相應流量推算方法與報訊精度控制措施研究

段江勇 潘暢 陳大玄

摘要：相應流量報汛是長江水利委員會水文局水情分中心（以下簡稱“水情分中心”）一項極其重要的日常工作，要做到精準發布相應流量信息卻是一項技術難題。通過對不同類型水文測站水位流量關系進行分析研究，提出了在極其復雜水情條件下的水文測站相應流量推算方法與精度控制措施，可供各地水情分中心同行借鑒與參考。

關鍵詞：相應流量;報汛精度;流量推算;控制措施

中圖法分類號：TV131.4

文獻標志碼：A

1研究背景

長江水利委員會水文局2005年率先在全國實行自動報汛之后，水文信息從內部掌控走向網絡信息平臺，成為社會共享資源而進入了公眾視野，得到了各級政府、各相關部門和普通百姓的廣泛關注。確保水文信息發布的及時性和準確性無疑是對水文人的嚴峻考驗。水位、降水實時數據已全部實現自動記錄、存儲、傳輸和報汛，而實時相應流量報汛更多受斷面等因素所限。目前，水文儀器設備暫時還無法達到自動測報條件的流量測站，更多地依賴于建立水位一流量關系，以水位為參數推求出相應流量，將相應流量作為實時流量連同實時水位信息一同發布。

2相應流量連時序法推求方法

在天然河道中，水位實測流量關系曲線呈單一線的測站數量極少，在河流中下游地區，尤其是洞庭湖區的水文測站特性影響因素極其復雜，大多水位一流量關系曲線呈非單一線。在年度整編推算時段流量時，通過實測流量測點按施測時間順序在水位一流量關系圖上連接成光滑曲線，以時間、水位為參數在水位一流量關系連時序曲線上查讀流量，完成年度水文資料整編，行業稱這種推算流量方法為連時序法或俗稱繩套線法。

相應流量報汛與時段流量整編具有相同之處，都是以時間、水位為參數推算流量，差異在于：年度整編時推求時段流量的水位一流量關系連時序曲線，是由已知實測流量測點組成的光滑曲線;而某時刻相應流量推求的臨時預報線只掌握前面的實測流量測點，其后的流量實測點的準確位置未知，需要水情報汛人員預測。因此，為報汛需要而推求的相應流量僅為預報值。相應流量的成果精度取決于水情報汛人員所作預報線的準確度，就目前而言，大多數水情分中心還是依靠工作人員憑經驗作線，相應流量精度很大程度上依賴于工作人員的責任心與實踐經驗。然而，僅憑這些無法滿足相應流量的報汛精度，應從專業角度和技術層面來解決相應流量推求難題，下面介紹兩種在極其復雜水情條件下連時序法推算相應流量的方法。

2.1水位落差連時序關系線相關法

對于水位一流量關系非單一線的測站，在繪制臨時預報線時一般根據曲線趨勢延伸，它僅適應于水位漲落變化平穩，上游來水單一，下游渲泄順暢，支流影響小的洪峰漲落水過程中的中間線段，對于峰頂、峰谷轉折處若按曲線趨勢延伸往往會得到相反的結果，方法上存在局限性，采用水位落差連時序關系線相關法可彌補上述方法的不足。

根據流量變化與水位落差成正比關系即Q=f（Zm），通過點繪上下游站連時序法水位落差曲線圖，參照其落差變化趨勢來確定同期水位一流量關系線（即預報線）。例如，南咀站2016年7月3日10：00水位達34.62m并持續上漲，按趨勢延伸曲線查得7月4日08：00水位34.83m，相應流量為10400m2/s。如果參照落差變化，7月4日08：00落差為0.82m，比7月3日08：00落差1.03m偏小0.21m，落差減少而流量增大明顯不合理。通過南咀站2016年6月9日至8月15日的落差圖與其同期的水位一流量關系曲線圖比較（見圖1），不難發現，水位一流量關系曲線與落差曲線走向基本一致，落差減小時其相應流量減小，反之亦然。再用南咀站2017年6—7月的落差圖與其同期的水位一流量關系曲線圖進行比較，同樣得到上述結論（見圖2）。利用測站連時序水位落差曲線與水位一流量關系曲線的相關性，根據落差變化趨勢適時修訂預報線，可適時糾正相應流量的偏差，大幅提高相應流量報汛精度，是保證精準預報水位一流量關系曲線的最有效的輔助方法。

