水力因素法對(duì)實(shí)現(xiàn)流量即時(shí)整編的作用淺析

孫英軍，李明宏，徐衛(wèi)東

（1.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009；2.嵊州市水文站，浙江 嵊州 312400；3.太湖流域管理局水文局，江蘇 無(wú)錫 214000）

1 問(wèn)題的提出

為深入貫徹新時(shí)期水利工作方針和治水新思路，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，提高水文資料整編時(shí)效性，2018 年全國(guó)水文工作會(huì)議明確提出，從2018 年開始將資料整編的工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧磿r(shí)整編，要求次年1 月全面完成上年度資料整編工作。

推進(jìn)水文資料整編改革，實(shí)行即時(shí)整編，對(duì)于水文事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。首先，可以縮短資料整匯編時(shí)間，有效提高資料整編效率，滿足水資源管理、水生態(tài)文明建設(shè)、河湖長(zhǎng)制管理等對(duì)水文資料時(shí)效性的要求；其次，能夠節(jié)約人力、財(cái)力資源，解放勞動(dòng)力，為拓展水文服務(wù)領(lǐng)域、實(shí)施“大水文”創(chuàng)造條件；第三，可以適應(yīng)新時(shí)期水文服務(wù)的需要，為實(shí)現(xiàn)智慧水文提供支撐。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)普及之前，水文資料的整編工作都是通過(guò)純手工的方式，既消耗大量人力物力，又容易出錯(cuò)，而且資料保存不方便，是早期水文資料整編工作中最主要的問(wèn)題[1]。隨著大部分水文要素采集自動(dòng)化逐步完成，降水量、水位等遙測(cè)數(shù)據(jù)已實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)秸庈浖?，滿足即時(shí)整編的要求；實(shí)測(cè)資料、蒸發(fā)、水溫等每日錄入也可以實(shí)現(xiàn)日清月結(jié)。目前不能實(shí)現(xiàn)即時(shí)整編的是流量和泥沙數(shù)據(jù)，是因?yàn)椋阂环矫?，流量、泥沙自?dòng)采集設(shè)備自動(dòng)化程度不高，需要進(jìn)行推算；另一方面，我國(guó)主流推算流量方法是時(shí)序法。

推流方法主要有水力因素型方法和時(shí)序型方法2 類。從20 世紀(jì)50 年代起，受到水位觀測(cè)精度、頻次和當(dāng)時(shí)以算盤為主要計(jì)算工具的限制，我國(guó)舍棄了水利因素型，將時(shí)序型作為主流和基本方法，認(rèn)為其理論正確、成果準(zhǔn)確；水力因素型往往被認(rèn)為是一種非主流的補(bǔ)充方法，認(rèn)為其不夠準(zhǔn)確。即便在能夠使用水力因素型的條件下，也會(huì)傾向于使用時(shí)序型[2]。

時(shí)序法常用水位流量關(guān)系曲線或指標(biāo)流速法（斷面部分流量）來(lái)推算，要求全年流量測(cè)驗(yàn)完成后（至少全年高中低水全部覆蓋后）進(jìn)行定線推流，難以完成日清月結(jié)的即時(shí)整編要求，另外，泥沙采樣沉淀處理需要一定時(shí)間，而且與流量一樣需要定線推算。目前對(duì)推流定線整編按照影響水位流量關(guān)系的因素如洪水漲落、回水影響、斷面沖淤和水草生長(zhǎng)等進(jìn)行分類，雖然比較直觀、形象，但是沒(méi)有抓住其物理意義的本質(zhì)，并且需要較多測(cè)次，不能滿足即時(shí)整編的要求。

本文通過(guò)對(duì)比分析時(shí)序法和水力因素法的計(jì)算過(guò)程及原理發(fā)現(xiàn)，水力因素法具有意義明確的物理公式，無(wú)需多次測(cè)流就可以得到水位流量間穩(wěn)定的關(guān)系。同時(shí)本文分析了水力因素法的適用條件和使用限制，探討該方法的發(fā)展前景和研究方向，進(jìn)一步推動(dòng)水力因素法在水文資料整編領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 推流方法

