趙文旭，趙新平

(陜西省水文水資源勘測(cè)局，陜西西安710068)

1 引言

隨著時(shí)間推移、環(huán)境改變，水文測(cè)驗(yàn)需要根據(jù)水文水資源在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用需求逐步調(diào)整。巡測(cè)是為了適應(yīng)現(xiàn)代化測(cè)驗(yàn)條件，變更測(cè)驗(yàn)方式的一種手段。傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)常采用人工駐守測(cè)站對(duì)河流各斷面上水文要素進(jìn)行規(guī)律性的監(jiān)測(cè)。隨著測(cè)驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)系列的形成，水文諸要素測(cè)驗(yàn)規(guī)律逐步明晰，復(fù)雜條件下的測(cè)驗(yàn)手段不斷加強(qiáng)，測(cè)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備逐漸呈智能、自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)正在逐步、迫使地被分化、取代。

巡測(cè)是根據(jù)水文測(cè)驗(yàn)條件，以巡回流動(dòng)的方式定期或者不定期地在一個(gè)地區(qū)或者流域內(nèi)的水文測(cè)站或斷面進(jìn)行水文要素觀測(cè)作業(yè)[1]。明確水文巡測(cè)區(qū)域，確定測(cè)驗(yàn)測(cè)站、斷面，明晰水文要素測(cè)驗(yàn)任務(wù)，布設(shè)水文巡測(cè)形成預(yù)案是簡(jiǎn)明測(cè)驗(yàn)準(zhǔn)備的必要條件。針對(duì)預(yù)案尋求合理的方法布設(shè)巡測(cè)，既能有效節(jié)約測(cè)驗(yàn)資源，又能促進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)效能的形成。因此分析測(cè)驗(yàn)條件、探求測(cè)驗(yàn)的優(yōu)化方法便是水文巡測(cè)的先決條件之一。

2 水文巡測(cè)條件分析

為了區(qū)域內(nèi)河流布設(shè)站點(diǎn)能高效的完成測(cè)驗(yàn)任務(wù)，精準(zhǔn)地測(cè)驗(yàn)各大斷面的水文要素，有效掌控河流變化規(guī)律，在測(cè)驗(yàn)變更需求下，水文巡測(cè)成為當(dāng)下有效測(cè)驗(yàn)方式之一。

在陜河流流域跨越東經(jīng)105°29′～111°15′與北緯31°42′～39°35′間，涵蓋黃河干流、黃河中游區(qū)上段、窟野河、無(wú)定河、黃河中游區(qū)下段、渭河、涇河、北洛河、伊洛河、嘉陵江區(qū)、漢江上游水系、漢江中游水系、丹江水系、毛烏素閉流區(qū)14個(gè)水系[2]。各個(gè)水系分布地理位置不同、水流變化特性差異引起水文測(cè)驗(yàn)條件多端變化。測(cè)站根據(jù)河流走勢(shì)區(qū)域布設(shè)，現(xiàn)統(tǒng)籌巡測(cè)測(cè)站154處，可納入巡檢水位站103處，雨量站1861處。

2.1 測(cè)站及任務(wù)確立

水文測(cè)驗(yàn)工作主要包含站網(wǎng)規(guī)劃、勘測(cè)與設(shè)立水文測(cè)站、測(cè)驗(yàn)方式、水文調(diào)查、報(bào)送信息、資料整編刊印[3]。巡測(cè)是測(cè)驗(yàn)工作具體落實(shí)方式之一，承擔(dān)著測(cè)量河流水文要素?cái)?shù)據(jù)、分析河流水文特征、統(tǒng)籌測(cè)站河流測(cè)驗(yàn)、水文以及測(cè)驗(yàn)環(huán)境調(diào)查。

