李厚永

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局， 湖南 益陽(yáng) 413000)

淺析中美水文測(cè)驗(yàn)方式方法差異與創(chuàng)新

李厚永

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局， 湖南 益陽(yáng) 413000)

介紹了美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文測(cè)驗(yàn)的方式方法，并與我國(guó)目前采用的測(cè)驗(yàn)手段進(jìn)行了比較分析，指出兩國(guó)在水文領(lǐng)域存在的差異之處。通過(guò)比較表明，長(zhǎng)江水文通過(guò)水文測(cè)驗(yàn)方式方法技術(shù)創(chuàng)新，在技術(shù)層面上已經(jīng)處于世界領(lǐng)先, 不過(guò)美國(guó)水文的務(wù)實(shí)理念仍然值得學(xué)習(xí)和借鑒。

水文測(cè)驗(yàn)；技術(shù)創(chuàng)新；比較分析；美國(guó)USGS

1 概 述

為學(xué)習(xí)借鑒美國(guó)水文同行在水文測(cè)驗(yàn)方式方法方面的經(jīng)驗(yàn)，從2009年開(kāi)始，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局先后分批組團(tuán)選派內(nèi)外業(yè)技術(shù)骨干赴美開(kāi)展考察交流活動(dòng)，對(duì)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)總部、其所屬的密蘇里州和路易斯安那州水科學(xué)中心進(jìn)行了參觀訪問(wèn)，包括對(duì)路易斯安那州水科學(xué)中心所屬的3個(gè)水文站和美國(guó)陸軍工程師團(tuán)新奧爾良區(qū)1個(gè)測(cè)驗(yàn)斷面進(jìn)行的野外實(shí)地考察，現(xiàn)場(chǎng)觀摩USGS工作人員收集水文資料操作過(guò)程。經(jīng)過(guò)18 d的技術(shù)交流，不僅對(duì)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的水文站網(wǎng)布置、測(cè)驗(yàn)設(shè)備設(shè)施、測(cè)驗(yàn)方式方法、水文數(shù)據(jù)信息采集、水位流量關(guān)系定線整編、國(guó)家水信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行管理和水文管理體制有了較為詳細(xì)了解，且對(duì)從信息采集、數(shù)據(jù)分析、資料整理到信息發(fā)布的水文測(cè)驗(yàn)全流程有了具體了解，認(rèn)識(shí)到兩國(guó)水文在測(cè)驗(yàn)方式、水位流量關(guān)系定線、資料整編和產(chǎn)品發(fā)布等方面存在差異。長(zhǎng)江水文通過(guò)多年的水文測(cè)驗(yàn)方式方法技術(shù)創(chuàng)新，儀器設(shè)備更新改造換代，在技術(shù)層面，我國(guó)水文已經(jīng)處于世界領(lǐng)先，但美國(guó)水文的務(wù)實(shí)理念仍然值得學(xué)習(xí)和借鑒。

2 水文巡測(cè)方式上的差異

2.1 水位測(cè)驗(yàn)方式

根據(jù)美國(guó)方面的介紹和在水文測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)考察的情況，美國(guó)水文站點(diǎn)沒(méi)有明顯的基本設(shè)施標(biāo)志，如水文站房、儀器房、斷面標(biāo)、輻射桿、水尺樁、水位自記臺(tái)和水文測(cè)船碼頭等。所到的4個(gè)水文站中，有3個(gè)站點(diǎn)的水位自記儀安放在橋梁上，1個(gè)安放在軍港碼頭平臺(tái)承重柱上，水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)志鑲嵌在橋面或碼頭平臺(tái)上，均采用氣泡式水位記錄儀?，F(xiàn)場(chǎng)校核水位方法簡(jiǎn)易，用重錘測(cè)量繩從橋面放下，當(dāng)錘頭接觸水面時(shí)，繩中的雙導(dǎo)線觸水導(dǎo)通在橋面的儀表燈發(fā)亮，USGS工作人員讀取數(shù)據(jù)，記錄值要精確到英尺單位小數(shù)點(diǎn)后3位。然而，從專業(yè)的角度講,這種測(cè)量方式實(shí)際上達(dá)不到所記錄的精度。

