现代水文测验技术综述

葛维亚

       我国水文测验隶属于陆地水文的基础学科，承担河流“水流沙”、水资源、冰情、降水量、蒸发量、土壤含水量、地下水位等观测以及环境水文等基础数据的采集和整编重任。为水资源管理，防汛抗旱，防灾减灾，水利工程的规划、设计、施工、管理应用，水环境保护以及与水有关的经济建设和社会发展等，提供代表性和可靠性的数据，在社会效益和经济效益方面发挥了极其重要的作用。

       我国水文测验起步很早，17世纪提出了河道横断面面积与水流速度相乘求得流量的计算方法，并用浮标法测定流速，1746年，中国在黄河老坝口设立了全国第一个正规水位站，开始系统观测水位，并进行报汛，18世纪开始对雨量进行了正规的观测，1865年起先后在长江、松花江、珠江等多处设立水位站，用现代方法观测记录水位，积累完整的水文资料。我国的顾世楫于1931年提出“水面蒸发量之测验法”，倡导全国统一使用直径为80厘米、高为40厘米带套盆的蒸发器，测得的结果接近于大水体的实际蒸发值。1925年中国的徐世大最早为永定河治理作了水文泥沙计算。此后朱延平对黄河含泥量、张含英对黄河流域的土壤及其冲积、方宗岱对流沙淤积、许宝农和沈晋对黄河含沙量的分布和变化、张瑞瑾对黄河泥沙冲积量及三门峡水库冲淤过程等的研究，都对中国各河流的泥沙运动规律的认识作出了贡献。中国李仪祉于1934年首次提出黄河流域布设水文站网的规划，并提出了至今仍有重要参考价值的布设水文站网的思想。上世纪30年代，中国的水文站网得到发展，整理和刊布了中国早期的水文和雨量资料。中国最早的《水文测验规范》是由顾世楫于1928～1929年主持制定的，他还发表了许多有关水文测验和水文资料整理方法等文章，对推动中国的水文测验作出了贡献。 

       我国自1956年到1984年底止，水文基本站网发展到21600处，可以基本掌握全国各主要河流的水文情势。同时，编制和完善了《水文测验规范》，统一了全国水文测验技术标准。于50年代中已全部整编刊印完成1949年以前积存的历年实测资料；从1950年起每年刊印水文年鉴，到1984年止已刊印2100册，共约12亿组数据。1976年，中国开始用电子计算机整编水文资料。70年代中期起，相继制成了同位素测沙仪、放射性同位素示踪法测流仪和超声波测流仪等，于1978年开始研制水文自动测报系统，并已实际应用和推广。自70年代末至80年代初，在黄河、长江等流域和地区开始应用卫星图片和遥感技术研究水文、水资源问题，取得了成果。

       中国自1974年起参加了水文测验项目的国际合作，开展了各项合作活动。1980年和1983年两次在中国召开了国际河流泥沙学术讨论会，1984年在中国北京成立了“国际泥沙研究培训中心”。

       河流水位与流量关系是把水文测验数据整编并形成《水文年鉴》的关键。由于它受洪水涨落、变动回水、断面冲淤变化、水利水电工程等诸多复杂因素的影响，无法对函数关系进行解析，只能建立其随机性的相关关系。表现在水位流量关系曲线形状上呈现出点据混乱的单一绳套或极不规则、大小不一、位置不定的复式绳套。我国自二十世纪五十年代以来，为了水文资料整编的实际需要，对非单一水位流量关系曲线定线推流提出了很多方法。经过二十年的实践，逐步发现所有方法存在适用性差、精度不高等缺陷，特别在使用电子计算机整编水文资料以后，无法实现机器定线自动化。水文站为确保定线精度，水文站测流次数多达百次以上，甚至四五百次，增加了外业水文测验人力、财力、设备、时间重担。

