建設(shè)“原型黃河”完善的測驗體系

1、建設(shè)“原型黃河”完善的測驗體系摘要：建設(shè)“原型黃河”完善的測驗體系在黃河治理開發(fā)和 管理的事業(yè)中占有極其重要的地位，是“數(shù)字黃河”和“模型黃河” T程建設(shè)的基礎(chǔ)?！霸忘S河”的測驗體系，是指從測驗站網(wǎng)的規(guī)劃、 布設(shè)到收集、整理、存儲和刊布水文、泥沙、河床及庫區(qū)形態(tài)資料的 全部技術(shù)過程，基本的測驗項冃包括降水、蒸發(fā)、水位、水溫、水質(zhì)、 冰情、流量、泥沙、河床（含河口）和庫區(qū)沖淤變化等。關(guān)鍵詞：原型黃河測驗體系水文水質(zhì)“原型黃河”的測驗體系，是指從測驗站網(wǎng)的規(guī)劃、布設(shè)到收集、 整理、存儲和刊布水文、泥沙、河床及庫區(qū)形態(tài)資料的全部技術(shù)過程, 基本的測驗項冃有降水、蒸發(fā)、水位、水溫、水質(zhì)、冰情、流量、

2、泥 沙、河床（含河口）和庫區(qū)沖淤變化等。這項工作，在黃河治理開發(fā) 和管理的事業(yè)中占有極其重耍的地位。因為，它是所有工作的基礎(chǔ)， 沒有這項工作的支撐，“數(shù)字黃河”和“模型黃河”工程的建設(shè)將成為 一句空話，甚至黃河治理開發(fā)和管理的一系列工作都將受到嚴重的制 約。一、黃河測驗的歷史與現(xiàn)狀 河流測驗是在人類對自然的斗爭中，特別是在防御水害、興修水 利的過程中逐步發(fā)展起來的。黃河水文觀測歷史悠久，早在公元前1 3前1 1世紀，殷代的 甲骨文中己有對雨、雪定性觀測的記載。黃河流域開始用近代科學方法觀測降水量是1912年在山東泰 安設(shè)立的南量站。1 9 1 5年在黃河支流大汶河南城子設(shè)立的水文站, 標志著黃

3、河流域以近代科學方法進行水文觀測的開始。以后，逐步設(shè) 立了各種水文測站。中華人民共和國成立后，黃河測驗工作得到了較快發(fā)展。站網(wǎng)規(guī) 劃與建設(shè)、洪水測驗、洪水調(diào)查、資料整編等各項工作相繼展開。1 9 5 6年全流域第一次統(tǒng)一進行了站網(wǎng)規(guī)劃，之后，19 6 1年、1 9 6 3 1 9 6 5 年、1977 1979 年、1983 年乂進行了 4次較大的站網(wǎng)規(guī)劃的調(diào)整和補充。到目前為止，全河已建水文站網(wǎng) 數(shù)量達到9 7 9處，其中水文站1 3 3處，水位站3 6處，雨量站7 7 4處，蒸發(fā)站3 6處。另在三門峽庫區(qū)布設(shè)6 1處、小浪底庫區(qū)布 設(shè)1 7 4處、下游河道布設(shè)1 5 2處、河口濱海區(qū)布設(shè)3

4、 6處淤積測 驗斷面。從19 5 1年開始，已連續(xù)5 0年對黃河下游河道進行了測 驗，從1 9 5 9年開始，已連續(xù)4 2年對三門峽庫區(qū)的淤積情況進行 了測驗，對小浪底水庫的淤積測驗開始于1 9 9 7年，到冃前已連續(xù) 施測了 4年。依靠這些水文站網(wǎng)觀測和對河床及庫區(qū)淤積情況測驗的寶貴資 料，廣大治河專家深入開展了黃河水沙變化、河床演變及庫區(qū)沖淤變 化等規(guī)律的研究和探索，為黃河治理開發(fā)和管理事業(yè)的發(fā)展作出了重 大貢獻。二、耳前存在的主耍問題1測驗站網(wǎng)的布局與結(jié)構(gòu)難以適應新的治黃形勢過去，黃河流域設(shè)置站網(wǎng)的主要服務對象是防汛，因此，其布局 與結(jié)構(gòu)均以暴雨洪水來源區(qū)為牽引。隨著國家經(jīng)濟社會的迅速發(fā)