2.2 流量和含沙量測(cè)驗(yàn)方式

水文測(cè)量船一般長(zhǎng)7～9 m，有多種材質(zhì)，以鈦合金材質(zhì)為主，測(cè)船安放在拖車架上，平時(shí)停放在水科學(xué)中心陸地倉(cāng)庫(kù)里，外出巡測(cè)時(shí)用皮卡車運(yùn)輸幾十至幾百千米到達(dá)水文站，每個(gè)站都建有拖車入水碼頭。一次出巡往往沿途聯(lián)測(cè)多個(gè)測(cè)站的水文測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目,有的水科學(xué)中心備有房車，可為工作人員提供生活上的便利與保障，測(cè)船舾裝部分十分簡(jiǎn)陋，只有駕駛室能容納2～4人的活動(dòng)空間，一組車船派2～3名工作人員，就可完成開(kāi)車、駕船、測(cè)流與含沙量取水樣等測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目，工作效率較高。

流量測(cè)驗(yàn)采用ADCP，以小型快艇為載體，在斷面線上往返測(cè)4個(gè)單邊取其平均值，主要獲取流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)后處理也較簡(jiǎn)單，至岸邊水平距離用普通視距儀直接讀取。測(cè)船上安裝取水樣小型電動(dòng)絞關(guān)設(shè)備，用電瓶供電帶動(dòng)。取水樣時(shí)測(cè)船不拋錨定位，用皮囊式垂線混合法采樣，所取水樣容量達(dá)不到要求時(shí)重新取樣，取1條垂線水樣經(jīng)常要反復(fù)多次，其效率欠佳，泥沙顆粒分析設(shè)備和分析方法也并非最先進(jìn)。

2.3 巡測(cè)方式差異

我國(guó)水位和降水資料的獲取方式已由傳統(tǒng)的人工觀測(cè)向儀器化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)變,基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)記錄、自動(dòng)傳輸和自動(dòng)報(bào)汛；流量測(cè)驗(yàn)基本上以ADCP為主,轉(zhuǎn)子式流速儀也在繼續(xù)使用[1]；測(cè)流載體采用纜道、大型鐵制船和小型快艇；中美兩國(guó)均采用傳統(tǒng)方式測(cè)驗(yàn)含沙量,尚無(wú)先進(jìn)儀器設(shè)備能在現(xiàn)場(chǎng)直接獲取含沙量數(shù)據(jù)，在水文測(cè)站的基本資料收集方式方法上，兩國(guó)存在的差異正在縮小，但在巡測(cè)方式上仍存在差別。美國(guó)是以州水科學(xué)中心為基地輻射管轄區(qū)域所有水文測(cè)站，全部實(shí)行巡測(cè)。而我國(guó)(以長(zhǎng)江水文為例)以基層分局為基地，采用巡測(cè)優(yōu)先、駐巡結(jié)合、測(cè)報(bào)自動(dòng)、應(yīng)急補(bǔ)充的巡測(cè)方式，其優(yōu)勢(shì)在于巡測(cè)區(qū)域范圍小交通快捷應(yīng)急迅速；既能保證水文測(cè)驗(yàn)資料的時(shí)效性和成果質(zhì)量的高精度，又能滿足最嚴(yán)格水資源管理、中小河流治理對(duì)水文測(cè)驗(yàn)信息的大量需求，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生時(shí)，方便就近快速投入水文測(cè)驗(yàn)應(yīng)急搶險(xiǎn)[2]。

3 水位流量關(guān)系定線方法差異

3.1 美國(guó)水位流量關(guān)系定線與推流方法

美國(guó)USGS采用水位流量關(guān)系法,用水位推算時(shí)段流量(或稱相應(yīng)流量),關(guān)系曲線一般采用歷年綜合線，用當(dāng)年實(shí)測(cè)點(diǎn)檢驗(yàn)歷年綜合線，只有當(dāng)年測(cè)點(diǎn)明顯偏離歷年綜合線±8%時(shí)，才對(duì)歷年綜合線進(jìn)行修線,一個(gè)測(cè)站每年的流量實(shí)測(cè)點(diǎn)約4～12個(gè),絕大多數(shù)測(cè)站采用水位實(shí)測(cè)流量單一線法。計(jì)量單位采用英尺，由于英尺的絕對(duì)值數(shù)據(jù)比米制單位大，英尺制流量數(shù)據(jù)比米制流量數(shù)據(jù)大35.31倍。水位流量關(guān)系圖標(biāo)尺采用的是雙對(duì)數(shù)，關(guān)系曲線大多是折線，定線極為方便。美國(guó)對(duì)水位流量關(guān)系線的相關(guān)程度沒(méi)有嚴(yán)格的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)槊磕甑膶?shí)測(cè)點(diǎn)非常少。我國(guó)常采用標(biāo)準(zhǔn)差、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度等檢驗(yàn)方法。