根據(jù)河流所處自然環(huán)境、河流特性以及站網(wǎng)管理需求，在陜基本水文測(cè)站分布在黃河、長(zhǎng)江主要支流，并逐步形成了多種水文要素歷史測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)系列，專用水文測(cè)站分布中小河流且正在形成歷史測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)系列。黃河、長(zhǎng)江流域基本水文測(cè)站地域管轄分布見(jiàn)圖1。

圖1 黃河、長(zhǎng)江流域基本水文測(cè)站區(qū)域分布

水文測(cè)驗(yàn)任務(wù)是根據(jù)各項(xiàng)水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范及技術(shù)規(guī)定，按照站網(wǎng)優(yōu)化分級(jí)管理原則，結(jié)合測(cè)站具體情況而設(shè)定。巡測(cè)是針對(duì)基本水文測(cè)站任務(wù)，完成主要水文要素測(cè)驗(yàn)，包括：水位、流量、泥沙測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目。并針對(duì)測(cè)驗(yàn)任務(wù)需求做出相應(yīng)水文調(diào)查。降水、蒸發(fā)、水溫、冰情等項(xiàng)目則以巡檢方式納入測(cè)驗(yàn)。

2.2 測(cè)驗(yàn)條件

河流、渠道所設(shè)立基本水尺、測(cè)流斷面是水文要素測(cè)驗(yàn)基礎(chǔ)?；c(diǎn)、校核點(diǎn)為保障斷面精準(zhǔn)測(cè)量提供依據(jù)，校核基點(diǎn)、校核點(diǎn)、測(cè)驗(yàn)斷面也是巡測(cè)方案實(shí)施的基本保障。

對(duì)比人工觀測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尋求對(duì)比規(guī)律是水位測(cè)量自動(dòng)化的需求，也是水位巡測(cè)精準(zhǔn)測(cè)驗(yàn)的必要條件。

流量測(cè)驗(yàn)是根據(jù)河道分布不同，采用多種測(cè)試方法。一般流量測(cè)驗(yàn)是基于河流測(cè)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(biāo)推算斷面流量。隨著科技發(fā)展，利用電磁波、聲波、同位素、水工設(shè)施等技術(shù)在河流上、表面以及河流中進(jìn)行多種方法測(cè)量。

水文巡測(cè)為了精簡(jiǎn)步驟，提高效率。在水流過(guò)程中河底高程變化相對(duì)穩(wěn)定，大斷面面積變化較小，利用歷史水位、流量規(guī)律精簡(jiǎn)測(cè)驗(yàn)步驟。穩(wěn)定的關(guān)系是簡(jiǎn)化步驟的前提條件。尋求率定水位流量單值化是巡測(cè)流量的關(guān)鍵，通過(guò)有效時(shí)長(zhǎng)的大斷面水位、流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用綜合落差指數(shù)[4]、擬合等方法率定關(guān)系。擬合法通常包含冪函數(shù)(拋物線)法、雙曲線法、多函數(shù)逐步回歸法。關(guān)系不穩(wěn)定，測(cè)驗(yàn)條件影響比較復(fù)雜時(shí)，巡測(cè)一般利用有效歷史時(shí)段測(cè)定的水位、流量數(shù)值在不同級(jí)水位上利用多段進(jìn)行方法率定。特大洪水條件下，水位、流量不具備水流過(guò)程實(shí)時(shí)測(cè)量，則以洪水過(guò)后水文調(diào)查為依據(jù)。

泥沙測(cè)驗(yàn)是依據(jù)河流懸移質(zhì)歷史特性分布，通過(guò)對(duì)河流單位體積內(nèi)含沙量以及斷面平均含沙量測(cè)定，對(duì)應(yīng)時(shí)刻斷面水流速，則可計(jì)算出懸移質(zhì)輸沙率。巡測(cè)泥沙測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目是基于懸移質(zhì)水樣能自動(dòng)采集并計(jì)算出含沙量或者斷面上通過(guò)的流量和輸沙率具有穩(wěn)定關(guān)系。測(cè)定單位體積內(nèi)含沙量或者斷面平均含沙量與水流量具有穩(wěn)定對(duì)應(yīng)關(guān)系則可以實(shí)施巡測(cè)。