5、展， 在黃河治理開發(fā)進程中，逐漸出現(xiàn)了一些新的問題，如對黃河水資源 的過度開發(fā)與使用，導致了黃河下游長期而嚴重的斷流現(xiàn)象，與此同 時，經(jīng)濟的發(fā)展帶來了污染的加劇，黃河流域上中游地區(qū)的水土流失 尚未得到有效控制。新的治黃形勢要求“堤防不決口，河道不斷流， 水質(zhì)不超標，河床不抬高”（以下簡稱“四不”），用這一新的耍求去衡 量過去設(shè)置的測驗站網(wǎng)，可以明顯地看出其布局與結(jié)構(gòu)已無法滿足新 的需耍。如對黃河干支流枯水徑流的測驗、對水質(zhì)和水土流失的監(jiān)測 等，過去都考慮得較少。2水文站網(wǎng)密度偏疏據(jù)統(tǒng)計，黃河流域水文站網(wǎng)密度為2 3 3 0 km 2 /站，其中黃 委轄區(qū)水文站網(wǎng)密度為2 6 5 0 km2 /

6、站（河源區(qū)為9 7 2 7 km 2 /站，河口鎮(zhèn)一龍門區(qū)間為2 6 3 0 km 2 /站，涇河2 3 10k m2 /站，伊洛河1 3 2 6 k m 2 /站）。而歐洲國家水文站網(wǎng)的平均 密度為1 7 5 0 k m 2 /站，美國長年觀測站網(wǎng)的密度為13 0 0k m2 /站。黃河流域稀疏的水文站網(wǎng)密度，特別是中游地區(qū)暴雨和泥 沙主要來源區(qū)的水文站網(wǎng)的密度太小，給泥沙主要來源區(qū)的輸沙模數(shù) 圖及徑流深等值線圖的繪制帶來很大困難。目前，全流域雨量站的密度為3 2 6 km 2 /站，其中黃委轄區(qū) 雨量站平均密度為3 9 6 k m 2 /站（河源區(qū)為最稀處，平均8 2 3 1 k m 2

7、/站），均小于水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導則（S L 3 4 9 2 ） 3 0 0 km2 /站的規(guī)定，史小于世界氣象組織（WMO）推薦的溫 帶山區(qū)雨量站網(wǎng)最稀密度100250km2/站的指標。3.下游河道淤積測驗斷面偏少黃河下游是一條強烈的堆積性河道，素有“善淤”“善徙”之稱。 特別是高村以上河段，兩岸堤距一般1 0 km左右，最寬處有2 4 k m,河槽寬一般35 km。河道中沙洲密布，串溝眾多，泥沙沖淤 變化劇烈，水流寬、淺、散、舌L,主流瞬息萬變，河勢擺動頻繁。在 這樣的河道上布設(shè)測驗斷面，若間距過大，則勢必難以捕捉到其真實 的變化情況，測驗精度會大大降低，進而對分析其河床演變規(guī)律帶來 極大困

8、難。現(xiàn)狀情況，黃河下游河道淤積測驗斷而的平均間距大于5 km, 不能滿足下游河道沖淤演變規(guī)律研究的需耍。4 測驗手段落后目前，黃委轄區(qū)的水文測驗對水文耍素的測驗大多采用傳統(tǒng)的儀 器設(shè)備和方法，這些傳統(tǒng)的儀器設(shè)備和方法已沿用了幾十年之久，如 水位觀測仍以直尺為主，流量測驗主要依靠測船和過河纜道用流速面 積法求得，流速測量主要采用流速儀，水深測量釆用測深桿，含沙量 釆用橫式釆樣器取樣，普通天平稱重計算。資料處理大部分仍用人工 錄入、校對、繪圖等。這些傳統(tǒng)的測驗設(shè)備和方法存在著作業(yè)效率低、 安全度小、誤差大的缺陷。而發(fā)達國家的水文測驗設(shè)備和方法早已更 新?lián)Q代，如水位、雨量已普及自動采集和自動傳輸，流