       1972年葛维亚通过附加比降概念，进一步分析了落差指数与各种影响因素之间的关系，又从数学上认为变动落差指数体现了参数最优化思路。因此把落差开方根法的落差指数1/2加以变动，使其成为“河流不同流态”校正系数，可以用在各种流态的天然河流，籍以提高定线推流精度是可行的。

 　　1972至1975年间，葛维亚对落差指数和相应的落差水尺优选及其误差进行深入研究, 将该方法命名为落差指数法，提出了优选的目标函数、优选范围、精度要求、优选精度与优选次数理论公式、落差水尺选定公式等有关问题，经采用长江汉口站和宜昌站近十年资料计算，得出令人信服的结果，各项指标均符合水利电力部颁发的《水文年鉴审编刊印暂行规范》的要求。

与此同时，葛维亚把这一方法介绍给长江水利委员会重庆水文总站、汉口水文总站、丹江水文总站有关人员，在长江寸滩、万县、奉节、汉口及汉江襄阳等水文站试用，取得良好进展。葛维亚正式把将“落差指数法” 这一崭新的校正方法命名为水位流量关系单值化处理的方法，使测站每年水文观测的测流次数有一百多次，甚至400次减少到只有二三十次，继而为资料整遍和水文测验标准化、规范化、通用化、自动化、巡测化开辟了一条可行之路。

1981年葛维亚依据圣维南方程推导出落差指数法公式，使这一方法完全建立在理论基础之上，由此完全证明了落差指数法不是纯经验公式，而是圣维南偏微分方程组，在一定条件下的数值解。同时进一步丰富了落差指数和落差系数优选思路，其中包括使用线性逐步回归确定一组落差系数的方法。

由于开始几十年采用的水文测验设备和方法存在一些不足，例如设备落后，灵敏度差，精度不高；站网设计与建设在科学性，代表性与合理性方面不足，测站人员技术水平亟待提高，巡测技术落后于实际需要，缺少完整的科学的规范。

自上世纪八九十年代开始，对水文测验设备进行更新换代，使用更为先进的雷达测流、微波测流、雷达水位计，巡测车、巡测车遥控船搭载ADCP技术、水文站点自动监测、电子遥测终端等，不仅方便实用，自动化，遥控化程度高，而且测量误差明显减少。

通过新设备和新技术的应用，现在的水文测验技术明显降低了工作强度，促进水文测验技术向着自动化和精准化方向发展。尽管水文测验现代化技术取得了长足的进步，但是在代表性，灵活性、可靠性方面仍处于难以全面达到规范要求的地步。我们可以发现，在水位观测中，浮子式水位计在水位涨落时，容易出现平衡锤失重、钢丝打滑等情况，从而造成记录出现误差，或者水位计的齿轮出现磨损、传动不灵敏等问题。除了浮子式水位计之外，还有多种形式的水位计也都会存在各种因素影响水位的观测精度。例如，压力式水位计容易受到淤泥的影响，超声波水位计容易受到泥沙漂浮物的影响等。

在使用新技术和新设备时，要对出现的这些问题进行总结分析，要定期对遥测站进行巡查和维护，认真检查雨量传感器；进行承雨器的清理；测量误差分析；对于浮子式水位计要检查其轮固轴的螺丝是否依旧紧固；在水位过高过低时平衡锤是否触底；气泡式水位计的计器管是否漏气等。

       对于新引进的设备还要进行比测分析，从而确定其设备的测验误差，所测量的误差在允许的范围之内时，再投入正常的使用。对于没有明确规定的仪器，要将其与有明确规范规定的仪器进行大量的对比测试，对误差小的仪器，可以将其引入并替换原有的仪器。水文站在水文测验现代化技术应用的过程中，要充分的了解测站的特点，并结合其特性选择适合该测验站的仪器设备，经过严格的对比测试后，合格的设备才能投入到水文站的使用。通过水文技术的发展，逐渐推广水文测验现代化技术的应用。