水力因素法对实现流量即时整编的作用浅析

第1期总第233期2021年1月浙江水利科技
Zhejiang Hydrotechnics
No. 1Total No.233
Jan.2021
水力因素法对实现流量即时整编的作用浅析
孙英军1,李明宏2,徐卫东3
(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，江苏无锡214000)
摘要：即时整编对水文事业的发展具有重要意义。

目前流量是即时整编的难点之一，原因是受到现有测流 技术手段和以时序型为主的推流方法限制。

对水力因素法和时序法的推流原理及使用条件进行对比，得出水力 因素法推流能满足当前流量实时整编要求的结论。

以罗桐埠站落差指数法推流为例，对水力因素法的技术要点 进行分析。

关键词：即时整编：时序法：水力因素法
中图分类号：P337-3 文献标志码：B文章编号：1008-701X(2021)0M)033-03
DOI：10. 13641/ki.33-1162/tv.2021.01. 009
1问题的提出
为深入贯彻新时期水利工作方针和治水新思路，满足 经济社会发展需要，提高水文资料整编时效性，2018年全 国水文工作会议明确提出，从2018年开始将资料整编的工 作方式转变为即时整编，要求次年1月全面完成上年度资 料整编工作。

推进水文资料整编改革，实行即时整编，对于水文事 业的发展具有重要意义。

首先，可以缩短资料整汇编时间，有效提高资料整编效率，满足水资源管理、水生态文明建 设、河湖长制管理等对水文资料时效性的要求；其次，能 够节约人力、财力资源，解放劳动力，为拓展水文服务领域、实施“大水文”创造条件；第三，可以适应新时期水文服 务的需要，为实现智慧水文提供支撑。

在计算机技术普及之前，水文资料的整编工作都是通 过纯手工的方式，既消耗大量人力物力，又容易出错，而 且资料保存不方便，是早期水文资料整编工作中最主要的 问题nl。

随着大部分水文要素采集自动化逐步完成，降水 量、水位等遥测数据己实现实时传输到整编软件，满足即 时整编的要求；实测资料、蒸发、水温等每日录入也可以 实现日清月结。

目前不能实现即时整编的是流量和泥沙数 据，是因为：一方面，流量、泥沙自动采集设备自动化程 度不高，需要进行推算；另一方面，我国主流推算流量方
收稿日期：2019-07-31
作者简介：孙英军（1979—），男，高级工程师，大学本科, 主要从事水文资料整编、水文分析计算、水资源研宄工作。

E-mail：Yingjun373@ 法是时序法。

推流方法主要有水力因素型方法和时序型方法2类。

从20世纪50年代起，受到水位观测精度、频次和当时以 算盘为主要计算工具的限制，我国舍弃了水利因素铟，将 时序型作为主流和基本方法，认为其理论正确、成果准确；水力因素型往往被认为是一种非主流的补充方法，认为其 不够准确。

即便在能够使用水力因素型的条件下，也会倾 向于使用时序型[2]。

时序法常用水位流量关系曲线或指标流速法（断面部 分流量）来推算，要求全年流量测验完成后（至少全年高 中低水全部覆盖后）进行定线推流，难以完成日清月结的 即时整编要求，另外，泥沙采样沉淀处理需要一定时间，而且与流量一样需要定线推算。

目前对推流定线整编按照 影响水位流量关系的因素如洪水涨落、回水影响、断面冲 淤和水草生长等进行分类，虽然比较直观、形象，但是没 有抓住其物理意义的本质，并且需要较多测次，不能满足 即时整编的要求。

本文通过对比分析时序法和水力因素法的计算过程及 原理发现，水力因素法具有意义明确的物理公式，无需多 次测流就可以得到水位流量间稳定的关系。

同时本文分析 了水力因素法的适用条件和使用限制，探讨该方法的发展 前景和研宄方向，进一步推动水力因素法在水文资料整编 领域的应用。

2推流方法
稳定的水位流量关系满足曼宁公式
0=^5S，"2(1)
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孙英军，等：水力因素法对实现流量即时整编的作用浅析
式中：2为断面流量，m3/s;W为断面面积，m2:/?为 水力半径，为水流比降；《为河道糙率。

