孫紅美 孫振玉 孫凱

（泰安市水文中心，山東 泰安 271500）

在水文測驗時，技術(shù)人員需要到現(xiàn)場采集不同類型的地質(zhì)數(shù)據(jù)與水文信息，但數(shù)據(jù)的獲取過程在水利建設(shè)工作的影響與干預(yù)下，會出現(xiàn)明顯的偏差，測驗工作的復(fù)雜性也出現(xiàn)明顯提升趨勢。通過水文測驗，可以及時感知下游水文環(huán)境的變化，將獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)作為參照，可以有效避免由于水資源變化誘發(fā)的災(zāi)害現(xiàn)象，也可以提高水源的使用率[1]。但隨著我國地方政府與相關(guān)部門對水利水電建設(shè)工程投入的增加，水文測驗工作的難度也隨之加大，甚至直接干預(yù)了下游相關(guān)工作的順利開展。為降低影響，使水利水電工程成為優(yōu)化國家經(jīng)濟建設(shè)的福利工程，建設(shè)單位提出了規(guī)范水文測驗工作行為、制定專項測驗方案等措施，但相關(guān)措施的實施，未能在實際工作中取得成果，甚至對水利水電工程項目的建設(shè)造成了干預(yù)[2]。為了徹底解決工程建設(shè)對水文測驗的負面影響，在保證水利工程項目發(fā)揮最大運行效能的基礎(chǔ)上，提升測繪數(shù)據(jù)的精確性與時效性，本文將設(shè)計一種工程建設(shè)對測驗影響程度的分析方法，掌握工程建設(shè)在不同程度上對測驗的干預(yù)，進一步實現(xiàn)對測驗工作的優(yōu)化。

1 水利水電工程建設(shè)對下游水文測驗的影響分析方法

通過對下游河段進行水文測驗可以提高地域水文質(zhì)量，提升地域內(nèi)水利水電工程建設(shè)效果，促使其發(fā)揮最大效能。同時，高質(zhì)量的水利水電工程建設(shè)也可以反作用于水文測驗中，利用終端計算機設(shè)備，將提取到的影響下游水文測驗的參數(shù)指標進行劃分，降低水文平衡性誤差，以此構(gòu)建工程建設(shè)與水文測驗關(guān)系模型，提高地域水文分析能力。采用關(guān)聯(lián)度計算下游測驗站工作穩(wěn)定性系數(shù)及建設(shè)頻繁程度等數(shù)值，獲取水文測驗的不同影響程度，對工程建設(shè)與測驗結(jié)果進行綜合分析。通過掌握工程建設(shè)周期內(nèi)下游水文的空間分布變化趨勢，提升水質(zhì)測繪的精確性，及時對問題水源進行檢測和治理，促使我國水資源利用率提高。

1.1 下游水文測驗影響因素提取

為進一步感知工程建設(shè)與測驗結(jié)果數(shù)據(jù)的影響，需要在開展設(shè)計研究前，對下游水文測驗工作影響因素進行提取。在此過程中應(yīng)明確，對下游進行水文測驗其本質(zhì)是對下游水位監(jiān)測、水體流量綜合檢驗的過程，因此對其影響因素的提取便是對監(jiān)測與綜合檢驗過程深度分析的過程。

在進行下游水位監(jiān)測時，技術(shù)人員需要先進行專項儀器設(shè)備的調(diào)試，獲取不同時段下的水位，將獲取或采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入終端計算機設(shè)備，對數(shù)據(jù)進行宏觀調(diào)整與平滑處理[3]。通過此種方式，可以得到如圖1 所示的水位監(jiān)測結(jié)果曲線。