9、量測驗廣泛使 用多普勒流速剖面儀（A D C P）和全球定位系統(tǒng)（G P S）等先進 技術(shù)。泥沙測驗采用積時式釆樣器或物理方法的測沙儀，因測得的含 沙量均系所測時段內(nèi)的平均含沙量，較好地解決了含沙量脈動對測驗 精度的影響。水文數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)可由計算機處理自動牛:成數(shù)據(jù)庫等。5野外實驗研究工作的中斷，影響了對黃河流域水土流失及產(chǎn) 匯流規(guī)律的探索早在2 0世紀4 0年代末期，黃河流域的水?？蒲姓驹谄露荚O(shè) 徑流小區(qū)，觀測降雨、地形（主要是坡度和坡長）、植被、土壤等項因 素對水土流失的影響，先后提出了一些水土流失方程式，并用以預報 某一地區(qū)的水土流失發(fā)展趨勢，使水土流失規(guī)律的研究從單因素提高 到了綜合

10、因素。2 0世紀5 0年代，黃委先后在陜西子洲、山西垣曲 設(shè)立徑流實驗站和徑流站，用以研究各工程措施和生物措施條件下的 產(chǎn)流、匯流及徑流變化、降水變化及其影響等，以探索產(chǎn)、匯流規(guī)律。 由于受各方面因素的影響，野外實驗研究工作于2 0世紀7 0年代初 以前全部中斷。時至今日，黃委已沒有一處野外實驗研究基地，這在 某種程度上嚴重影響了對黃河流域水土流失及產(chǎn)匯流規(guī)律的深入探索 與揭示。6.管理體制存在問題，缺乏行業(yè)統(tǒng)一標準，測驗結(jié)果未能進行 統(tǒng)一后處理由于歷史的原因，黃河中下游水庫、河道淤積測驗單位分散，0 前情況下缺乏統(tǒng)一行業(yè)標準，2 0世紀9 0年代以來，各施測單位分 別依據(jù)自己制定的標準進行整

11、理、計算，在數(shù)據(jù)格式、計算方法、成 果編制和資料精度等方面差異較大，沒有形成一套完整的淤積測驗資 料。黃河下游河道沖淤量的分析計算是建立在固定斷面的重復測量資 料基礎(chǔ)之上的。一般情況下，應由一家牽頭單位統(tǒng)一組織，按照統(tǒng)一 的后處理方法，利用斷面法的測驗結(jié)果對河段沖淤量進行分析計算， 并統(tǒng)一對外發(fā)布。而目前情況下則是由幾家單位分散分析計算，不僅 造成重復勞動，而且各家分析計算的結(jié)果存在較大差異。如在對黃河 下游各河段的沖淤量的分析計算中，數(shù)家單位對夾河灘一高村河段1 9 6 4 - 1 9 7 3年期間的沖淤量計算結(jié)果最大差別竟高達1 . 2 4 億H1 3。這樣的結(jié)果，使用起來非常困難。三、進

12、一步完善黃河測驗體系1調(diào)整測驗站網(wǎng)布局與結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)“四不”目標服務滿足防洪、減淤需耍在暴雨洪水來源區(qū)增加水文站網(wǎng)。黃河流域的暴雨洪水有三大來 源區(qū)，一是河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間，二是龍門至三門峽區(qū)間，三是三門峽 至花園口區(qū)間。冃前，在上述三大暴雨洪水來源區(qū)中，河口鎮(zhèn)一龍門 區(qū)間的水文站網(wǎng)最稀，單站控制流域而積達2 6 3 0 k m 2 ,雨量站 單站控制流域面積為3 1 0 km2,即便如此，站網(wǎng)分布也不均勻， 一些地方過于稀疏，以致無法控制暴雨分布區(qū)域，不能滿足防洪需要。 因此，在這些地方，耍優(yōu)先考慮增加水文站網(wǎng)，至少應增加至滿足繪 制輸沙模數(shù)圖和徑流深等值線圖的基本要求。加密黃河下游河道淤積測

