趙文旭

（陜西省水文水資源勘測局，陜西 西安 710068）

1 引言

流量是江河水資源狀況以及湖泊、水庫等水量變化衡量的重要因素。流量測驗則是反映江河徑流、水量瞬時變化資料的重要手段。建立河流、渠道水位流量相關(guān)關(guān)系是水文測驗掌握河流變化規(guī)律的重要方法之一。通過時段內(nèi)斷面實測水位、流量數(shù)據(jù)及時建立或修正相關(guān)關(guān)系不僅可以反映定時期內(nèi)河流、渠道兩者變化規(guī)律，而且還可預測范圍要求內(nèi)的流量大小，起到河流洪水預防效果。

探索水文要素之間規(guī)律是水文測驗的重要目標之一。通過基本水尺斷面水位觀測，依靠流量測驗斷面確定斷面流速，建立水位流量相關(guān)關(guān)系。依據(jù)關(guān)系可提高測驗精確度、簡化測驗步驟。實時測驗水位、流量可起到精準校驗關(guān)系效果，為實現(xiàn)河流水位流量測驗可控、可預測做好鋪墊。率定各種氣候條件下的河流水位流量關(guān)系條件，則是簡化測驗步驟的必要條件。

2 水位流量關(guān)系

水位流量關(guān)系建立一般是基于測驗河道內(nèi)固定的基本水尺斷面、測流斷面隨時間無大的地形變化，相對河流流量的測驗比較穩(wěn)定；布設(shè)水位、流量測驗設(shè)備相對固定，測驗方式不變或者相近。能確保所測量的水位、流量數(shù)據(jù)形成穩(wěn)定的資料系列。

2.1 斷面流速測驗

斷面流速測驗要求斷面處河流經(jīng)過的地勢平緩、河流順直段，河內(nèi)無大的石礫或者泥沙相對穩(wěn)定處。流速測驗一般均采用類微分積分布點，逼近平均流速法計算獲得?？蛇x取單點測點或區(qū)域面（剖面）等?？捎孟率奖硎荆?/p>

式中：V 為沿河流方向脈動流速；l、h 分別為斷面水寬、斷面水深為流速在面單元上的分布；N1，N2分別為水寬、水深上的測量單元點數(shù)。

斷面流速測驗通常采用點流速測法，即利用斷面上固定一點流速與平均流速建立相關(guān)系數(shù)，通過測量一點流速大小，計算得到斷面平均流速。點測流速通常借用流速儀、浮標、聲學傳輸介質(zhì)、磁力場等設(shè)備。

2.2 斷面流量測驗

流過測驗斷面的瞬時流量，即斷面徑流量,河流流量測量時，由于地形地貌、自然環(huán)境等影響因素，無法做到時刻對應(yīng)，因此測驗一般是通過以下步驟完成：

（1）斷面面積測量。

河底高程測量 Ht′″,n′″，計算時段內(nèi)河底平均高成減去河底高程即得到斷面水深；推算時段內(nèi)斷面面積At′,n′。

（2）流量推算。

通過所測的斷面平均流速與斷面面積相乘即得斷面流量，即流量（T：時段，N：測次)，其中為測流斷面平均流速。

另外還可用比降公式推算流量。測驗河段內(nèi)河流比較順直，河床無明顯的變化且流量斷面上下游比降比較明顯，當河水較大或漲落急劇、流速儀來不及施測時，可采用比降面積法。即：

其中A、V、n、R、S 對應(yīng)為測驗河段的平均斷面面積、流速、糙率、水力半徑、比降。

2.3. 水位、流量測驗采用儀器

流量測驗時，由于河流流水特性在多時條件下比較復雜，流量測驗斷面采用手段比較多。一般一年內(nèi)枯水期流量采用流速儀測驗流量數(shù)據(jù)系列為Q1, 小浮標測驗流量數(shù)據(jù)系列為Q2；低水期流速儀、電波流速儀對應(yīng)Q3、Q4；中水期采用流速儀、均勻浮標、雷達流量計對應(yīng)Q5、Q6、Q7；高水期采用中泓浮標、雷達流量計、比降面積計算等對應(yīng) Q8、Q9、Q10……

