变动回水影响下水文站的测验方式探讨

　　摘 要：山区大中河流上，越来越多的基本水文站流量测验断面选择不可避免地受到水利工程变动回水影响而被撤销或迁建，致使流域站点布设和功能搭配严重失衡。基于当前测验技术，文章提出了在回水变动影响区内进行流量测验的解决方案。并建议组织系统的高层次变动回水影响条件下水文站测验实验研究，以及时修改完善规范，突破回水变动影响对水文测验断面选择的限制，推动水文站网规划建设合理化。 

　　关键词：变动回水影响；流量测验；方式转变 

　　1 变动回水对水文站测验和站点布设的影响 

　　现行《河道流量测验规范》对山区性河流测验断面选择的条件，是要求河道稳定、避开支流汇入或者湖泊水库等大水体产生的变动回水的影响，选择各级水位均具备较好的测站控制且水流平稳的断面。 

　　山区的大中河流，大多水力资源丰富，开发条件优异，是水电开发的重点区域。特别是交通、电网等基础设施较好的中下游地区。为充分利用水能资源，大江大河上各梯级电站水位相互衔接。随着水电工程纷纷建成，干流上的水文测站逐一被淹没。受水利工程变动回水的影响，水文测站断面测验条件不满足规范要求，只能迁建或者撤销，退出流域中下游。形势的持续发展，导致流域内的水文测站都集中在流域干支流上游的小河道上，站网系统中流域面积较大的重要大河控制站、区域代表站逐渐减少。站网系统控制的全面性、分布的均衡性、功能和规模的协调搭配都全面下降，所收集水文资料性质单一，不能系统全面地反映水文要素在整个流域中的演变规律，难以起到对水资源开发与保护中调查评价和监督的指导作用。 

　　2 克服变动回水影响的途径 

　　面对日益严峻的形势，我们只有克服无法“避开变动回水影响”的困难。在有回水影响的条件和前提下，坚持并探索新的流量测验和径流计算统计的方法，才能从根本上解决站点合理规划建设的难题。 

　　当流量测验断面受到变动回水影响时如何测流和计算统计河川径流呢？ 

　　当前水文站的流量测验中，《河道流量测验规范》是采用以精度较高的流速面积法为标准和基础，来比测和检验其他测验方式的有效性。采用流速仪法测流的情况下，因为无法直接连续监测流量，只能采用连时序法、附加比降等修正水位流量关系线的方法，对失去稳定性的关系线进行补救。这些方法观测和计算工作量很大，而且成果精度也大打折扣。 

　　因此，单从计算方法上克服变动回水影响，效果十分有限。从测验技术方进步突破限制，则取得了明显进步，成为当前的主要方向。 

　　在目前技术条件下，流速实用测验技术取得了巨大进步，并已经广泛应用于包括水文行业在内的各种流体测量领域。技术进步在于两个方面：一方面是断面流量测验方式的变革，以ADCP为代表的新一代测验仪器在测验中，对整个断面的流场进行扫描，同时测验流速和流向，流量计算中不再以点带面，而是逐点累加，实现了从简单抽样到全部枚举的质变。在这一技术条件下，对测验断面水流流态的要求没有了，理论上，均匀流、渐变流、急变流，回流、斜流等都不会影响测验成果。另一方面，是流速的连续监测已经有以水下超声波和水面雷达为基础的多种成熟技术，连续在线监测得以实现。一块太阳能电池板即可让雷达测速计在野外连续工作。流速的连续监测，变得和水位监测一样简单易行。 

　　这样我们就可以连续监测水位和流速，通过局部流速来推求断面流速，再以水位推求断面过水面积，最后求出流量。虽然这一途径也是属于流速面积法的范畴，但与流速仪法却有着本质的区别。流速仪法中，流速、面积都是水位的函数，实际上流量最终直接取决于水位。径流统计中，必须通过水位流量关系线，使用水位来计算流量。用流速在线监测法计算断面流量时，断面平均流速是局部流速的函数，过水面积是水位的函数，断面流量取决于局部流速和水位。在这里，水位只用来计算面积，流速和水位不相关，是两个独立的变量。用这一方法测验流量，只要断面流态稳定，渐变流，局部流速和断面平均流速之间关系稳定；断面形状稳定，水位和过水面积关系稳定，就可以得到准确的断面流量数值。连续监测流速和水位，就可以得到连续的流量过程。径流统计中不需要水位流量关系线，直接使用流量过程计算出河道径流。理论上，它不受变动回水的制约，完全可以在淹没库区内进行流量测验。 

　　3 回水影响下盐津水文站的测验方案 

　　为了收集横江上游河段水文资料并能为盐津县城防洪服务，要在横江盐津以上河段上增设一座水文站。而横江干流上梯级水电站密布，逐级衔接，新建水文站只能在撒渔沱电站库区选址。 

