水位流量关系单值化方法的创立和发展

摘  要

水位流量关系单值化方法是水文行业在实现水文监测体系创新发展的重要基础，本文系统阐述了水位流量关系单值化的基本原理；整理了水位流量关系单值化方法在过去50年的发展与创新历程，以及目前在整个水文领域的实际应用情况；说明水位流量单值化方法推动了 “驻巡结合，巡测优先，测报自动，应急补充”水文现代化发展模式形成；实现了水文测站单值化方案投产后比历年平均流量测次减少50~73%以上；最后在水利高质量发展的大背景下，阐述了水位流量关系单值化方法在整编系统、站网规划、相应流量报汛等方面的作用。

关键词

长江  水位流量关系  单值化  落差指数

Creation and development of method of Single Valuation of Water Level- Discharge Relationship 

Zhao Xin, Deng Shan

Abstract

The method of single valuation of water level-discharge relationship is an important basis for the innovation and development of hydrological monitoring system in the hydrological field. The basic principles of The method is systematically elaborated in this paper. The development and innovation process of themethod in the past 50 years and its practical application in the whole hydrological field are sorted out. It is explained that the method promotes the development concept of hydrological modernization of combination of station survey and patrol survey, highlighting patrol priority, take automatimonitoring and reporting,and supplemented by emergency  monitoring. After putting into operation, the single -valuation scheme of hydrological measuring station has been reduced by more than 50-73% compared with the average flow measurement times in previous years. Finally, under the background of high-quality development of water conservancy, the function of  the method of single -valuatione theory of water level-discharge relationship in hydrologic data processing, hydrologic station network planning, and corresponding flow reporting in the future is elaborated.

Keywords

Yangtze River, water level-discharge relationship, method of single valuation, facter-Fall index

 1. 引言

河流水位与流量关系受洪水涨落、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，并非为确定的函数关系，表现在水位流量关系曲线形状上，呈现出单一绳套或极不规则、大小不一、位置不定的复式绳套。自20世纪50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，其中包括连时序法、连实测流量过程线法，以及考虑水力因素进行校正计算的等落差法、定落差法、落差开方根法、校正因素法、特征河长法、改正水位法等。20世纪70年代，经过20多年的实践，逐步发现上述诸方法存在适用性差、精度不高等缺陷，特别在使用计算机整编水文资料以后，无法实现软件定线自动化，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、设备、时间重担^[1]；特别是随着水文测验方式方法的改革，推行站队结合，逐步形成变驻测为主为驻巡结合、巡测优先的模式，成为站网和测验方法创新发展的急迫要求，而水位流量关系能否实现单值化已是关键的制约因素。

因此，研究水位流量关系单值化方法，使不稳定的水位流量呈绳套关系转化为水位流量关系单一的曲线关系，从而探讨精简流量测验的方式方法，对于水文测验方式方法的创新有着重要的现实意义。

2. 原理与方法

2.1. 非恒定渐变水流运动规律

天然河流某一断面受流域气象条件和汇流因素以及下游水力学因素（如回水顶托）影响时，水流在时空分布上表示出不同的流态。依据水力学角度观察，可分为稳定流（恒定流）和不稳定流（非恒定流）。

1871年，法国科学家Saint-Venant提出了圣维南方程组来描述水道和其他具有自由表面的浅水体中非恒定渐变水流运动规律^[2]。圣维南微分方程组由反映质量守恒律的连续方程和反映动量守恒律的偏微分运动方程组成，能够高度概括地准确表达河流流态。

式中，Q表示流量，m³/s；L表示河段长度，m；i表示比降；z表示水位，m；下同。

上式中，K表示流量模数，n表示天然河道糙率；R表示水力半径；下同。

2.2. 水位流量关系的落差开方根法

稳定的水位～流量关系用曼宁公式描述，见式（3）。

                                                       （3）                              

由式（4）可以推出流量计算公式为

                                                                              （4）                   

式中：v——断面平均流速；

    Q——断面流量；

    A——断面面积；

    R——水力半径； 

    S——水流比降； 

    n——河道糙率。

由式（4）可以看出，水位～流量关系稳定的条件是：在同水位下，必须使n、A、R、S等因素保持不变；或虽有变化，但能相互补偿。只有满足上述条件，水位与流量才能成为稳定的单值关系。