13、驗斷面。鑒于黃河下游河道沖淤變化的 復雜性及測驗數(shù)據(jù)的重要性，應大幅度提高其測驗精度。要達到這一 目的，除了提高外業(yè)測量精度外，更重要的手段在于加密淤積測驗斷 面。因為較少的測驗斷面，會使斷面密度產(chǎn)生的斷面代表性誤斧遠遠 大于測量誤差。對河勢演變進行監(jiān)測。黃河干流河勢演變最為復雜的河段是位于 黃河下游的游蕩性河段，到目前為止，主流仍沒有得到有效控制。探 索這一河段的河勢演變規(guī)律，是當今世界多泥沙河流中最富有挑戰(zhàn)性 的課題。為了早日攻克這一世界級的難題，分析游蕩性河道河勢演變 的機理，同吋為河道整治工程規(guī)劃與建設(shè)提供科學依據(jù)，僅僅靠黃河 下游河道淤積斷面測驗是不夠的，需要對黃河下游特別是游蕩性河

14、段 的河勢進行監(jiān)測。而現(xiàn)代衛(wèi)星和航空遙感技術(shù)對于監(jiān)測河勢演變提供 了很大方便。為準確監(jiān)測洪水演進過程，需增設(shè)水位站。無論是探索“原型黃 河”洪水的演進規(guī)律，還是出于對“數(shù)字黃河”中一維、二維、三維 洪水演進數(shù)學模型的驗證及對“模型黃河”的率定，都需耍有實測洪 水的傳播態(tài)勢，特別是對于黃河下游河道，實際洪水的演進在泥沙淤 積造成的河床條件不斷變化的情況下變得極其復雜，如果沒有一定數(shù) 量的水位站，很難較為準確地監(jiān)測實際洪水的演進過程。目前，黃河 下游河道僅有2 0處水位站，其中1 8處位于山東河段，河南段僅有 2處，顯然無法滿足對洪水演進的監(jiān)測需耍。進一步做好三門峽、小浪底水庫的淤積測驗。早在三門

15、峽水庫建 設(shè)期間，庫區(qū)的測驗工作就已全面展開，項目有：進出庫水量與沙量、 壩前及庫區(qū)水位、庫容和泥沙淤積、異重流、水力泥沙因子、地下水、 坍岸、波浪、氣象、大型水而蒸發(fā)、降雨、水質(zhì)、水溫、河床沙質(zhì)、 淤積物容重、泥沙粒徑、庫區(qū)地形和壩前水下地形測驗等。其觀測資 料和研究成果對三門峽水庫工程的兩次改建、水庫運用方式的改變及 有效庫容的恢復和長期保持提供了極其寶貴的科學依據(jù)。小浪底水庫 已于2 0 0 1年底全面建成，庫區(qū)測驗從1 9 9 7年開始，到冃前已 施測了 1 4次。毋庸置疑，小浪底水庫科學運用方式的確定將是未來 運行期內(nèi)一項極其重耍的工作，如果沒有庫區(qū)泥沙淤積測驗提供的依 據(jù)，要確定其

16、科學的運用方式及控制水位將是不可能的。如果說由于 三門峽庫區(qū)的泥沙測驗奠定了我國水庫泥沙研究的科學基礎(chǔ)，從而使 其走在了世界水庫泥沙研究前列的話，那么，小浪底水庫庫區(qū)的泥沙 測驗及依據(jù)其確定的科學運用方式并使之取得成功實踐，必將進一步 揭示水庫泥沙運動的基本規(guī)律，從而使我國水庫泥沙研究理論更加豐 富和完善。因此，應該繼續(xù)做好三門峽、小浪底水庫庫區(qū)的泥沙測驗 工作。加強河口地區(qū)的測驗工作。黃河河口三角洲的淤長蝕退反映了侵 蝕基準面的變化，對黃河下游河道的演變往往起著十分重要的作用。 因此，對黃河下游河道的治理離不開對河口的治理。同時，河口地區(qū) 也是一個極其復雜的水文系統(tǒng)，河口河道以河流水文為基本

