孙英军，李明宏，徐卫东

（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）

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[1]。随着大部分水文要素采集自动化逐步完成，降水量、水位等遥测数据已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型，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究方向，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[3]：

式中：Q为断面流量，m3/s；A为断面面积，m2；R为水力半径，m；S为水流比降；n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，但其仍然是已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Q=f（Z，t），式中：Q为流量，m3/s；Z为水位，m；t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Q=f（Z，x），式中：Q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：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。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S，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坝区间无支流汇入。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]（Q=q×ΔZβ=f（Z）×ΔZβ）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：

式中：Z罗为罗桐埠水位，m；Z梅为梅城水位，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

根据SL 247—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 种检验均已通过。此次分析成果的精度满足一类精度水文站[2]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69.78×108m3，对比新安江电站电功率推流年径流量70.78×108m3，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 个重要因素已经得到解决，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究，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[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。