對(duì)于降水、蒸發(fā)、水溫、冰情等項(xiàng)目的巡檢，隨著現(xiàn)代化測(cè)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備的發(fā)展，項(xiàng)目測(cè)驗(yàn)設(shè)備均可采用自動(dòng)采集模式，根據(jù)測(cè)驗(yàn)要求定期對(duì)測(cè)試環(huán)境、條件校核即可。

在陜基本水文測(cè)站水位監(jiān)測(cè)已具備實(shí)時(shí)在線自動(dòng)采集功能，數(shù)據(jù)對(duì)比歷史人工測(cè)驗(yàn)，系列可被采用形成水位對(duì)比規(guī)律已達(dá)70%。

流量、泥沙測(cè)驗(yàn)由于大斷面主要分布在長(zhǎng)江、黃河兩大流域。長(zhǎng)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(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，水位流量單值化關(guān)系或者多條件下穩(wěn)定關(guān)系的測(cè)站滿足率已達(dá)70%；黃河流域降水量相對(duì)較小，變化急促，河流水峰一般峰高量小、歷時(shí)較短，水位流量關(guān)系受地理?xiàng)l件影響，關(guān)系較復(fù)雜，一般中高水呈繩套型，特殊區(qū)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(nèi)的測(cè)站，按照測(cè)驗(yàn)任務(wù)需求，根據(jù)測(cè)站水性特征分析，基本上逐站均采用過(guò)水位流量單值化分析，率定單值化或者具有區(qū)域穩(wěn)定關(guān)系的水文站已可達(dá)40%。

穩(wěn)定關(guān)系流量測(cè)驗(yàn)一般均采用水位級(jí)布設(shè)，具有良好單一線測(cè)站則直接采用水位實(shí)時(shí)測(cè)驗(yàn)，推算流量。水位計(jì)布設(shè)即：

式中：p為頻率；m為隨機(jī)樣本由大到小排列序列號(hào)；n為樣本總數(shù)。

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(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行綜合定線，實(shí)測(cè)流量成果中包含各次洪峰以及最大洪峰過(guò)程，確保樣本的覆蓋性。確定綜合曲線見(jiàn)圖3。

圖3 水位-流量綜合曲線

以水位測(cè)定判斷流量，誤差控制以滿足正態(tài)分布函數(shù)N(0,σQ2)來(lái)界定。Pi=(Qi-Qci)/Qci，Pi～N(0,σQ2)。實(shí)際應(yīng)用中，采用有限測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)Pi(i=1、2……n)作為樣本計(jì)算。

水位流量在單值化處理后，通過(guò)水位近似指數(shù)函數(shù)來(lái)逼近，則相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差可按第一公式控制：

當(dāng)流量1nQi-1nQci變化相對(duì)較小，可用第二公式簡(jiǎn)約計(jì)算：

置信水平為95%的相對(duì)隨機(jī)不確定度按照下式衡量：

X=2Se

式中：Se為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，X為相對(duì)隨機(jī)不確定度。

系統(tǒng)誤差一般采用相對(duì)誤差的均值，即：

式中：Qi為實(shí)測(cè)流量；Qci為預(yù)測(cè)流量；σQ為實(shí)測(cè)值偏離預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差組成的總體方差。

對(duì)于水位流量比較復(fù)雜對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成繩套型線型，則以相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差直接作為衡量精度。

為了精確確定水位流量對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)歷史系列數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)測(cè)驗(yàn)規(guī)律，一般需要進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、以及偏離數(shù)值檢驗(yàn)[5]。