17、特征，濱 海區(qū)以海洋水文為基本特征。在河口地區(qū)進行水文、泥沙測驗，除進 行入海水沙量測驗外，還應包括對潮位、潮汐特征、海流、泥沙擴散、 海岸淤積、河口延伸、尾閭變遷等的觀測。從2 0世紀6 0年代開始, 黃委在這一地區(qū)開展了系統(tǒng)的測驗工作，積累了大量的河口水文泥沙 及濱海特征實驗觀測資料，但近年來，由于各方面的原因，部分測驗 項目已處于停止狀態(tài)。針對這種情況，當前應加強河口地區(qū)的測驗工 作。否則，河口模型的建設(shè)乃至河口地區(qū)治理方案的擬定都將缺乏科 學的依據(jù)。開展對黃土高原水土流失的監(jiān)測。黃河流域擁有世界上最大的黃 土高原，它是黃河泥沙的主要策源地。一般說來，對流域泥沙的觀測 應包括侵蝕、搬運、

18、輸送、淤積四大部分，其中，弄清楚侵蝕和淤積 兩個環(huán)節(jié)是最為重要的。很長時間以來，我們對黃河泥沙的觀測與分 析放在淤積上的精力較多，而對于其源頭的侵蝕觀測較少。對這項工 作應該引起重視，要深入研究黃土高原的水土流失規(guī)律，這部分的觀 測項目是不可缺少的。積極進行野外實驗研究。通過野外徑流站的設(shè)置與實驗，可以對 暴雨一徑流特性及人類活動對徑流變化過程的影響進行分析，探求產(chǎn) 匯流規(guī)律，為降雨一徑流預報數(shù)學模型提供特定參數(shù)，并能根據(jù)不斷 實驗的結(jié)果，對降雨一徑流預報數(shù)學模型中的特定參數(shù)進行滾動修訂。為研究黃土高原的水土流失規(guī)律，可在不同類型區(qū)設(shè)置野外實驗 場，采用人工模擬降雨法，在較短的時間內(nèi)用人工模擬

19、天然降雨實驗, 控制影響主導因素，同時對土壤含水量、入滲量、溝道沖淤變化及重 力侵蝕等項目進行觀測，以研究土壤侵蝕的物理機制，確定相應的水 土保持措施。國際上已有美國（田納西河流域設(shè)有1 5個不同地貌特 征的徑流實驗小流域）、曰本（筑波科學城防災研究中心建有侵蝕模擬 大廳）、澳大利亞及非洲一些國家等廣泛使用了這一方法，并被成功應 用于水土流失預報及滑坡防治等方而。滿足徑流預報與水量調(diào)度需耍增設(shè)河源區(qū)水文站網(wǎng)。黃河源區(qū)一般指河源至唐乃亥區(qū)間，流域 面積1 26 6萬km 2 ,唐乃亥水文站多年平均（1 9 5 62 0 0 0年）水資源量為2 0 4億m3,占黃河流域水資源總量的3 5 %, 是

20、黃河流域的主要產(chǎn)流區(qū)之一。過去，出于對防汛的考慮和受經(jīng)濟、 自然條件的限制，在這一地區(qū)設(shè)立的水文站網(wǎng)嚴重偏少，同時，一些 站的觀測項目也不全，如有的站只觀測水位或流量，而不觀測降水和 蒸發(fā)等。過于稀疏的站網(wǎng)，再加之觀測項耳的不完整，使得對黃河河 源區(qū)的水文變化規(guī)律的探索與揭示受到嚴重影響。近年來，河源區(qū)出 現(xiàn)了斷流現(xiàn)象，匱乏的水文測驗資料，給斷流成因的分析帶來很大困 難。對黃河下游引黃涵閘引水流量（含沙量）進行實時監(jiān)測。目前， 這是一項測驗空白。隨著全河水量調(diào)度指揮系統(tǒng)的建設(shè)，應逐步對黃 河下游引黃涵閘引水流量（含沙量）進行實時監(jiān)測，再結(jié)合枯水徑流 演進模型以及各引水灌區(qū)的配水模型，對灌溉期的