穩(wěn)定的水位流量關(guān)系滿足曼寧公式[3]：

式中：Q為斷面流量，m3/s；A為斷面面積，m2；R為水力半徑，m；S為水流比降；n為河道糙率。

雖然曼寧公式也只是經(jīng)驗(yàn)公式，自然河流很難滿足它的各種假定，但其仍然是已知能較好地反映水流運(yùn)動(dòng)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，具有明確的物理意義。根據(jù)曼寧公式所描述的物理學(xué)涵義，可將水位流量關(guān)系的率定和整編方法分為2 類：水力因素型和時(shí)序型。

時(shí)序型是以時(shí)間作為自變量參數(shù)率定水位流量關(guān)系，公式表達(dá)為Q=f（Z，t），式中：Q為流量，m3/s；Z為水位，m；t為時(shí)間，s。時(shí)序型包括臨時(shí)曲線法、連時(shí)序法（繩套曲線）、連實(shí)測(cè)流量過(guò)程法、改正水位法和改正系數(shù)法等。其中連實(shí)測(cè)流量法是拋開與水位的關(guān)系，直接與時(shí)間建立關(guān)聯(lián)的一種特例。

時(shí)序型適用于任何條件，計(jì)算簡(jiǎn)便，不必分析測(cè)站特性。但由于時(shí)序型無(wú)法反映物理規(guī)律，所需流量測(cè)次多，單次流量測(cè)驗(yàn)精度要求高，實(shí)測(cè)流量成果均被當(dāng)做實(shí)際值來(lái)確定關(guān)系，對(duì)整編成果影響較大[2]。

水力因素型是以水利因素作為自變量參數(shù)率定水位流量關(guān)系。公式表達(dá)為Q=f（Z，x），式中：Q為流量，m3/s；Z為水位，m；x為水力因素。這里只與水位相關(guān)。

水力因素型包括曼寧公式法、比降面積法和各種落差法（如定落差法、正常落差法、落差指數(shù)法等）。水力因素型的應(yīng)用需要滿足以下2 個(gè)條件：流量與水位以及另一水力因素之間保持比較穩(wěn)定的關(guān)系。要求曼寧公式中的測(cè)站控制條件（斷面和糙率），如斷面沖淤、水草生長(zhǎng)、結(jié)冰、河床堤岸等不發(fā)生經(jīng)常性變化。水位和另一水力因素的觀測(cè)精度高。要求水位的觀測(cè)精度和頻次高，水力因素的代表性好。因?yàn)楦鶕?jù)曼寧公式，需要得到比降S，但S無(wú)法直接測(cè)得，一般只能用落差F來(lái)近似代表[4]。

水力因素法物理意義明確，能夠較好地反映運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有比較穩(wěn)定的單一關(guān)系，因此只要控制條件不發(fā)生經(jīng)常性變化，便無(wú)需太多測(cè)次。

水力因素法的應(yīng)用要求水位觀測(cè)精度和頻次高，需要大量復(fù)雜的計(jì)算以及具有較好代表性的參證站。以上3 個(gè)條件在 20 世紀(jì)50 年代都是制約水利因素法的重要因素，如今隨著水位自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備的迅速發(fā)展，目前水位觀測(cè)精度和頻次越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)的普及和大數(shù)據(jù)計(jì)算方法，客觀上很好地解決了采用水利因素法的前2 個(gè)重要制約因素。

3 案例應(yīng)用

3.1 案例介紹

羅桐埠水文站為國(guó)家基本水文站，1947 年設(shè)立，位于新安江流域新安江壩下4.5 km，站址以上流域面積為10 480 km2，該站至新安江水庫(kù)大壩區(qū)間無(wú)支流匯入。羅桐埠站受新安江電站發(fā)電機(jī)組影響，水位流量關(guān)系不穩(wěn)定。目前新安江流域出口斷面梅城處建有水位站，距離新安江水庫(kù)壩址約38.0 km，富春江電廠上游約22.0 km。羅桐埠水文站下游約1.0 km 處有壽昌江從右岸匯入新安江，但支流較小，對(duì)新安江流量影響不大。羅桐埠水文站2016 年開始測(cè)流，至2018 年共計(jì)實(shí)測(cè)流量107 組（流量149～1 375 m3/s）。羅桐埠站以上流域及水文站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 羅桐埠站以上流域及水文站點(diǎn)分布圖