要想保持水位～流量的单值关系，即n、A、R、S保持不变，必须有良好的测站控制。测站控制分为河槽控制和断面控制。河槽控制一般多发生在河流的下游，依靠具有一定长度的顺直河段来实现；断面控制多发生在河流的上游，利用测站下游的石梁、急滩、卡口、弯道等断面控制，形成临界流，此时水位～流量关系成单一关系，而水位～面积、水位～流速关系可能散乱，但相互之间可以补偿。

天然河流因受洪水涨落、冲淤变化、变动回水、水草、冰凌等多种因素影响，其水位～流量关系多呈不稳定的形态，其共同的特点是：同一水位下，有多个流量值与之对应。由圣维南非恒定流运动方程可得: 

第一个英文字母为Q                        (5)       

圣维南方程组中连续方程反应了水量平衡的质量守恒法则，即蓄量的变化率应等于沿程流量的变化率。运动方程反应了能量守恒法则，主要特征为重力项、摩阻项、和惯性项之间的相互关系。由于对水文站流量测验而言，受变动回水和洪水涨落影响的流态均发生在汛期，而且测站流量测验断面具有一定控制作用，因此可以忽略惯性项。

圣维南方程组在数学上属于非线性双曲型偏微分方程，通常无法获得精确的解析，而要用瞬态法、特征线法、有限差分法、有限元法近似求解。通过水力学理论证明，又经过多年大量观测资料的检验，中高水时期的流量测验断面流速随水位的升高变化很小，在测流河段内随距离的变化也很小，对于平原河道，以上公式的后二项，即局地加速度和对流加速度与其它各项相比较，其量可忽略不计。上式可写成                                                                        (6)

对于稳定的天然河道，输水系数K及正常比降S₀基本上水深成单一关系，对于冲淤变化明显的河道，则不便作单一线处理。附加比降对于无回水影响的河段，只取决于洪水变形，或洪水涨落。对于有回水影响的江段，则受涨落和回水两方面的综合影响。

如将运动方程中的水面比降S改写成河段水位差与河段距离相除，则有：

                                                                                     （7）

式中：ΔZ——过流断面处水位与下游参证站水位之间的水位差；

   L ——相应间距。

因此可得:

                                                                                   （8）

令:

                                                        （9）

得:

                                                       （10）

式（10）即为水位流量关系的落差指数法，即理论的单值化处理公式,是水流阻力平方律的反映。

2.3. 水位流量关系单值化公式的建立

由式（10）可以清晰的看出，同水位下，n、A、R与水深h呈单值关系，由此得到的q与h为单值关系，故此将q称为流量校正因素，或称为单值化流量。

1970年代初，长江委水文局技术人员在水文资料整编采用落差开方根法时发现，将落差指数1/2加以变动，定线精度明显提高，各站年落差指数一般为0.3~0.6，也有些站年出现0.2或1.3的极端情况，多数人员认为落差指数不等于1/2缺乏理论依据，而0.2或1.3的极端情况是概念错误。对此，葛维亚从水力学推演中证明，落差开方根法为棱柱形河道稳定流计算公式，而天然河道横断面各异，流态随时间空间而变，极为复杂。落差指数并非1/2，属正常现象，天然河道几何形态阻水和糙率过大或过小时，出现落差指数0.2或1.3的极端情况也是可能的。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，可以用在各种流态的天然河流^[4]。  

                此公式指数为α           （11）

式（11）即为最常用的单值化处理公式——落差改正公式，α为落差指数，适用于单一河道。然而，在河道中，在上下游约20到50km河段内，既没有支流加入又没有支流分出条件的单一河道极为少数，而绝大多数都是非单一河道，公式应用受到极大的限制。在实际工作中，长江委水文局通过对若干站的实测资料分析总结，对非单一河道，同时用几个落差组成综合落差，其表达式：