21、黃河徑流量進行科 學配置。此外，黃河下游多年平均引黃水量超過1 0 0億m3,相應引沙 量超過1億t。這部分沙量在對黃河下游河道沖淤規(guī)律的研究中是不 容忽略的。因此，在加強下游引黃涵閘引水流量監(jiān)測的同吋，也應對 引沙量進行監(jiān)測。逐步對黃河上中游地區(qū)大用水戶的用水情況實施監(jiān)測隨著流域內(nèi)及相關(guān)地區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展，黃河水資源供需矛盾U 趨尖銳，為解決這一問題，建立全河統(tǒng)一的水資源管理與調(diào)度體制勢 在必行。這樣的管理體制需要由對各大用水戶情況進行實吋監(jiān)測的技 術(shù)支持。滿足水質(zhì)監(jiān)控的需要為掌握流域水質(zhì)動態(tài)，對水質(zhì)參數(shù)進行測定和分析，就必須設(shè)置 水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)。水質(zhì)監(jiān)測站一般為固定測站和流動測站兩類，固定測

22、 站是利用橋、船、纜道或其他丁具，在固定的位置上釆樣，這樣的測 站應盡量與水文站結(jié)合。流動測站是利用裝載檢測儀器的車輛，進行 移動式監(jiān)測，搜集固定測站以外的有關(guān)資料，以彌補固定測站的不足。實現(xiàn)測驗手段的現(xiàn)代化立足于河流水文測驗的普遍性隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，流域水文測驗技術(shù)發(fā) 生了重大突破，現(xiàn)代化的測驗方法和手段，可獲得更準確、更實時的 數(shù)據(jù)和資料。目前，世界發(fā)達國家的雨量、水位數(shù)據(jù)從采集到傳輸，已全部實 現(xiàn)了自動化。美國現(xiàn)已開發(fā)出遙控觀測河道洪水水深的可移動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包 括四個部分：測量水平位置裝置，河床高程測量裝置，配套系 統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲裝置。具體做法：用全方位跟蹤系統(tǒng)和差分

23、全球定位 系統(tǒng)進行船及其裝置的水平定位，精度在1H1之內(nèi)，用高頻率信號測 定水深，用遙控船控制移動裝置。冃前，遙控船已成功應用于M i s s o u r i Illinois Indiana S o u t h C a r o 1 i n a等地的洪水測驗。美國（地質(zhì)調(diào)查局水力技術(shù)所）還開 發(fā)出用于測量河道橫斷面的地面穿透雷達，這對于不穩(wěn)定河床的高程 測量很重耍，這種雷達不需耍在水中放置儀器，可迅速測量變化較大 的橫斷面地形，且成果穩(wěn)定、精度高。此外，美國采用光學反射傳感 器測量水流表面的懸沙含沙量，可據(jù)此提供高精度的含沙量隨時間的 變化情況。日本測量流量一直沿用一種傳統(tǒng)的方法，即以漂浮物運

24、動速度推 求水流速度，但這種方法精度不高，原因就在于洪水表面的漂浮物往 往受強紊流的影響，難以勻速地隨水流漂浮運動。因此，日本神戶大 學城市安全保證中心2 0 0 1年研究出一種新的流量測量技術(shù)，即大 尺度粒子流速影像速度儀，可用于測量水面二維流速分布，輔助其他 技術(shù)方法，測量或計算水深及垂向流速分布，并由此計算獲得斷面流 量值。對世界上先進的水文測驗技術(shù)，可有針對性地了解、引進、消化 和吸收。立足于黃河水文測驗的特殊性黃河是一條極其復雜的河流，由于大量泥沙的存在和河勢的寬、 淺、散、舌L,因此世界上針對清水河流開發(fā)的先進測驗儀器和設(shè)備無 法在黃河上得到很好的應用。這就需要發(fā)揮我們自己的聰明才智，大 力開展技術(shù)革新和創(chuàng)造發(fā)明，研究開發(fā)適應黃河特殊性的現(xiàn)代化水文 測驗設(shè)備，從而提高測驗效率、安全性和準確性。理順管理體制，制定統(tǒng)一施測標準，統(tǒng)一進行測驗結(jié)果的后 處理針對目前多家承擔黃河水庫、河道泥沙淤積測驗的狀況，要盡快 明確一家牽頭單位（如黃委水文局）作為行業(yè)管理部