2.2樣本曲線模型法

在極其復雜水情條件下推求時段流量時，一般采用連時序法，盡管連時序法形成的繩套曲線極其復雜，但只要認真分析，不難發現每個測站的連時序法水位一流量關系繩套曲線都有其獨特性。若將多年的水位一流量關系繩套曲線進行比較，許多洪峰過程的線型非常類似，有大部分不同年份的曲線可以重合在一起。根據這一規律，若把歷史資料中具有代表性的洪峰過程曲線提取出來，配上其影響參數（如時間、不同河流來水、上下游落差、漲落水趨勢、水位變化區間和漲落率等），設計編制專用軟件，將這些繩套曲線作為模型錄入計算機數據庫，水情分中心人員可根據當前測站的影響參數輸入專用計算機軟件中進行搜索，把類似的曲線模型一一顯示出來，通過比對、篩選、優化，選取符合本站當前水情的模型，稍作修改或不予修改作為臨時預報線，再不斷通過實測流量的校正、總結經驗和修改參數等，相應流量報汛不再是難事。如比較南咀站2016年與2017年的高水期6～7月水位一流量關系曲線（見圖1～2）可知，2017年6月28日至7月5日與2016年7月2-12日兩條曲線非常相似，均是受到下游湘水與資水的嚴重頂托，水位一流量關系曲線呈現非常態的反線套曲線。若2017年7月3—8日預報線通過上下游落差及區域水情分析，不難發現與2016年同期水位落差圖也非常相似，見圖1～2。參照2016年同期水位一流量關系線來預測2017年的關系線，如果把南咀近lOa水位一流量關系曲線檢索出來，可以找出許多非常相似或完全相似的曲線，再加以分析歸類，提煉出一些比較典型的曲線模型，為水情分中心制作預報線提供參考，可大大提高相應流量報汛精度。

3相應流量單值法數學模型研究方法

前面介紹的方法能在很大程度上對推求相應流量起到定性作用，要精準推求相應流量最為有效的方法還是水位一流量關系單值化數學模型，其基本公式為式中，Qm為實測流量;Qx為校正流量因素;Zm為落差;B為落差指數。通過公式（1）就可以將Z～Q非單值相關關系轉化成單值相關關系，但僅限于單一河道的水文測站。對于非單一河道，同時用n個落差組成綜合落差，可歸納為一種通用標準數學模型為

計算校正流量：

推算時段流量：式中，Zm為綜合落差;Zml、Zm2、…、Zmn為各站輔助落差;Km1、Km1、…、Kmm為各站輔助落差權重系數;B為綜合落差改正值;B'為落差指數;Qm為實測流量;Qx為校正流量;K2為綜合落差改正值;ZO為基本站水位;Z1、Z2、…、Zn為各輔助站水位;bi、b2、…、bn為落差站凍黃差;對于順逆流站引入K1參數的概念，K1為順逆流改正系數;Q為時段流量（或稱相應流量、或稱實時流量）;Qc為水位校正流量關系線上流量值。在上述數學模型中，共有3+n個待定參數Ki、K2、B、km1、Km2、…、kmm，通過歷史資料，用水位一流量關系數學模型處理系統分析計算可求得這些參數。

3.1參數的確定

在數學模型中，有3+n個參數Ki、K2、Km1、Km2、Km3、…、Kmm、B。其中，Km1、Km2、Km3、…、Kmm為落差水尺的權重系數，當單一落差時，Km2、Km3、…、Kmn為0，Km1一般取1或某一常數或某變量Km1=f（Zo或Zm）。當輔助水尺采用2～3組或n組時，Km1、Km2、Km3、…、Kmm一般采用距離加權求得，絕大多數情況采用試算，Km1至Kmm可以是常數或變量函數Kmm=f（Zn或Zm）。數學模型中的權重系數和落差指數均采用變動系數，是基本水位的函數。也就是說，n組落差值的權重系數和落差指數值隨基本站水位變化而變化。一旦確定輔助水尺，某測站水位一流量關系數學模型的分析就是對n+3組參數的設置、計算與優化處理過程。

3.1.1 Km1至Kmm/B的試算方法

數學模型分析的具體步驟是：①用單站落差作水位流量相關分析，擇優選取代表性強的輔助站作輔助水尺，確定輔助水尺組數n。②按距離加權初設落差權重系數，建立水位一流量關系數學模型，擬合水位流量關系曲線，通過調整落差權重系數，使擬合曲線與水位實測流量關系曲線的圖型比例與趨勢保持一致。③設置每個參數的取值區域與增減變幅，對Km1至Kmm個參數進行遞增或遞減作3+n層大循環試算，數學模型處理系統自動完成曲線擬合、3種檢驗、誤差統計和方案評估，大循環試算結束后從若干個方案中挑選出最佳方案。④再將最佳方案中關系曲線和Km2至Km4固定反算Km1，建立Km1與基本站水位（或輔助站水位）關系曲線，得到擬合曲線公式Km1=f（ZO或Zn），再將新的Km1=f（Zo或Zm）替代原有的Km1，反復進行第四項，直到Km1最優為止。如此類推，優化Km2至Kmm。