2.4 水位流量單值化處理

通過數(shù)年連續(xù)時間段內(nèi)對測驗斷面的流量測驗，形成流量數(shù)據(jù)系列：（T1（Q11，Q12，……Q1n)、T2（Q21，Q22，……Q2n)……Ti（Qi1，Qi2，……Qin),i 為整數(shù)年，n 為測驗系列個數(shù)）。τn為（Q11，Q21，……Qi1）、（Q12，Q22，……Qi2）……（Q1n，Q2n，……Qin）關(guān)系變換。

若τ1=τ2=……=τn，且水位流量在時間段內(nèi)為單值對應(yīng)，則水位、流量為一對一關(guān)系。亦可關(guān)系變換后可用單一曲線衡量測驗過程的水位、流量偏差，測驗中常用函數(shù)曲線逼近處理，繪制出關(guān)系曲線。τ 若為 1 變換，則水位、流量是天然理想對應(yīng)狀態(tài)。τ1、τ1、……、τn互為不全相等的變換，且水位與流量在時間段內(nèi)經(jīng)過τ 變換處理可以為單值對應(yīng)。則流量是單值化處理條件下與水位的對應(yīng)關(guān)系，可用單一曲線衡量測驗過程的水位、流量偏差，測驗常用函數(shù)曲線逼近處理，繪制出關(guān)系曲線。

（（Qi1，Qi2，……Qin）在測驗條件比較復雜條件下，水位、流量呈無規(guī)律分布，則測驗一般以單獨系列分析為主。

3 測驗條件分析

3.1 測驗斷面布設(shè)

陜西省跨黃河、長江兩大流域，在地理分布在東經(jīng)105°29′～111°15′，北緯31°42′～39°35′間，按照站網(wǎng)布設(shè)原則，全省水位、流量測驗數(shù)據(jù)系列的斷面分布[1]見圖1。

圖1 陜西河流流量測驗斷面分布

3.2 河流及斷面特征

黃河流域窟野河、無定河、延河、北洛河及其支流地處黃土高原、關(guān)中平原區(qū)。陜北黃土高原地勢呈西北高，東南低。地貌多為黃土塬、梁、峁、溝等。黃河主干在此區(qū)域以南北走勢為主，支流河以西北至東南流向。氣候多屬中溫帶干旱大陸性季風氣候，夏雨驟而歷時短、雨量分布不均，冬干燥、寒冷、多風沙。根據(jù)河流水文特性、河段地勢特點，現(xiàn)設(shè)有13 處基本水文站連續(xù)監(jiān)測水位流量，形成了連續(xù)數(shù)據(jù)系列?？咭昂由衲荆ǘy驗斷面河流汛期表現(xiàn)水位峰高，水量小，流量峰歷時短的特性，偶有復式峰，低水監(jiān)測水位、流量受人類活動影響程度較大；無定河趙石窯站渠道測驗水位流量關(guān)系曲線單一，河道斷面測驗流量則受影響因素較多；延河安塞測驗斷面汛期水位峰高，水量小，流量峰歷時短。北洛河劉家河、交口河、狀頭分屬上、中、下游，河流測驗斷面特性均表現(xiàn)為水位變化急劇、流量峰高量大，歷時較短。

渭河、涇河、伊洛河及其支流處于關(guān)中平原區(qū)。關(guān)中平原地勢西高東低，中部較為平坦寬闊，地貌多顯階梯狀。氣候?qū)贉貛Ъ撅L氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。現(xiàn)有31 處連續(xù)水位流量監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)，其中渭河、涇河、伊洛河干流上林家村（三）、魏家堡（眉縣）、景村、張家山、靈口測驗斷面，水位、流量隨環(huán)境變化較大，水峰主要來源于降雨。