                                           （12）

式中：ΔZm——综合落差；

    ΔZi——各辅助站落差；

K——各辅助站落差权重系数。

B——综合落差改正值。

对于顺逆流站引入K₁、K₂参数的概念，K₁为顺逆流改正系数，K₂为综合落差改正系数，最后构成综合落差指数法的通用标准公式：

                                （13）

式（13）中，待定参数有K₁，K₂，K_mi，B，。这些参数一般随基本站水位或辅助站水位变化，也可能随落差变化随汛枯季节的时间变化，还有的为常数。随着现代计算机技术高速发展，这些参数均能通过已有实测流量资料优选获取。

3. 水位流量关系单值化方法的创立及其应用

3.1. 方法创立及测站应用

1972~1975年间，长江委水文局将该方法命名为落差指数法，并就优选目标函数、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问题，继续对落差指数和相应的落差水尺优选及其误差开展深入研究。经采用长江汉口站和宜昌站近十年资料计算，使水文资料整编成果的各项指标均符合1964年8月水利电力部颁发的《水文年鉴审编刊印暂行规范》^[3]。

同期，葛维亚采用水文学水量平衡原理对水位流量关系单值化课题进行研究，推导出水量平衡法校正计算公式，该方法与落差指数法一样以水位落差作为唯一依据，对水位流量关系进行单值化处理，验算证明此法虽有较高精度，但判断与计算烦复，在推广应用中难度很大。经理论分析推演证明，落差指数法和水量平衡法是概括性极强的通用单值化处理方法，它即可以用在稳定流的单值水位流量关系，也可用在只受洪水涨落或只受变动回水单一影响的非单值水位流量关系，还可以用在同时受洪水涨落和变动回水混合影响的更为散乱的非单值水位流量关系。1976年根据这些研究成果，葛维亚、谢汉彪、罗钟毓^[4]针对同时受变动回水与洪水涨落混合影响下的水位流量关系，经过校正计算，完成了初步的混合影响下水位流量关系单值化探索；1979年由葛维亚、罗学棋^[6]等人提出针对了稳定河床下的水位流量关系，提出了一个概念明确、简单适用的单值化计算方法，以此为基础解决当时水文资料计算机整编问题。1981年，原浙江省水文总站有关人员参照此校正计算方法，提出用落差指数法计算分析浦阳江水位流量关系，并将水位流量关系单值化成果成功运用到水文预报^[5]。

1973年，长江委水文局下属上游水文局、中游水文局、汉江水文局在长江寸滩、万县、奉节、汉口及汉江襄阳等水文站试用，取得良好进展。

自1979年始，长江委下属有关测站先后投入单值化试点与探索工作，其中上游水文局童显光等对长江寸滩、万县、奉节单值化处理取得成功，经上报批准，万县、奉节按单值化技术要求测流和整编^[1]。寸滩站为流域重要控制站，虽单值化精度达到要求，出于慎重考虑，准备利用未来年份的水文资料，特别是丰水年的洪峰资料验证后，再利用单值化技术要求测流和整编；中游水文局杨自珍等对流态极其复杂的洞庭湖水系十几个测站进行大量分析工作，取得决定性进展，正式把单值化成果用于精简测流次数和定线推流，得到上级机关批准，大大减少测流次数，节省了人力、物力和财力。

3.2. 经验交流

1979年的长江委水文局全江水文测验交流会上，对落差指数法做了专题交流，重点介绍了落差指数法原理、公式、落差水尺优选、落差指数优选、计算误差与随机误差、落差指数法在整编和测验上的应用。至此，落差指数法这一崭新的校正方法，正式列入水位流量关系单值化处理的重要方法，为资料整编和水文测验标准规范化、通用化、自动化开辟了一条可行之路。特别需要指出的是，“单值化”这一技术术语，简明扼要而又准确，得以在国内吸引了相关技术人员的注意，并在以后的各种有关技术规范、报告文献以及专业教材里被成功引用。

1979年至1983年期间，长江委水文局大力推广水位流量关系单值化技术，通过培训班、交流会继续予以推动。长江委水文局下属上游水文局、中游水文局、汉江水文局、荆江水文局已有一批技术骨干从事推广应用工作。1982年，中游水文局施修端^[7]对长江汉口站长系列水文资料进行了水位流量关系单值化处理，取得满意的结果，对综合落差的应用取得实用性进展。1979年至1989年间罗学棋^[8]~[9]使用落差指数法在DJS-6和VAX11计算机上成功完成水位流量关系单值化定线、推流以及整编，开始向全国推广。