B值是基本水位的函數，可經過試算求得，采用變動值對提高數學模型成果精度的作用不明顯，但有改正水位校正流量關系線線型的作用，可將“S”型水位校正流量關系線改正為二次拋物線，使水位校正流量關系線趨勢合理。

3.1.2 K1和K2的確定方法

k2為綜合落差改正系數，當測站有順逆時，通過設置k2來解決正負流量問題。當Zm為負值時，取k2為負值，將綜合落差改為正值，便于指數運算;當Zm為正值時，取k2為正值，k1為負流量的改正系數，實測流量測點大致對稱于正負流量坐標兩側。對負流量測點乘以k1時，可將負流量改為正值與正流量合并定為一條正負流綜合線，由于正負流兩線不完全對稱而K1并非常數，而是隨基本水位變化的變動系數，通過曲線擬合，當負流時，K1=f（Z0）;當正流時K1=1（常數），順逆站按此方法處理可獲得比較適用的數學模型。

下面通過兩個實例介紹說明測站水位一流量關系數學模型的分析過程。

（1）實例一。小河咀站位于西洞庭湖湖口南端（見圖3），水情極其復雜，上受沅水、澧水、長江來水漲落影響，下受湘、資水的回水頂托影響，同時還受西、南洞庭湖湖泊調蓄作用，上游選擇二組輔助水尺，即沅水洪道周文廟站Z1，西洞庭湖湖泊代表站沙灣站Z2，下游選南洞庭湖湖泊代表站沅江站Z3，下泄主洪道東南湖站Z4，其單值化方案為

計算校正流量：

（2）實例二。南咀站位于西洞庭湖湖口北端，其測站水情特性極其復雜，上游受沅、澧水、長江來水的影響，下游受湘、資水的回水頂托。在水位一流量關系單值化模型中，上游選定了蒿子港、白蚌口站、西洞庭湖泊代表站沙灣站，下游選擇了東南湖與黃茅洲站，共選擇了5組落差輔助水尺，通過單值化數學模型處理后，在中高水位其精度可滿足相應流量報汛的要求。要達到年度整編推求時段流量的精度要求，還有待對單值化數學模型作進一步的分析論證。南咀站2016年與2017年的6～7月均受資水、湘水嚴重頂托，水位一流量曲線極其反常，給相應流量報汛帶來較大難度，造成相應流量誤差偏大，但通過單值化處理后，完全滿足相應流量報汛要求（見圖5）。

水位一流量關系單值化數學模型分析有專用軟件處理系統，其設計有多個功能模塊，通過這些模塊可快速尋找水位一流量關系規律，準確判斷3+n，個待定參數與基本水位、綜合落差、輔助站水位、不同來水時期、漲落率等因素是否存在相關關系。通過對基本站水位、輔助站水位、落差、時間的排序，判斷流量相對誤差大小變化，從中尋找3+n個參數的變化規律，分析出某一測站的水位一流量關系單值化數學模型。

4相應流量推算軟件設計創新

相應流量的精確度是水情分中心最難掌控的一項技術指標，也是防汛部門最為關注的重點，盡管上級主管部門加大了對水情分中心管理的獎懲措施，對提高成果質量只能起到一定督促作用，要真正提高相應流量的報汛精度，必須從技術角度對相應流量推求軟件進行改進與創新。

連時序法相應流量推求軟件可設計為綜合模塊，連時序法曲線顯示框采用米格形式，縱軸為水位，橫軸為流量兼落差，曲線框可無限放大與縮小，某時刻以前已上報的相應流量以連時序法（繩套線）形式顯示在圖上，某時刻以后的相應流量是未知數據，是預報值。繪制該段曲線可通過點繪上下游站連時序法水位落差關系線作為其參照值，在模塊中設計選擇窗口，只要選擇上下游站，就可用不同顏色將連時序法水位落差關系線與連時序法水位流量點繪在一起，通過對過去一段時間的兩曲線進行比較分析就能確定連時序法預報線的趨勢，最終確定預報線。經過不斷調整實測流量修訂預報線，不斷提高相應的流量精度。