　　基于已有现实可行的在变动回水影响区内进行流量测验技术基础上，我们提出盐津水文站选择东风大桥断面进行流量测验。因为这一断面同时具有较好的水位和流速测验条件。这一河段虽然位于撒鱼沱电站库区，但是河道顺直，岸坡稳定，水流平缓，这样的断面，水位面积关系、局部流速和断面平均流速关系都很稳定。通过雷达水位计和雷达流速仪在线监测水位和中泓水面流速。结合大断面测量，计算过水面积。利用ADCP测验断面流量，建立雷达测点表面流速和断面平均流速的关系，从而实现连续监测河道流量，收集河道水文资料的目标。 

　　这一方案也有缺点，都与目前的测验仪器设备的局限性有关。一是流速过低时，雷达测速仪测验困难。目前的雷达流速计，流速测量范围：0.20～15 m/s，距离水面高度：0.5～20 m，测量最小波高：<5 mm。这说明，当流速过低，水位变幅过大导致探头距离水面太远，或者水面平稳，波高不足，都会导致流速测验失败。二是ADCP则要求水流含沙量较小，否则，散射严重，测验效果很差或者无法取得有效数据。横江是一条多沙河流，上游干流豆沙关水文站实测最大含沙量109 kg/m3，支流白水江上的牛街水文站实测最大含沙量80.5 kg/m3。经过实地测试，ADCP的使用效果较差，在高水高沙期间，基本无法使用，高水阶段的断面流速关系难以率定。 

　　这些难以回避的问题，正确的方向是只有通过技术突破，改进方法，跨越障碍来解决问题。比如面临流速过低，水面无波的情况下，雷达测速计失效的问题，可采用安装在水下的超声波流速仪（测速范围可达0.01～30 m/s）来替代。 

　　水下的超声波流速仪通常固定安装于水下，人工渠道中，很实用，在天然河道上，安装难度比较大。在水位变动频繁的断面上，仪器安装在水下固定点上，测验的绝对位置和范围是不动的，但在断面上的相对位置，却是变动的。在建立测点流速与断面平均流速关系时，通常采用相对位置固定的测点流速，常见的有表面流速、管心流速等，这一方法也是河道测流规范所认可的，例如浮标测流。而绝对位置不动的流速关系，是一个新问题。 

　　采用漂浮筏，将超声波流速仪（多普勒法）安装到断面的中泓位置，则无论水位如何变化，均可测到断面中泓表面区域的局部流速，断面的中泓流速代表性好，就可建立良好的流速关系，提高流量监测的精度。从而解决了盐津水文站的流速连续监测问题。 

　　4 从个别突破到普遍跨越 

　　尽管许多新技术的运用已十分普遍，但要在基本水文测站中采用，则是件十分复杂的事情，必须具备满足规范要求的比测条件、比测资料积累和分析，需要进行大量细致严格的比测作业，提交详实的分析比对资料，得出切确的可行性可靠性结论，方能定案。 

　　面对水利工程变动回水影响日益普遍，水文站传统测验方式难以为继的严峻形势。每个遇到变动回水影响的测站都进行这一系列工作，没有必要，而且受限于不同实施主体的人员、设备等技术和物资等资源条件的限制，实际效果也难以控制。因此，在个别测站成功突破障碍的技术探索和经验积累条件下，必须从点到面，实现行业整体的跨越，才能从整体上扭转局势。 

　　行业主管部门应当专门组织水利工程变动回水影响条件下，水文站测验方法和技术装备应用的实验研究。 

　　深入研究新仪器设备在基本水文站测验中的运用，对使用条件、使用方式、所收集资料的整编方法、精度控制和评定等方面进行严格的测试论证。以权威的研究成果指导水文测站的建设和运行。积极探索，与时俱进，及时修改完善规范，使之在新的形势和条件下，推进水文事业继续向前发展。 

　　5 结 语 

　　变动回水影响条件下的水文站水文测验方式和手段的妥善解决，可突破目前限制水文测验断面选择的重大障碍，开拓水文测验的广阔天地。脱开变动回水影响的禁锢，大中河流流域中水文站点的布设将更加灵活，水文站网分布及功能搭配将更加合理，从基本面上提高水文资料的质量，为最严格的水资源管理奠定详实的数据基础，更好地服务于科学利用和保护水资源的生态文明建设。 

　　参考文献： 

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　　[2] 何惠.浅谈水利工程影响下水文站网的调整思路[A].全国水文学术讨论会[C].2004. 

　　[3] 徐霞晴.受变动回水影响的河道站水位流量关系分析及单值化处理[J].江苏水利，1992，（9）.