圖1 下游水位監(jiān)測結(jié)果曲線示意圖

在測驗過程中，水位監(jiān)測值的精度、誤差、時效等參數(shù)均可以作為描述監(jiān)測結(jié)果質(zhì)量性與可行性的指標。

采用多普勒超聲波流量計，按照ADCP 測流方法對被測試的水域水流進行平均流速、水深和水溫的測試。由于多普勒超聲波流量計自身帶有溫度傳感器，可以補償水溫對聲速的影響，使測試結(jié)果更加精確。同時，無機械轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特點會減小對水域內(nèi)水流的影響程度，提高測量精度，降低起始速度，便于獲取水域?qū)嶋H水質(zhì)數(shù)值。結(jié)合速度面積法，測量水域內(nèi)的水流瞬時流量和累積流量，有效提高下游水文測驗影響因素數(shù)據(jù)的提取效果，實時性較強。但是，在水利水電工程建設(shè)綜合調(diào)度過程中，由下游流下的水體不論在流量或是在流速方面，都會受到影響。盡管技術(shù)人員可以通過對水位流量的ADCP 在線監(jiān)測，精準地掌握水位與流量信息，但測驗工作中的平衡性誤差仍不可避免[4]。按照上述方式，在水文測驗工作中，將描述測驗結(jié)果的多個參數(shù)指標作為影響因素，將參數(shù)指標表示為P，則測驗影響因素可以表示為{P1,P2,P3,…,Pn}，按照此種方式，完成對下游水文測驗影響因素的提取，其中n 代表影響因素的數(shù)量。

1.2 構(gòu)建工程建設(shè)與水文測驗關(guān)系模型

全面、可靠的水文地質(zhì)資料是保證水文測驗結(jié)果準確性的依據(jù)，為掌握上游水利工程建設(shè)實施對下游水文測驗工作的影響，本章提出構(gòu)建兩者關(guān)系模型的方式，發(fā)揮工程建設(shè)對測驗的負面干預(yù)。

在開展此項工作時，可以通過結(jié)合水文流量組合法與連時序法的方式，構(gòu)造下游水文分布空間結(jié)構(gòu)。水文流量組合法是將被測水域內(nèi)的上游河段與下游河段變化趨勢進行組合的一種方式，可以提高測驗過程中的精準度。這是由于水利水電工程建設(shè)對上游河段的影響程度較小，不會因為外界的客觀環(huán)境因素和工程建設(shè)的內(nèi)在影響造成上游河段水位和流量變化。因此，可以在上游區(qū)域內(nèi)選取某一時段的水位與流量變化情況，將其繪制成水文變化趨勢圖，結(jié)合折線趨勢分析下游水域的變化程度。水文流量連時序法是通過計算的方式獲取一定時期范圍內(nèi)的被測水域H-ADCP 數(shù)據(jù)，根據(jù)具體下游河段的流速、水深和水溫結(jié)果進行圖表繪制。水文流量圖表以時間變化趨勢和流量走勢作為繪制條件，繪制出在特定時期范圍下，下游河段水勢情況，以此分析水利水電工程建設(shè)對下游水文的影響。將水文空間分布的變化趨勢作為關(guān)系，按照水文流量組合法與連時序法的方式構(gòu)建工程建設(shè)與水文測驗關(guān)系模型。模型構(gòu)建的主要參照依據(jù)，例如，調(diào)度數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)，明確下游水文變化周期（周期可以為一個月，也可以為一個季度），記錄水文工程在建設(shè)周期內(nèi)下游周圍水系的變化。引進數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，識別并判斷水系變化在此過程中是否存在可循規(guī)律，根據(jù)規(guī)律繪制水系流量圖示[5]。同時，明確測驗中的上游水位變化受到水利水電工程建設(shè)的影響程度較小，水位監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)與水體流量數(shù)據(jù)的相關(guān)性更強。因此，在構(gòu)建關(guān)系模型時，截取上游水位中某一段高水位流量信息，將其繪制成“時序- 上游水位流量”示意圖，將繪制的圖示與周期時間段內(nèi)“時序- 下游水位流量”示意圖進行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果，得到一個可以描述工程建設(shè)與水文測驗關(guān)系的結(jié)構(gòu)模型。模型表達式如下計算公式所示。