1983年4月葛维亚等与上游水文局谢世和等合作，开展了利用单值化方法精简测流次数和按水位级控制由常测变为间测或巡测的探索，取得突破性进展，可把每年测次从一二百次减少到三四十次，为水文测验方式向间测和巡测转变提供了新思路。欧阳美采用单纯形最优化方法，首先研制并程序。

3.3. 国内外交流推广

3.3.1. 交流概况

1982年7月联合国世界气象组织和教科文组织在英国举办了第一届国际水文科学大会，葛维亚在国际地表水委员会全体会议上，就“水位流量关系单值化原理及应用”作专题学术报告，论文入选国际水文科学协会IAHS的权威刊物。1981-1983年期间，向来华的美国水文代表团等国外水文专家分别介绍了单值化方法，普遍认为只用水位一个水力学要素解决复杂水位流量关系单值化问题，原理清楚，方法独特，简便易行，适用性强，极具特色。

1985年6月通过水文科技情报网发布了《水位流量关系单值化技术及其应用》（约22万字）。该书全面系统的阐述了单值化技术的理论基础、适用条件、基本公式、参证水尺确定、落差系数优选、落差指数优选、误差估算、合理性检查、在整编上的应用、在测验上的应用、推广应用实例等，将单值化技术向全国推广，推动了有关省区的专题培训和推广。

河海大学周宗远教授等在1981-1986年也对“落差指数法”的理论依据、参数确定、方法误差、应用范围等诸多方面进行了深入探讨与研究，并从误差角度提出了改进设想，试图将“落差指数法”引入“水文测验”课程教学，对落差指数法在全国推广应用起到了好的效果。

3.3.2. 推广应用概况

1988年，水利电力部将重新修订的《水文年鉴编印规范》(SD244—87)作为部级标准颁发^[16]，规范中首次引入水位流量关系单值化处理的落差指数法。目前为止，水位流量关系单值化研究已经发展了四十多年，单值化技术已经在长江、黄河、海河、淮河、松花江、辽河、珠江等流域机构和广西、福建、山东、湖南、湖北、河南、陕西、内蒙、新疆、江西、浙江、广东、安徽、吉林、江苏、河北、黑龙江、辽宁、山西、甘肃、四川等省区水文部门推广应用，取得显著技术进步和经济效益，水文站测流次数从每年几百次降低至几十次，甚至十几次，大大节省了人力、物力、财力，也把测流风险度降到最低^[17]-[36]。

何超典^[38]着重探讨落差指数法的基本原理及其在水文测验、整编改革中的应用问题，指出落差指数法具有较好的概括性与适应性，论据充分、方法简捷、便于应用、精度较高是其独具优点，适合大中河流水文测站应用，成果为推广这一方法和改革水文测验整编在判断上提供了依据和可能，也为应用电算技术实现水文整编程序的自动化、通用化和标准化创造条件。

3.3.3. 持续深入的研究

20世纪90年代后期，有关应用和科研部门科技人员^[40]针对水文测、报、整、算，继续进行了单值化技术的研究和探讨，取得很大进展。魏进春^[43]等人运用投影追踪回归分析方法解决河流水位流量关系的单值化处理难题；李林华、安莉娜、黄诚良^[41]~[42]探讨了不同影响因素下的水位流量关系单值化处理方法以及最优落差估计方法。其中最具代表性的是中国水利水电科学研究院戴清、韩其为^[39]等人1998年针对长江中游散乱水位流量关系进行单值化处理方法研究，该研究在重点分析荆江、洞庭湖防洪重要水文站监利、城陵矶(七里山)、螺山、汉口水位流量长系列实测资料的基础上，初步建立了考虑河段水面比降因子，模拟水位流量的单一关系模式：即J=J0+JQ。该式待定系数意义明确，简便易求，并可借此对河道水流特性进行深入分析，利用该方法所求结果与实测值完全吻合。该成果采用的综合落差指数法和幂函数拟合法的概念和思路均和当年单值化处理的落差指数法有许多相似之处，他们均采用了较远距离参证水尺的水位资料，以落差或比降作为校正要素，并将落差系数和落差指数作为重要参数并进行优选，但面对长江河流严重冲淤，河道和断面严重变化以及上游三峡川江和清江洪水涨落影响以及下游干流、洞庭湖、汉江变动回水影响，水位流量关系极其复杂多变。戴清^[39]等人在深入分析错综复杂的影响因素和对荆江河段水流流态加以剖析后，引入了“平均流量”、“河段平均比降”、“下游水位在某数量级流量同频率条件水位变化”等新思路，成功解决了最复杂河段单值化问题，对水位流量关系单值化处理方法研究和推广应用作出了重要阐述。

