自动采集功能，数据对比历史人工测验，系列可被采用形成水位对比规律已达70%。

流量、泥沙测验由于大断面主要分布在长江、黄河两大流域。长江流域由于降水颇丰，河流水峰较多，一般为峰高量小单式型居多，水位流量关系相对稳定，水位流量单值化关系或者多条件下稳定关系的测站满足率已达70%；黄河流域降水量相对较小，变化急促，河流水峰一般峰高量小、历时较短，水位流量关系受地理条件影响，关系较复杂，一般中高水呈绳套型，特殊区域呈单一线型，低水受断面变化影响因素较大。地处两大流域内的测站，按照测验任务需求，根据测站水性特征分析，基本上逐站均采用过水位流量单值化分析，率定单值化或者具有区域稳定关系的水文站已可达40%。

稳定关系流量测验一般均采用水位级布设，具有良好单一线测站则直接采用水位实时测验，推算流量。水位计布设即：

式中：p为频率；m为随机样本由大到小排列序列号；n为样本总数。

图2 高水位、平均水位、低水位频率曲线

采用2008年～2012年5 a实测流量资料进行综合定线，实测流量成果中包含各次洪峰以及最大洪峰过程，确保样本的覆盖性。确定综合曲线见图3。

图3 水位-流量综合曲线

以水位测定判断流量，误差控制以满足正态分布函数N(0,σQ2)来界定。Pi=(Qi-Qci)/Qci，Pi～N(0,σQ2)。实际应用中，采用有限测验数据Pi(i=1、2……n)作为样本计算。

水位流量在单值化处理后，通过水位近似指数函数来逼近，则相对标准差可按第一公式控制：

当流量1nQi-1nQci变化相对较小，可用第二公式简约计算：

置信水平为95%的相对随机不确定度按照下式衡量：

X=2Se

式中：Se为相对标准差，X为相对随机不确定度。

系统误差一般采用相对误差的均值，即：

式中：Qi为实测流量；Qci为预测流量；σQ为实测值偏离预测值相对误差组成的总体方差。

对于水位流量比较复杂对应关系，形成绳套型线型，则以相对标准差直接作为衡量精度。

为了精确确定水位流量对应关系，通过历史系列数据来检验对应测验规律，一般需要进行符号检验、适线检验、以及偏离数值检验[5]。

悬移质输沙率巡测是根据各大断面测验特点，通过测验数据系列，控制单沙、断沙、输沙率测验误差，建立测验项目与输沙率之间的关系形成的。对于输沙率停测或者间测，以定期历史测验资料为基础，涵盖输沙率的变幅70%以上，水位变幅80%以上，控制预测输沙率与历史测验数据偏离±5%内可间测[7]。在陕泥沙二类、三类精度水文测站间测涵盖率已达100%。

3 水文巡测方案的优化

巡测是根据水文测站、断面地理位置、交通条件、水文特性构成的巡测区实施水文要素规律性的监测。确定水文巡测中心，以流域水系上分布测站Ai为基础，明确测站间的交通距离Dij、交通费用mij/mj、正常路程花费时间Tij/m(i,j=1,2……n)、水流过程预计时间Tij′等影响因子。

水文测站参考历史水流、泥沙过程测验，统计洪峰次数、水流过程历时及特征、沙峰场次与含沙量测验过程特点。通过测站水位流量测验规律、测点含沙量及测验历时分析测验特性，达到测站流量、含沙量测次精简、历时减短控制的目的。

为确保测验覆盖、延伸性，测验标本选择5 a以上的测验控制过程。以渭河在陕上中游水文测站特性分析，如：魏家堡、鹦鸽、安头大断面。经过历次水流过程分析，控制水流过程测次需求以及测流历时见表1。

令流域水系上分布测站Ai对应断面测流、含沙量测定时间为ti，以求最优控制时间、花销或者兼顾两者，求最优方案。则：

(1)以时间为目标，优化巡测方案

(2)以花费为目标，优化巡测方案

(3)综合时间、距离，优化巡测方案

综合性优化方案，N′综合性数值，以加权αi，j计算方式进行，权重根据各测站间具体特性采用综合评估取值Ai，j。即：

巡测方案的制定，由于受地理、环境变化因素影响较多，因此逐步探求量化影响因子，通过率定水文要素之间的规律，测验方法上则可以逐渐以限制条件优化巡测步骤安排。精简的测验方式方法不但能精确满足测验任务需求，而且亦可节约测验资源，达到优化效能的结果。

4 结语

分析河流测验需求，根据测验任务明确巡测中心以及分中心建立水文巡测的条件，将条件量化后依照方法进行条件限制处理的优化方案设计，则可最大限度的节约测验资源，快速、及时的控制河流测验过程，为区域水文测站巡测奠定基础。