公式（1）中：Qm表示為工程建設(shè)與水文測驗關(guān)系模型表達式；K 表示為點面系數(shù)；m 表示為兩者圖示匹配程度；θ 表示為下游水位峰值；S 表示為統(tǒng)計流量；F 表示為測驗周期。將已知參數(shù)代入上述計算公式，完成對關(guān)系模型的構(gòu)建，初步掌握在工程建設(shè)周期內(nèi)下游水文的空間分布變化趨勢。

1.3 基于關(guān)聯(lián)度計算的影響程度綜合分析

完成對影響因素的提取與上述相關(guān)設(shè)計研究后，引進關(guān)聯(lián)度計算公式，通過對不同影響因素與水文測驗結(jié)果可靠性指標的關(guān)聯(lián)度比對，掌握工程建設(shè)與測驗結(jié)果的影響。關(guān)聯(lián)度計算可以通過研究被測水域上游河段和下游河段的平均流速、水深和水溫等數(shù)據(jù)，研究水利水電工程建設(shè)與下游水文的關(guān)聯(lián)性大小，從而反映各影響因素對目標值的重要程度，具有一定的客觀性。其中，水利水電工程建設(shè)對下游水文測驗影響程度的關(guān)聯(lián)度計算公式如下。

公式（2）中：ΔZm表示為工程建設(shè)與測驗結(jié)果的影響關(guān)聯(lián)度；η 表示為下游測驗站工作穩(wěn)定性系數(shù)；i 表示為上游水利水電工程建設(shè)頻繁程度；V 表示為水文體積系數(shù)。將相關(guān)數(shù)值代入計算公式（2），得到ΔZm結(jié)果數(shù)值，對ΔZm進行量化處理。當ΔZm取值在0.8～1.0 之間時，說明水利水電站工程建設(shè)對于測驗工作的影響程度極大，測驗結(jié)果數(shù)據(jù)可能與實際結(jié)果存在偏差；當ΔZm取值在0.5～0.8（不含0.8）時，說明水利水電站工程建設(shè)對于測驗工作的影響程度較大，測驗結(jié)果數(shù)據(jù)可能與實際結(jié)果存在可校正的偏差；當ΔZm取值<0.5（不含0.5）時，說明水利水電站工程建設(shè)對于測驗工作無影響，或影響程度較小，可以通過人工校正的方式，實現(xiàn)對影響程度的綜合分析。

至此，完成了水利水電工程建設(shè)對下游水文測驗影響的方法設(shè)計，綜上所述規(guī)范水文測驗工作有利于確保水文站的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)人與自然和諧相處的目的。

2 實例應(yīng)用分析

在完成對影響分析方法的設(shè)計后，為了驗證這一分析方法的應(yīng)用效果，選擇以某流域為該分析方法的應(yīng)用環(huán)境，開展這一覆蓋范圍內(nèi)水利水電工程建設(shè)對其下游水文測驗的影響分析。已知該流域當中富含豐富的水生生物資源，流域全長300km，在該區(qū)域上游位置完成了對水利水電工程的建設(shè)，除了對河流以及生物造成了阻隔影響以外，工程中水庫調(diào)度時也對該流域下游水文測驗過程產(chǎn)生了一定影響。為了探究具體影響，針對該流域進行影響分析。首先，提取該區(qū)域下游水文測驗影響因素，其次，結(jié)合該流域上游水利水電工程建設(shè)項目，構(gòu)建工程建設(shè)與水文測驗關(guān)系模型。最后，引入關(guān)聯(lián)度計算，對該流域水利水電工程建設(shè)對下游水文測驗的影響進行分析。在分析過程中，提取各項指標并按照上述論述內(nèi)容，計算得出該流域在建設(shè)水利水電工程前10 年各指標的平均數(shù)值，再計算出該流域在建設(shè)水利水電工程后10 年各指標的平均數(shù)值，將計算結(jié)果繪制成表1 所示。