2010年以来，长江水利委员会吴世勇^[10]、李世强^[11]、伍勇^[12]、万凤鸣^[13]、章磊^[14]、牟芸^[15]等人也基于水位流量单值化方法提出了各个重要水文站的单值化处理方案，并投入生产实践中。在此期间，单值化技术的研究和应用得到了水利部水文局领导和专家、长江委水文局领导的肯定和大力支持。

3.3.4. 水位流量关系单值化在水文测验方式方法创新中的应用

长江委水文局自20世纪70年代开展进行水文测验方式方法创新的探讨，逐渐试验了巡测、水文调查、应急补充监测等方式，并开发或发明了相应的监测整编技术。根据我国防洪压力大，对洪水信息时效性强的要求，提出了汛期为保证水文测验精度与时效，采用欧美国家巡测模式并不能完全适应我国实际的观点，应视条件驻巡结合。并经过研究认为欧美采用双对数水位流量关系，其精度不能满足我国防洪需求，必须研究新的水位流量关系的方法用于精简流量测次。因此，“巡测优先、驻巡结合、自动测报、应急补充”的水文测验管理体系逐渐形成，既与国际接轨，又有鲜明的中国特色，保证了水文信息收集的广泛性、及时性和水文资料的准确性，这套水文测验管理体系是确保水文监测活动正常运行的关键。长江委水文局在2005年7月1日在全国率先实现了所属l18个中央报汛站水位、雨量及相应流量自动报汛；为实现巡测优先、驻巡结合，使得水文测验管理体系及流量、泥沙测验能支撑巡测及应急快速监测的要求^[47]，长江委水文局又在2007~2010年全面推行水文测验方式方法监测体系创新工作，而水位流量关系单值化的推进，是整项工作的重要抓手。

开展流量巡测，其水文站流量测验次数就不宜太多，否则将得不偿失。河流水位与流量关系受洪水涨落、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, 并非为确定的函数关系, 表现在水位流量关系曲线形状上呈现出单一绳套或极不规则、大小不一、位置不定的复式绳套。为确保《水文资料整编规范》的定线精度, 我国水文站测流次数多达百次以上, 甚至四、五百次,水文测验工作量异常巨大，不可能采用巡测方式。因此，水位流量关系的单值化是实现水文巡测的关键。

目前，长江委水文局所属的水文站中，巡测方案水位流量关系采用单值化的有35个，另有65个水文站通过单值化技术精简了流量测次。上述水文站中即有小河站、干流控制站，还有洞庭湖区顺逆不定河流的水文站，以及长江口受潮汐影响的河口水文站等各种类型，充分证明水位流量关系落差综合指数单值化方法的通用性。图1为螺山水文站2008年水位流量关系单值化之前与2009年水位流量关系单值化方案投产之后的水位流量关系对比图，因江湖汇流，水情复杂，水位流量关系定线一般为连时序法，2008年流量测次104次，2009年流量测次为38次^[48]。

而处于顺逆流相互转换的洞庭湖区水文站，其流量测次更多，有的年份流量测次多达300次以上，水位流量单值化方案投产后，各水文站只需按年水位变幅在高、中、低水位级均匀分布15～30次流量测次，比历年平均流量测次减少50～73%以上，每个测站每年可减少测次100次以上，可节省大量人力和物力，为巡测奠定了基础。长江干流的枝城、沙市及长江入洞庭湖的新江口、沙道观（二）、藕池（管）、藕池（康三）等水文站也通过水位～流量关系单值 (表1)，实现了测站的流量测次按单值化整编定线要求进行布设，流量测次按水位级均匀布置，大大地优化了流量测次。