3.2 應(yīng)用結(jié)果

羅桐埠水位流量關(guān)系受多重因素影響，水位流量關(guān)系線復(fù)雜多變，因此選用落差指數(shù)法來(lái)分析研究，探索單值化的可能性[5]。根據(jù)落差指數(shù)法[2]（Q=q×ΔZβ=f（Z）×ΔZβ）的原理，選擇羅桐埠為本站水位，羅桐埠梅城水位差為落差進(jìn)行定線。對(duì)羅桐埠水文站3 a 實(shí)測(cè)的107 組水位和流量數(shù)據(jù)，使用SPSS 軟件進(jìn)行迭代運(yùn)算。通過(guò)優(yōu)選，最終采用80 份流量率定羅桐埠流量，公式為：

式中：Z羅為羅桐埠水位，m；Z梅為梅城水位，m。

實(shí)測(cè)流量與公式推算流量序列進(jìn)行3 種檢驗(yàn)。羅桐埠站樣本容量80 份，正號(hào)數(shù)39 個(gè)，符號(hào)交換次數(shù)34 次，3種檢驗(yàn)成果見表1。

表1 羅桐埠站3 種檢驗(yàn)成果表

根據(jù)SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》的規(guī)定，采用水力因素法定線精度指標(biāo)為：一類精度水文站系統(tǒng)誤差±2.000%，隨機(jī)不確定度±10.0%。本案例系統(tǒng)誤差為-0.125%，隨機(jī)不確定度為8.6%，且3 種檢驗(yàn)均已通過(guò)。此次分析成果的精度滿足一類精度水文站[2]水文資料整編規(guī)范的要求，可采用該方法進(jìn)行推流。

整編計(jì)算羅桐埠站2018 年徑流量為69.78×108m3，對(duì)比新安江電站電功率推流年徑流量70.78×108m3，誤差為1.400%，水量基本平衡，成果合理。

落差指數(shù)法在運(yùn)用中存在缺陷，由落差指數(shù)法建立的模型，其精度主要取決于公式中相關(guān)參數(shù)的選取，但在計(jì)算過(guò)程中，落差計(jì)算及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的選取也十分關(guān)鍵[6]。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）水力因素法相比時(shí)序法，物理意義明確，需要測(cè)流次數(shù)少，能夠很好地滿足即時(shí)整編的要求。并且在目前技術(shù)條件下，原制約水力因素法成為主流推流方法的水位觀測(cè)精度和頻次、大量復(fù)雜計(jì)算擬合推流公式等2 個(gè)重要因素已經(jīng)得到解決，不再是應(yīng)用障礙。及時(shí)轉(zhuǎn)變以時(shí)序法為主流的推流思路，開展水力因素法推流研究，實(shí)現(xiàn)流量即時(shí)整編是非常必要的。

（2）當(dāng)前水力因素法的難點(diǎn)在于代表性參證站的選擇。測(cè)站所受影響復(fù)雜，落差F對(duì)比降S的代表性規(guī)律不易掌握，參證站位置不易確定，需要設(shè)立并長(zhǎng)期觀測(cè)，進(jìn)行試錯(cuò)。梅城站作為羅桐埠站的參證站，因?yàn)榫嚯x較遠(yuǎn)，而且受到下游富春江電站回水影響，代表性不夠好，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究，選擇更合適的參證站。

（3）目前水位自動(dòng)觀測(cè)精度和頻次都能滿足水力因素法的要求。但由于觀測(cè)頻率過(guò)高，需要解決其過(guò)程不平滑連續(xù)的問(wèn)題[1]。另外，在斷面和糙率等控制條件經(jīng)常發(fā)生變化的情況下，必須選擇時(shí)序型。