在模塊中設計測站連時序法歷史曲線模型選擇窗口，通過對測站名、時間、水位等參數的選擇，結合多種方法進行綜合分析最終確定預報線。按此思路設計的軟件，可改盲目作線為直觀繪圖;可改靠經驗主觀作線為以多種參數為旁證綜合分析定線，這對提高相應流量預報線成果精度是一種非常有效的技術手段和措施。

5相應流量報汛精度控制措施

5.1過程控制措施

5.1.1 建立水情分中心管理制度

建立科學合理、切合實際的水情分中心管理制度，強化分中心人員工作責任心，以此來保障報汛產品的成果質量，其基本內容措施是：①規定分中心人員在崗工作時間、地點和內容。②規定當班人員對設備定時段、定項目巡視檢查登記。③規定對硬件故障處理的要求時限。④規定對報汛軟件掌握的熟練程度。⑤依據條款規定對值班人員過錯進行責任追究處理。

5.1.2制定應急預案

制定各項應急預案是保障水情分中心報汛質量的重要措施，應急預案分為硬件、軟件及測驗方式3類。硬件包括數據接收及處理設備、服務器、網絡傳輸設備、電源設備等，平常應加強對上述儀器設備的維護保養工作，發生故障時能及時處理，必要時更換備品備件。軟件包括水情數據接收系統、水情數據處理系統、水情信息交換系統和MicrosoftSQL Server數據庫等。這些軟件雖已成熟，但必須預先在備用機上裝好，關鍵時刻能夠及時切換，平時應認真做好各軟、硬件的測試和應急演練工作。測驗方法應急預案是指當出現特殊水情或測區出現潰堤決垸等極端情況時，原有水位一流量關系被改變，單值化數學模型失效，如何改變測驗方式，相應流量推求方法應有相應的應急預案可用。

5.1.3 內部培訓交流機制

加強水情分中心報汛人員培訓是一項長期的重要工作內容，相應流量報汛是極其重要的工作，因此應定期對報汛相關人員進行培訓和開展內部交流，水情報汛人員必須熟悉了解本測區各測站水情特性，熟練掌握水情分中心軟、硬件的操作技能，尤其是新職工必須經過嚴格的培訓并考核合格之后方可上崗值班。

5.1.4痕跡材料留存備查機制

水情分中心應該制定一套完整齊備的工作手冊，設計規范化、標準化的操作工序，工作人員交換班時，應規定下班時應交接的事項、接班人員應完善工作程序，每道程序的操作過程必須用文字記錄留存痕跡材料。認真做好相應流量報汛過程控制痕跡材料保存工作，尤其是水位一流量關系進行率定和流量預報線修定及審查情況。對于實測流量必須在規定時效內接收、處理并發送，同時做好記錄。保證所有流量報汛痕跡材料規范完備，便于主管部門例行檢查與事后追責備查。

5.2責任追究與考評機制

5.2.1 大錯成因分析與追責

水情分中心出現數據遲報、漏報或錯報時，都應查清問題出現的原因，可能是人為因素、自然事故或儀器突發故障，查明原因后尋求最佳處置方法，必要時應依照上級主管部門制定的有關條款予以追責，以杜絕類似事故發生。

5.2.2相應流量計算方式方法缺陷修復機制

相應流量報汛精度是目前水情分中心最難掌握的項目。不管測站水情多么復雜，只要認真做輔助性分析，均可找到一些自然規律，認真分析后就能夠大幅度提高相應流量報汛精度。如某測站相應流量誤差長期超限，應及時改變方法方式，及時修正存在的缺陷，創新出適合測站特性的方法。

5.2.3 成果考評機制

每年報汛成果質量考評應由主管部門組織實施，主要有精度考核、時效考核和痕跡材料考核。精度考核主要針對相應流量而言，相應流量成果精度應是水情分中心重點需要攻克的難題。時效考核主要是實測流量在規定的時間之內是否報出的問題。痕跡材料考核主要是檢驗分中心人員是否按照上級主管部門要求對各項檢查記錄材料存檔。

6結語

在當前的防汛測報工作中，精準推算極其復雜水情條件下水文測站的相應流量是水情分中心的工作重點和技術難題。通過不斷摸索與經驗積累，提出的水位落差連時序關系線相關法、樣本曲線模型法、相應流量單值法數學模型研究方法及相應流量報汛精度控制措施，可為水文同行提供技術支撐與參考，不同水文測站可選擇適合測站特性的相應流量推求方式方法，為各級防汛部門提供準確的水文數據。

參考文獻：

[1]李厚永，張潮，吳瓊.水位流量關系單值化分析綜合模型研究及應用[J]冰文，2011，31（S1）：152-153，157.