懸移質(zhì)輸沙率巡測(cè)是根據(jù)各大斷面測(cè)驗(yàn)特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)系列，控制單沙、斷沙、輸沙率測(cè)驗(yàn)誤差，建立測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目與輸沙率之間的關(guān)系形成的。對(duì)于輸沙率停測(cè)或者間測(cè)，以定期歷史測(cè)驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，涵蓋輸沙率的變幅70%以上，水位變幅80%以上，控制預(yù)測(cè)輸沙率與歷史測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離±5%內(nèi)可間測(cè)[7]。在陜泥沙二類、三類精度水文測(cè)站間測(cè)涵蓋率已達(dá)100%。

3 水文巡測(cè)方案的優(yōu)化

巡測(cè)是根據(jù)水文測(cè)站、斷面地理位置、交通條件、水文特性構(gòu)成的巡測(cè)區(qū)實(shí)施水文要素規(guī)律性的監(jiān)測(cè)。確定水文巡測(cè)中心，以流域水系上分布測(cè)站Ai為基礎(chǔ)，明確測(cè)站間的交通距離Dij、交通費(fèi)用mij/mj、正常路程花費(fèi)時(shí)間Tij/m(i,j=1,2……n)、水流過(guò)程預(yù)計(jì)時(shí)間Tij′等影響因子。

水文測(cè)站參考?xì)v史水流、泥沙過(guò)程測(cè)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)洪峰次數(shù)、水流過(guò)程歷時(shí)及特征、沙峰場(chǎng)次與含沙量測(cè)驗(yàn)過(guò)程特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)站水位流量測(cè)驗(yàn)規(guī)律、測(cè)點(diǎn)含沙量及測(cè)驗(yàn)歷時(shí)分析測(cè)驗(yàn)特性，達(dá)到測(cè)站流量、含沙量測(cè)次精簡(jiǎn)、歷時(shí)減短控制的目的。

為確保測(cè)驗(yàn)覆蓋、延伸性，測(cè)驗(yàn)標(biāo)本選擇5 a以上的測(cè)驗(yàn)控制過(guò)程。以渭河在陜上中游水文測(cè)站特性分析，如：魏家堡、鸚鴿、安頭大斷面。經(jīng)過(guò)歷次水流過(guò)程分析，控制水流過(guò)程測(cè)次需求以及測(cè)流歷時(shí)見(jiàn)表1。

令流域水系上分布測(cè)站Ai對(duì)應(yīng)斷面測(cè)流、含沙量測(cè)定時(shí)間為ti，以求最優(yōu)控制時(shí)間、花銷或者兼顧兩者，求最優(yōu)方案。則：

(1)以時(shí)間為目標(biāo)，優(yōu)化巡測(cè)方案

(2)以花費(fèi)為目標(biāo)，優(yōu)化巡測(cè)方案

(3)綜合時(shí)間、距離，優(yōu)化巡測(cè)方案

綜合性優(yōu)化方案，N′綜合性數(shù)值，以加權(quán)αi，j計(jì)算方式進(jìn)行，權(quán)重根據(jù)各測(cè)站間具體特性采用綜合評(píng)估取值A(chǔ)i，j。即：

巡測(cè)方案的制定，由于受地理、環(huán)境變化因素影響較多，因此逐步探求量化影響因子，通過(guò)率定水文要素之間的規(guī)律，測(cè)驗(yàn)方法上則可以逐漸以限制條件優(yōu)化巡測(cè)步驟安排。精簡(jiǎn)的測(cè)驗(yàn)方式方法不但能精確滿足測(cè)驗(yàn)任務(wù)需求，而且亦可節(jié)約測(cè)驗(yàn)資源，達(dá)到優(yōu)化效能的結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

分析河流測(cè)驗(yàn)需求，根據(jù)測(cè)驗(yàn)任務(wù)明確巡測(cè)中心以及分中心建立水文巡測(cè)的條件，將條件量化后依照方法進(jìn)行條件限制處理的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，則可最大限度的節(jié)約測(cè)驗(yàn)資源，快速、及時(shí)的控制河流測(cè)驗(yàn)過(guò)程，為區(qū)域水文測(cè)站巡測(cè)奠定基礎(chǔ)。