虽然曼宁公式也只是经验公式，自然河流很难满足它 的各种假定，但其仍然是己知能较好地反映水流运动物理 规律的数学表达式，具有明确的物理意义。

根据曼宁公式 所描述的物理学涵义，可将水位流量关系的率定和整编方 法分为2类：水力因素型和时序型。

时序型是以时间作为自变量参数率定水位流量关系，公式表达为0=/(Z，0 ,式中：0为流量，m3/s;Z为水位，m;/为时间，s。

时序型包括临时曲线法、连时序法（绳套 曲线）、连实测流量过程法、改正水位法和改正系数法等。

其中连实测流量法是抛开与水位的关系，直接与时间建立 关联的一种特例。

时序型适用于任何条件，计算简便，不必分析测站特性。

但由于时序型无法反映物理规律，所需流量测次多，单次 流量测验精度要求高，实测流量成果均被当做实际值来确 定关系，对整编成果影响较大[2]。

水力因素型是以水利因素作为自变量参数率定水位流 量关系。

公式表达为g=/(Z,x),式中：0为流量，m3/s; Z为水位，m;x为水力因素。

这里只与水位相关。

水力因素型包括曼宁公式法、比降面积法和各种落差 法（如定落差法、正常落差法、落差指数法等）。

水力因 素型的应用需要满足以下2个条件：①流量与水位以及另 一水力因素之间保持比较稳定的关系。

要求曼宁公式中的 测站控制条件（断面和糙率），如断面冲淤、水草生长、结冰、河床堤岸等不发生经常性变化。

②水位和另一水力 因素的观测精度高。

要求水位的观测精度和频次高，水力 因素的代表性好。

因为根据曼宁公式，需要得到比降但
S无法直接测得，一般只能用落差F来近似代表[4]。

水力因素法物理意义明确，能够较好地反映运动规律，有比较稳定的单一关系，因此只要控制条件不发生经常性 变化，便无需太多测次。

水力因素法的应用要求水位观测精度和频次高，需要 大量复杂的计算以及具有较好代表性的参证站。

以上3个 条件在20世纪50年代都是制约水利因素法的重要因素，如今随着水位自动观测设备的迅速发展，目前水位观测精 度和频次越来越高，计算机的普及和大数据计算方法，客 观上很好地解决了采用水利因素法的前2个重要制约因素。

3案例应用
3.1案例介绍
罗桐埠水文站为国家基本水文站，1947年设立，位于 新安江流域新安江坝下4.5 km,站址以上流域面积为10 480 km2,该站至新安江水库大顼区间无支流汇入。

罗桐埠站受 新安江电站发电机组影响，水位流量关系不稳定。

目前新安江流域出口断面梅城处建有水位站，距离新安江水库坝 址约38.0 km,富春江电厂上游约22.0 km。

罗桐埠水文站 下游约1.0 km处有寿昌江从右岸汇入新安江，但支流较小，对新安江流量影响不大。

罗桐埠水文站2016年开始测流，至2018年共计实测流量107组（流量149~1 375 m3/s)。

罗桐埠站以上流域及水文站点分布见图1。

图1罗桐埠站以上流域及水文站点分布图
3.2应用结果
罗桐埠水位流量关系受多重因素影响，水位流量关系 线复杂多变，因此选用落差指数法来分析研究，探索单值 化的可能性[5]。

根据落差指数法[2](z)m Z)的原理，选择罗桐埠为本站水位，罗桐埠梅城水位差为落 差进行定线。

对罗桐埠水文站3 a实测的107组水位和流量 数据，使用SPSS软件进行迭代运算。

通过优选，最终采用 80份流量率定罗桐埠流量，公式为：
g=(44.576xZ2^ -1 740.203xZ^ +16 674.226) x(Z9-Z m)02
(2)
式中：为罗桐埠水位，m;Zw为梅城水位，m。

实测流量与公式推算流量序列进行3种检验。

罗桐埠 站样本容量80份，正号数39个，符号交换次数34次，3 种检验成果见表1。

表1罗桐埠站3种检验成果表
检验名称计算值允许值检验结果
符号检验w=0.11
允许1.15
(显著性水平〇=0.25)
合格适线检验f/=1.13
允许1.28
(显著性水平〇=0.10)
合格
偏离数值检验|/|=0.26
允许1.67
(显著性水平〇=0.10)
合格标准差Se=4.3°/〇随机不确定度8.6%系统误差0.125%
根据SL247—2012《水文资料整编规范》的规定，采用水力因素法定线精度指标为：一类精度水文站系统
.34
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孙英军，等：水力因素法对实现流量即时整编的作用浅析
误差±2.000%，随机不确定度±10.0%。

本案例系统误差 为-0.125%,随机不确定度为8.6%,且3种检验均己通过。

此次分析成果的精度满足一类精度水文站P1水文资料整编 规范的要求，可采用该方法进行推流。

整编计算罗桐埠站2018年径流量为69.78x l 〇8m 3,对 比新安江电站电功率推流年径流量70.78x 10s m 3,误差为 1.400%,水量基本平衡，成果合理。

落差指数法在运用中存在缺陷，由落差指数法建立的 模型，其精度主要取决于公式中相关参数的选取，但在计 算过程中，落差计算及对应时刻的选取也十分关键[6]。

4结语(1) 水力因素法相比时序法，物理意义明确，需要测 流次数少，能够很好地满足即时整编的要求。

并且在目前 技术条件下，原制约水力因素法成为主流推流方法的水位 观测精度和频次、大量复杂计算拟合推流公式等2个重要 因素己经得到解决，不再是应用障碍。

及时转变以时序法 为主流的推流思路，开展水力因素法推流研宄，实现流量 即时整编是非常必要的。

(2) 当前水力因素法的难点在于代表性参证站的选择。

测站所受影响复杂，落差F 对比降S 的代表性规律不易掌 握，参证站位置不易确定，需要设立并长期观测，进行试错。

梅城站作为罗桐埠站的参证站，因为距离较远，而且受到下游富春江电站回水影响，代表性不够好，需要进一步加强研究，选择更合适的参证站。

(3)目前水位自动观测精度和频次都能满足水力因素法的要求。

但由于观测频率过高，需要解决其过程不平滑
连续的问题n 1。

另外，在断面和糙率等控制条件经常发生变化的情况下，必须选择时序型。

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中的应用：以汉江黄家港水文站为例[J ].人民长江，2013, 44 (23) ： 70-72.(责任编辑 刘冬雪）(上接第32页）模型，进行模型的参数率定及验证，并利 用模型对台风“利奇马”洪水演进情况进行模拟分析，通 过模型计算楠溪江流域干流水位和流量过程。

该模型考虑 永嘉县楠溪江流域水系特点，反映降雨径流对下游河网水 动力的影响，验证结果表明，水文学水动力学洪水演进模 型在楠溪江流域有较好的适用性。

今后可通过接入相关边 界预报条件，实现实时动态的流域洪水演进预报计算，为 防灾减灾等提供技术支持。

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