3.2 定線與推流方法比較

就長(zhǎng)江水文而言,用水位流量關(guān)系推算流量的方法有：連時(shí)序法、實(shí)測(cè)單一線法、水工建筑法、單值化數(shù)學(xué)模型等，使用實(shí)測(cè)單一線法的主要在河流上游測(cè)站，使用水工建筑法的主要在庫(kù)區(qū)，在河流中下游的測(cè)站主要采用連時(shí)序法。

為了研究美國(guó)USGS采用雙對(duì)數(shù)比例作水位流量關(guān)系曲線圖的精度，選擇了沙頭水文站2009年實(shí)測(cè)資料，用單值化處理后的測(cè)點(diǎn)，按雙對(duì)數(shù)格式點(diǎn)繪水位流量關(guān)系線，得到的結(jié)果是折線線型(見(jiàn)圖1)。

圖1 美國(guó)處理沙頭站2009年水位流量關(guān)系線界面

由圖1可見(jiàn)，如果測(cè)點(diǎn)不進(jìn)行單值化處理，按英制雙對(duì)數(shù)格式定線，其測(cè)點(diǎn)散亂而不集合成帶狀，推算的時(shí)段流量與按單值化方案推算的流量相去甚遠(yuǎn)。用雙對(duì)數(shù)作水位流量關(guān)系線圖，人工繪線非常方便，連成折線既可，無(wú)需對(duì)曲線進(jìn)行檢驗(yàn)等工序。我國(guó)點(diǎn)繪的關(guān)系線是拋物線型，用人工定線往往比較困難，既要考慮曲線曲率逐步遞增又要考慮測(cè)點(diǎn)兩側(cè)均勻分布，還要通過(guò)3種檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)差、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度等技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)合格才算曲線定線合理,要經(jīng)過(guò)反復(fù)多次才能成功。

雙對(duì)數(shù)圖的優(yōu)點(diǎn)是流量測(cè)點(diǎn)偏離曲線的相對(duì)誤差比例是一致的，從低水位到高水位測(cè)點(diǎn)沿曲線兩側(cè)平行分布，從圖1可判別出測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差，克服了米制式水位流量關(guān)系線從低水到高水測(cè)點(diǎn)呈喇叭形分布、測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差從圖上不能得到直觀反映的缺點(diǎn)。由此可見(jiàn)，雙對(duì)數(shù)圖既不有助于減少流量測(cè)次也不能提高定線精度，只是為了彌補(bǔ)英尺制式造成流量絕對(duì)值數(shù)量級(jí)太大而采用的一種方法而已，在我國(guó)采用米制式繪圖的情況下并不適用。

4 水文產(chǎn)品發(fā)布方式差異

4.1 水文產(chǎn)品的公益性

美國(guó)的水文產(chǎn)品屬全社會(huì)共享資源，供國(guó)民免費(fèi)查詢使用，所有水文產(chǎn)品均采用實(shí)時(shí)上網(wǎng)發(fā)布的形式向社會(huì)公開(kāi)，讓民眾及時(shí)了解水文信息。水位和降水用儀器實(shí)記，流量采用水位推算，實(shí)時(shí)上網(wǎng)發(fā)布，每個(gè)數(shù)據(jù)的后面都會(huì)標(biāo)注數(shù)據(jù)值出現(xiàn)的頻率，人們可據(jù)此情況加以關(guān)注。根據(jù)美國(guó)USGS介紹，他們沒(méi)有每年集中整編這個(gè)環(huán)節(jié)，平時(shí)實(shí)時(shí)發(fā)布的數(shù)據(jù)就是正式成果，手寫(xiě)資料用掃描件保存，基本上實(shí)行了無(wú)紙化辦公。我國(guó)的水文產(chǎn)品經(jīng)歷了從過(guò)去的保密、無(wú)償提供和有償服務(wù)幾個(gè)階段，到現(xiàn)在的水文信息全公開(kāi)，成為全社會(huì)共享資源，與國(guó)際接軌，真正地體現(xiàn)了水文產(chǎn)品的公益性。