 表1. 长江干流各水文站水文流量关系单值化方案投产前后年流量测次对比

目前，水文的流量要素测验已逐渐向自动监测、实时在线监测方向发展，时效性及精度均有较大的提高。这些新技术新仪器的应用极大推动了水文生产力的发展，也给水文资料整编技术和方法带来了挑战与机遇。这些新仪器与新技术的显著特点之一便是产生了大量的水文原始数据，如水位数据由原来人工观测的段制（枯季两段，汛期四段或八段）变为自记后的每5分钟或6分钟一个数据，流量数据由原来常规方法的一天一次或几天一次变为在线监测后的每半小时或一小时一个数据等，而这些海量、质优的水文原始数据仅靠人工或现有的整编技术是无法应对和处理的，迫切需要开发新的水文整编技术来进行成果展示。因此，针对在线自动监测设备的数据特点，利用技术成熟的水位自动监测技术，开展水位流量关系单值化分析，努力实现成果快速输出与展示，是当前针对海量水文监测数据处理的必然选项。

同时，结合在线自动监测设备的数据进行水位流量关系单值化分析也能促进在线设备的更新与发展、促进在线监测设备的测量精度提升。通过海量的水文全要素监测数据，也能扩展水位流量单值化分析的思路，可以朝着非落差指数法的方向进行水位流量关系单值化率定。

4. 水位流量关系单值化赋能新阶段水利高质量发展

4.1. 对水位流量关系单值化的再认识

水位流量关系是江河水资源状况以及湖泊、水库等水量变化衡量的重要因素。水文测验则是反映江河径流、水量瞬时变化资料的重要手段，建立河流、渠道水位流量相关关系是水文测验掌握河流变化规律的重要方法之一。通过时段内断面实测水位、流量数据及时建立或修正相关关系不仅可以反映定期内河流、渠道两者变化规律，而且还可预测范围要求内的流量大小，起到河流洪水预报预警效果。通过基本水尺断面水位观测，依靠流量测验断面确定断面流速，建立水位流量相关关系，依据关系可提高测验精确度、简化测验步骤，为实现河流水位流量测验可控、可预测做好铺垫。

水位流量关系单值化是在测验条件多变条件下，通过寻求水位流量关系，达到预测河流量目的。基于关系形成条件，一般分为稳定河床^[6]水位流量关系单值化处理和不稳定河床^[45]水位流量关系单值化处理。稳定河床水位流量关系可通过单一曲线或者分时分段曲线判定适应条件单值化处理，对于不稳定河床水位流量关系可通过界定条件或者变换影响关系来率定，使得水位流量单值化。其实，水位流量关系单值化方案中各个测站的具体方法都存在差异，长江委水文局及其他省市水文机构多通过落差指数法，但其中也有些测站使用改正水位法、校正因素法、抵偿河长法等，国外也有使用双对数坐标系下的单值化方案，其关键控制条件则为断面因素与糙率。

水位流量关系单值化处理主要是通过对大量实测资料分析建立水文要素之间稳定的相关关系，依据这种关系，用易测的观测项目，推求流量、输沙率，减少直接测验流量、输沙率的工作量。为水文站网建设工作提供更加便捷的路线，分析水位流量单值化条件，以达到优化测验方法、简化测验步骤的目的，为全面实现水文巡测创造技术条件，减少了相当大的工作量，节约水文站的人力物力成本。

当前为满足水资源管理、跨省江河流域水量调度管理等要求，各地都在加强省界断面水文监测管理，省界断面往往位于生活较困难的地区，大量布置长期驻守的省界水文站将消耗大量的人力物力。因此，针对不同省界断面的特点，利用技术成熟的水位自动监测技术，开展水位流量单值化分析，努力在省界断面实现巡测、间测或校测，是省界断面监测必然选项。例如，对于西部山区省界断面，利用其稳定的断面，大多能确定单一的水位流量关系曲线，可大量精简测次实现巡测甚至间测；对于东中部平原河网的省界断面，可开展水位流量单值化分析，利用较完善的交通及快速监测技术进行巡测。