長江流域漢江、嘉陵江、丹江及其支流處于秦巴山地。地勢北高南低，氣候多屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛，氣候濕潤?，F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測水位流量有42 處斷面，嘉陵江略陽測驗斷面水峰主要由降雨形成，水位流量變化比較急劇。丹江丹鳳（三），漢江漢中、安康（二）測驗斷面受影響因素較多，水位流量變化復雜；蜀河測驗斷面呈現(xiàn)水位流量峰高量小、歷時短的特性。各河流測驗特征統(tǒng)計見表1。

表1 各代表河流斷面水文特征值表

3.3 斷面控制條件分析

3.3.1 實測大斷面

河流經(jīng)過固定大斷面測量，和斷面垂線上流速測量的有限點累積形成流量值，所以斷面面積測量、計算直接影響流量成果。

流量單值化條件下，河流窟野河、無定河、延河、北洛河測驗斷面沖淤變化較大；渭河、涇河、伊洛河測驗斷面相對穩(wěn)定，但測驗條件變化比較復雜；漢江、嘉陵江、丹江測驗斷面比較穩(wěn)定。通過對涇河支流黑河張河測驗斷面1994 年～2015 年的變化分析，2011 年～2015 年斷面淤積，如圖2 所示，再選取斷面1994年～2015 年實測流量值，點繪水位流量關(guān)系圖，見圖3，而2011年～2015 年測點明顯在水位流量關(guān)系曲線上方，同一級水位而流量偏小，從而說明斷面的變化對水位流量關(guān)系影響較大。

斷面的沖淤變化直接影響水位、流量關(guān)系確定，是水位流量單值化條件下最大的影響因素。

3.3.2 測驗方法

確定水位流量關(guān)系特性采用的一般方法有：綜合落差指數(shù)法、擬合法。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。

綜合落差指數(shù)法[2]實測流量，ΔH:測流時間內(nèi)的落差，β 落差指數(shù)。則衡量流量影響因素主要有：（1）河流上游來水漲落率；（2）河流下游回水；（3）斷面沖淤變化；（4）條件下干預河流其他因素。

圖2 黑河張河測驗斷面歷年

水位流量單值化是在測驗條件多變條件下，通過尋求水位流量關(guān)系，達到預測河流量目的?；陉P(guān)系率定條件，一般分為穩(wěn)定河床水位流量關(guān)系單值化處理和不穩(wěn)定河床水位流量關(guān)系單值化處理。穩(wěn)定河床水位流量關(guān)系可通過單一曲線或者分時分段曲線判定適應(yīng)條件單值化處理，對于不穩(wěn)定河床水位流量關(guān)系可通過界定條件或者變換影響關(guān)系來率定，使得水位流量單值化，如：組合因子法[3]、模糊粗糙集理論處理法[4]等。

陜西省漢江各河流流域水位流量單值化處理多采用綜合落差指數(shù)法，由于漢江、嘉陵江、丹江測驗斷面較穩(wěn)定，單值化率已近70%，渭河、涇河、伊洛河測驗斷面相對穩(wěn)定，單值化率已近50%，窟野河、無定河、延河、北洛河測驗變化比較復雜，單值化率定僅達20%。

3.3.3 測驗設(shè)施設(shè)備

在陜西段各河流斷面流量測驗一般采用流速儀、浮標、雷達流量計、電波流速儀等設(shè)施設(shè)備作為測流儀器。通過施測一點與斷面平均流速相關(guān)系數(shù)推算或者多點類積分逼近平均流速法計算斷面流量。如果受測驗環(huán)境限制，則通過斷面上下比降測量推算流量，流量變幅與河段比降變幅相關(guān)[5]。

4 結(jié)論

分析水位流量單值化條件，優(yōu)化測驗方法、簡化測驗步驟，為全面實現(xiàn)水文巡測創(chuàng)造技術(shù)條件。但由于河流狀況參差不一，水文特性隨著環(huán)境條件多端變化，水文測驗新技術(shù)不斷發(fā)展，設(shè)施設(shè)備不斷自動智能化的促進下，尋求測驗環(huán)境下的共同條件，節(jié)約測驗資源，進而自動一體控制河流測驗就顯得尤為重要。