4.2 資料整編與自動(dòng)報(bào)汛整合方式

自長(zhǎng)江水文2015年實(shí)現(xiàn)118站自動(dòng)報(bào)汛之后，全國(guó)水文系統(tǒng)己全部實(shí)行了自動(dòng)報(bào)汛。而水文資料卻形成了日常自動(dòng)報(bào)汛資料與年度整編資料兩個(gè)版本，從廣義上講兩個(gè)版本資料是一樣的，但從狹義上講是不一致的兩套資料。造成差異的原因是自動(dòng)報(bào)汛資料與年度整編資料的實(shí)時(shí)相應(yīng)流量推算方法不同，如用單一線法和單值化數(shù)學(xué)模型方法推算的，是根據(jù)前一年的水位流量關(guān)系線或歷年綜合線推算得之，年度整編的時(shí)段流量是根據(jù)當(dāng)年確定的水位流量關(guān)系曲線求得，兩者雖存在差異但其相對(duì)誤差并不大。然而，用連時(shí)序法推算實(shí)時(shí)相應(yīng)流量的兩種資料存在較大誤差，這因?yàn)槟甓日庂Y料是事后通過(guò)合理定線、鄰站對(duì)照、下上游水沙量平衡、合理性分析、資料審查和資料復(fù)審之后得到的成果，而自動(dòng)報(bào)汛資料是工作人員憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)根據(jù)事前流量實(shí)測(cè)點(diǎn)的趨勢(shì)估算得出。水文資料主要有兩大用途：①實(shí)時(shí)報(bào)汛、為各級(jí)政府及相關(guān)部門(mén)做防洪抗旱決策之用；②收集歷史系列資料為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)，為工程建設(shè)部門(mén)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。我國(guó)水文站一般按一、二、三類基本站和專用站劃分，不同類別的測(cè)站對(duì)資料的收集手段與年度整編方式上沒(méi)有區(qū)別，有了自動(dòng)報(bào)汛資料之后，應(yīng)對(duì)測(cè)站資料性質(zhì)進(jìn)行分類，如重點(diǎn)站保存整編資料，一般站保存自動(dòng)報(bào)汛資料。對(duì)水位、降水實(shí)行全程和全年儀器記錄存儲(chǔ)，兩套資料沒(méi)有差別，關(guān)鍵是對(duì)兩套流量資料進(jìn)行整合，用連時(shí)序法推算實(shí)時(shí)相應(yīng)流量報(bào)汛的測(cè)站，可滯后一個(gè)時(shí)段按時(shí)序?qū)α髁繉?shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行修線整編，每實(shí)測(cè)一個(gè)流量測(cè)點(diǎn),就對(duì)之前的繩套線進(jìn)行繪制整編，實(shí)時(shí)修正報(bào)汛數(shù)據(jù)，這樣既確保了報(bào)汛的時(shí)效性又保證了水文資料的準(zhǔn)確性。對(duì)于單一線法、單值化數(shù)學(xué)模型、水工建筑物推流方法的自動(dòng)報(bào)汛資料可直接作為歷史資料保存。比較中美兩國(guó)水文資料發(fā)現(xiàn)，美國(guó)的水文產(chǎn)品是概算值，而我國(guó)的水文產(chǎn)品是精算值。美國(guó)的水文產(chǎn)品已經(jīng)能滿足國(guó)家需求，我國(guó)則需要考慮是否有必要所有測(cè)站按同一標(biāo)準(zhǔn)收集高精度產(chǎn)品。應(yīng)盡快修訂水文規(guī)范，制定出資料整編與自動(dòng)報(bào)汛兩套資料的整合方法。

5 長(zhǎng)江水文測(cè)驗(yàn)方式方法創(chuàng)新

5.1 水文測(cè)驗(yàn)方式

美國(guó)水文的測(cè)驗(yàn)方式方法適應(yīng)國(guó)家人口密度低的特點(diǎn)。如密西西比河流域的某蓄洪區(qū)無(wú)永久性的居民生活硬件設(shè)施，其功能明顯就是高洪期蓄洪削峰，非淹沒(méi)期兼種農(nóng)作物,農(nóng)耕收割靠機(jī)械化作業(yè)，實(shí)際上防洪壓力不大，這給水文測(cè)驗(yàn)在流量、含沙量測(cè)點(diǎn)布控上帶來(lái)了極大的靈活性，可以布控極少的流量測(cè)點(diǎn)以點(diǎn)帶面檢驗(yàn)歷年綜合線，用歷年綜合線推算出實(shí)時(shí)相應(yīng)流量，注重對(duì)時(shí)段總量的概算，可忽略對(duì)洪水過(guò)程的控制。我國(guó)蓄洪垸常駐人口少則幾萬(wàn)多則幾十萬(wàn)，即使在超歷史特大洪水面前也不可隨意棄垸蓄洪，事關(guān)垸內(nèi)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，我國(guó)水文必須注重對(duì)洪峰過(guò)程、水位流量變化過(guò)程的控制，以滿足水情預(yù)報(bào)的需要。