表1 各影響因素指標計算結(jié)果記錄表

從表1 中得出的各影響因素指標計算結(jié)果可以看出，影響因素指標P3 和P5 的相對變化更大，其次為P4和P6，最低的影響因素指標為P2，相對變化僅為2.1%，可認為這一影響因素不會影響測驗過程及結(jié)果。由此可以通過相對變化確定工程建設(shè)對其測驗主要受到P3 和P5 因素影響，其次為P4 和P6，在測驗過程中不會受到P2 因素影響。通過上述實例能夠看出，本文提出的影響分析方法能夠結(jié)合最終得出的分析量化結(jié)果實現(xiàn)對其影響因素的確定，直觀性更強，在實際應(yīng)用中具備更高可行性。

為對比分析本文提出的影響分析方法和傳統(tǒng)影響分析方法在測量流量方面的誤差，選用上述流域下游洪水過程進行兩種影響分析方法的測量流量結(jié)果對比，測量水利水電工程位于該水文站測驗保護區(qū)內(nèi)，水文測驗斷面距工程約80m。該水文站測驗河道順向長度450m，在基礎(chǔ)斷面下300 米處修建了一座雙曲型拱橋。該流域植被覆蓋率高，雨量充沛，年變化不大。洪水以暴雨為主，起伏緩慢。在高水位條件下，水位- 流量關(guān)系是一條單線，在中、低水段出現(xiàn)多條臨時曲線。

2020 年，該水文站洪水時間從0902-0930 歷時大于60d，洪水量級為中量級，河道斷面洪峰流量1800m3/s，最大水面寬500m，最大垂線平均流速3.3m/s，該次洪水過程具有較高對比測驗價值。于2020 年6、7 兩個月該水文站利用本文提出的影響分析方法和傳統(tǒng)影響分析方法對水文站斷面出現(xiàn)的中、低洪水進行了對比分析，具體結(jié)果如表2、表3 所示。

表2 水文站中等洪水時測量流量精度對比表

表3 水文站低等洪水時測量流量精度對比表

從表2 可以看出水文站中等洪水橋本文提出的影響分析方法和傳統(tǒng)影響分析方法所測得流量最大絕對誤差為40m3/s，最小為0m3/s。符合水文測驗規(guī)定的相對誤差在5%的規(guī)定范圍。從表3 可以看出水文站低等洪水橋本文提出的影響分析方法和傳統(tǒng)影響分析方法所測得流量最大絕對誤差為25m3/s，最小為0m3/s。

符合水文測驗規(guī)定的相對誤差在5%的規(guī)定范圍。從測驗時間上看傳統(tǒng)影響分析方法測流平均在90min 左右，本文提出的影響分析方法測流平均在15min 左右，傳統(tǒng)影響分析方法測流時間是本文提出的影響分析方法測流時間的6 倍，可見本文提出的影響分析方法測流效率極高。

3 結(jié)論

水文測驗工作是指技術(shù)人員在開展相關(guān)工作時，使用專業(yè)的儀器設(shè)備，輔助現(xiàn)代化技術(shù)，對地區(qū)水文資料進行綜合統(tǒng)計與分析處理的過程。通過專項統(tǒng)計工作，可以得到大量的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，將此部分數(shù)據(jù)作為參照，可以為地區(qū)水利水電工程與相關(guān)項目提供進一步的參考依據(jù)。為了降低外界環(huán)境對此項工作實施造成干擾，將設(shè)計一種工程建設(shè)對測驗影響程度的分析方法，并通過實踐檢驗的方式，對設(shè)計方法的可行性進行了檢驗，掌握了上游工程建設(shè)工作對測驗工作造成的綜合影響，為實現(xiàn)水文地質(zhì)測驗、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等相關(guān)工作的實施提供可靠、科學(xué)、精準的測驗數(shù)據(jù)。