4.2. 水位流量关系单值化方案的下一阶段应用

4.2.1. 在整编系统中的应用

2021年1月1日，水文资料在线整编系统将在长江委水文局正式投产，标志着水文资料整编工作由“日清月结”正式迈向“实时智能”。从水文资料整编系统2.0到5.0，再到现在的水文资料在线整编系统，资料整编的脚步一直在向前大迈进。但是回头看，在计算机技术受到制约的70年代，利用计算机整编水位、流量、含沙量、输沙率资料，其中一个重要方面就是必须建立水位-流量之间的某种数学关系，依据这种数学关系由水位推算出相应的流量，以落差指数法为基础的水位流量关系的单值化处理方法为实现水文资料计算机整编自动化成为可能，并得到广泛应用。

4.2.2. 站网规划中的应用

现阶段我国的水文监测体系下逐步由测站驻守方式向“巡测优先、驻巡结合、自动测报、应急补充”的水文监测管理体系过渡。但是目前，站网密度偏小,效率有待提高。要实现现代水文管理模式，必须首先对现有的站网结构进行调整。现有水文站网的规划方法尚不成熟，并与当前的治水思路不相适应。主要表现在我国大多数水文测站是20世纪60年代以前主要为积累基本资料和防汛服务设立的，功能单一，设站目的和任务已经相对滞后。随着国民经济和社会的发展，现有站网结构和布局已不能适应水资源开发管理、生态环境建设、河道整治的需要，无法满足水资源优化配置的要求，同时也远远不能满足城市防洪和城市水资源管理的需要。加强监测站网规划，适当增加站网密度，完善站网结构、实现各类监测站网的有机结合，提升站网整体功能。

水文站网调整依赖于水文巡测技术的提高，水文巡测技术是站网调整的前提。目前，我国水文观测成果均要求整编，对于驻守站，因测次较多，一般均可以满足整编定线的需要。然而开展巡测以后，因测次减少，尽管每次测验的精度有所提高，由于不能控制水情变化的全过程，整编有一定的难度。20世纪70～80年代，开展的水位流量单值化分析，对解决部分地区的巡测资料整编起到了相当大的作用。

4.2.3. 在相应流量报汛中的应用

许多测站常常采用连时序法或过程线法进行报汛，本质上都是通过实测水位流量数据跟踪水位流量关系的变化，分析产生变化的影响因素，推理水位流量关系变化的趋势并据此进行流量报汛。使用流量数据进行预报时，会根据该测站的属性、水位流量关系的影响因素、上下游的流量值和水量平衡等，判断水位流量关系走向，并据此进行预报；预报发布后，根据流量预报成果和实况报汛流量进行精度评定。因此，流量预报的精度取决于流量报汛的精度，采用水位流量同化（以下简称相应流量）报汛的测站，相应流量报汛的精度直接影响到水情预报的精度。所以，对于水位流量关系多杂的测站，除增加测次途经，提高预报精度，通过对复杂水位流量关系单值化将测次降下来亦是保证预报精度的有效手段。但有时候实测流量在相应流量转换过程中起不到任何校正作用，一旦相应流量转换出现较大偏差，得不到即时的校正，会对洪水预报产生较大的偏差，故此类测站应大力开展巡测、间测或校测，若洪水预报出现较大偏差，应立即安排测次校验。

5. 结语

水位流量关系单值化方法经过50多年的发展与改进，已经日趋成熟，它从实践应用的需求而来，经过理论研究和方法创新，又到实践应用中去，循环往复多年，在加快实现水文现代化的创新道路上持续发挥作用，为整个水文监测体系创新提供了强有力的理论依据和方法基础。本文详细介绍了水位流量关系单值化的基本原理，并整理了几代水文人在水位流量关系单值化方法的发展与推广上做出的贡献，以及目前在整个水文领域的实际应用情况，最后在水利高质量发展的大背景下，阐述了水位流量关系单值化方法所扮演的角色，以飨读者。

感谢水位流量关系单值化方法的创始人葛维亚教授级高工和在水文测验方式方法创新过程中大力推广单值化应用的王俊教授级高工，对本文写作过程中的悉心指导。

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原长江委水文局局长王俊对水文单值化技术的评语

单值化的鼻祖是葛维亚老师，一直由我局发扬光大，发力在测验方式方法创新，再创辉煌在新阶段。

本文由湖北武汉长江水利委员会水文局赵昕，邓山编著，王俊审校，

葛维亚转载。