5.2 長(zhǎng)江水文基層分局巡測(cè)方式

長(zhǎng)江水文通過(guò)水文測(cè)驗(yàn)方式方法創(chuàng)新，從固守測(cè)站到實(shí)行巡測(cè)，基本上實(shí)行巡測(cè)優(yōu)先、駐巡結(jié)合、測(cè)報(bào)自動(dòng)、應(yīng)急補(bǔ)充的管理模式。以長(zhǎng)江水文中游局益陽(yáng)分局為例，管轄12個(gè)水文站和11個(gè)水位站，已全部實(shí)行了巡測(cè)，設(shè)4 個(gè)測(cè)驗(yàn)小組，每組由2名職工承擔(dān)3～4個(gè)水文站和多個(gè)水位站的外業(yè)測(cè)驗(yàn)和兼顧內(nèi)業(yè)資料處理。仿美國(guó)式的“長(zhǎng)江水文7號(hào)”小型測(cè)量快艇已投產(chǎn)多年，操作靈活、使用方便、快捷安全、低耗高效，一艘船可同時(shí)完成多個(gè)水文站的流量、含沙量測(cè)驗(yàn)任務(wù)。仿美設(shè)計(jì)的直流式取沙絞關(guān)設(shè)備，其產(chǎn)品已優(yōu)于美國(guó)同類產(chǎn)品。水文測(cè)量船也仿照美國(guó)方式上岸停泊陸地船屋，結(jié)束了船員晝夜24 h固守測(cè)船的歷史，過(guò)去一艘大型鐵制測(cè)量船固守一個(gè)水文站,現(xiàn)在一艘小型快艇配2名工作人員就可巡測(cè)5個(gè)以上水文站的流量、含沙量測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)還可完成對(duì)多個(gè)水位、降水站的管理，成功地將美國(guó)先進(jìn)的管理理念運(yùn)用于水文測(cè)驗(yàn)實(shí)際工作中。

5.3 水位流量關(guān)系單值化數(shù)學(xué)模型

隨著長(zhǎng)江水文測(cè)驗(yàn)方式方法技術(shù)創(chuàng)新力度的加大，按連時(shí)序法測(cè)驗(yàn)的測(cè)站大多實(shí)現(xiàn)了單值化。水位流量關(guān)系單值化數(shù)學(xué)模型的理論依據(jù)來(lái)源于曼寧公式，通過(guò)不斷探索與創(chuàng)新，已發(fā)展到現(xiàn)在水位流量關(guān)系單值化數(shù)學(xué)模型。用曼寧公式推導(dǎo)出“落差指數(shù)法”，用于受變動(dòng)回水影響受漲落影響的測(cè)站。落差指數(shù)法基本公式為

(1)

式中，Q為校正流量；Qm為實(shí)測(cè)流量；Zm為落差；β為落差指數(shù)。

通過(guò)上式就可以將Z-Q非單值化相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)化成單值化相關(guān)關(guān)系，但僅限于單一河道的水文測(cè)站。對(duì)于非單一河道，同時(shí)用n個(gè)落差組成綜合落差，可歸納為一種通用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型

計(jì)算校正流量：

(2)

(3)

(4)

推算時(shí)段流量：

(5)

式中，Zm為綜合落差；Zm1,Zm2,…,Zmn為各站輔助落差；Km1,Km1,…,Kmn為各站輔助落差權(quán)重系數(shù)；B為綜合落差改正值；K2為綜合落差改正值；Z0為基本站水位；Z1,Z2,…,Zn為各輔助站水位；b1,b2,…,bn為落差站凍黃差；對(duì)于順逆流站引入K1參數(shù)的概念，K1為順逆流改正系數(shù)；q為時(shí)段流量(相應(yīng)流量或稱實(shí)時(shí)流量)；Qc為水位校正流量關(guān)系線上流量值。

在上述數(shù)學(xué)模型中，共有n+3個(gè)待定參數(shù)：K1,K2,β,Km1,Km2,…,Kmn，通過(guò)歷史資料用水位流量關(guān)系數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)分析計(jì)算求到。筆者長(zhǎng)期從事水位流量關(guān)系單值化數(shù)學(xué)模型的分析研究，研發(fā)了計(jì)算機(jī)軟件《水位流量關(guān)系數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)》，并取得國(guó)家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)，使單值化數(shù)學(xué)模型處理過(guò)程中的分析計(jì)算、繪圖、曲線公式擬合和誤差檢驗(yàn)等實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智能化，提高了單值化數(shù)學(xué)模型的分析工作效率。利用《水位流量關(guān)系數(shù)學(xué)模型處理系統(tǒng)》先后完成長(zhǎng)江中下游和洞庭湖區(qū)的漢口、小河咀等十多個(gè)重點(diǎn)水文站的水位流量關(guān)系數(shù)學(xué)模型處理分析工作，確定各站的水位流量關(guān)系數(shù)學(xué)模型方案，上報(bào)長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局批準(zhǔn)投產(chǎn)，為水文巡測(cè)和自動(dòng)報(bào)汛發(fā)揮了積極作用并取得社會(huì)效益。

采用單值化數(shù)學(xué)模型，多數(shù)站只需增加一個(gè)水位站就能滿足準(zhǔn)確推算時(shí)段流量的要求，投入的運(yùn)行成本極低，而一個(gè)測(cè)站的流量測(cè)驗(yàn)可由年測(cè)100～300次大幅減少到15～30次，對(duì)于河床和區(qū)域河道特性穩(wěn)定的測(cè)站，也可以采用歷年綜合線推算當(dāng)年流量，每年只需4～12個(gè)測(cè)點(diǎn)檢驗(yàn)歷年綜合線。只增加了一組水尺或多組水尺，得到的流量成果既有過(guò)程控制滿足洪水預(yù)報(bào)的要求，又能大幅度減少測(cè)次，節(jié)省運(yùn)行成本，值得推廣使用。

5.4 流量輸沙異步測(cè)驗(yàn)技術(shù)

流量輸沙異步測(cè)驗(yàn)技術(shù)是指在輸沙測(cè)驗(yàn)時(shí)無(wú)需同步施測(cè)流量，只在取樣垂線取樣，以取樣垂線間的部分含沙量，直接計(jì)算斷面平均含沙量的方法。該方法將各取樣垂線間的部分流量與全斷面流量的比值定義為部分流量權(quán)重系數(shù)，并分別以k0,k1,k2,…,kn表示，S0,S1,S2,…,Sn分別代表取樣垂線間的n+1個(gè)部分平均含沙量，則

(6)

式中,S0,S1,…,Sn可以根據(jù)每次取樣分析所得的垂線平均含沙量計(jì)算。k0,k1,k2,…,knm則根據(jù)歷史流量資料求得，再與水位建立函數(shù)關(guān)系，k=f(Z)，Z為水位要素。

用最小二乘法將關(guān)系點(diǎn)(k、Z)擬合成曲線公式：

k=a0+a1Z+a2Z2+…+anZn

(7)

式中，系數(shù)a0，a1，…，an可以根據(jù)歷史實(shí)測(cè)資料系列采用最小二乘法求解,同樣方法可以得到m組部分流量權(quán)重曲線公式:

式中，S0，S1，S2，…，Sn分別為取樣垂線間的部分平均含沙量；k0，k1，k2，…，kn分別為取樣垂線間的部分流量權(quán)重系數(shù)；Cs為斷面平均含沙量；m-1為取沙垂線數(shù)，建立水位與部分流量權(quán)重系數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)模型后，按式(6)計(jì)算斷面平均含沙量。

益陽(yáng)分局所有測(cè)站均實(shí)現(xiàn)了輸沙率與流量異步施測(cè)方式，這項(xiàng)含沙量測(cè)驗(yàn)方式創(chuàng)新技術(shù)現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。

6 結(jié) 語(yǔ)

美國(guó)采用的測(cè)驗(yàn)方式實(shí)用性強(qiáng)、成本極低、效益高，不完全適用于我國(guó)水文測(cè)驗(yàn)實(shí)際情況，但以點(diǎn)帶面的思維方式和低能高效的運(yùn)行模式可供我國(guó)實(shí)際工作參考借鑒。

[1] 李厚永.用水位部分流量權(quán)重推求斷面平均含沙量探討[J].人民長(zhǎng)江,1995,26(2).

[2] 李厚永,張潮,吳瓊.水位流量關(guān)系單值化分析綜合模型研究及應(yīng)用[J].水文,2011,31(S1).

2017-03-31

李厚永，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局益陽(yáng)分局局長(zhǎng),高級(jí)工程師.

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