建设“原型黄河”完善的测验体系

1、建设“原型黄河”完善的测验体系摘要：建设“原型黄河”完善的测验体系在黄河治理开发和 管理的事业中占有极其重要的地位，是“数字黄河”和“模型黄河” T程建设的基础。“原型黄河”的测验体系，是指从测验站网的规划、 布设到收集、整理、存储和刊布水文、泥沙、河床及库区形态资料的 全部技术过程，基本的测验项冃包括降水、蒸发、水位、水温、水质、 冰情、流量、泥沙、河床（含河口）和库区冲淤变化等。关键词：原型黄河测验体系水文水质“原型黄河”的测验体系，是指从测验站网的规划、布设到收集、 整理、存储和刊布水文、泥沙、河床及库区形态资料的全部技术过程, 基本的测验项冃有降水、蒸发、水位、水温、水质、冰情、流量、

2、泥 沙、河床（含河口）和库区冲淤变化等。这项工作，在黄河治理开发 和管理的事业中占有极其重耍的地位。因为，它是所有工作的基础， 没有这项工作的支撑，“数字黄河”和“模型黄河”工程的建设将成为 一句空话，甚至黄河治理开发和管理的一系列工作都将受到严重的制 约。一、黄河测验的历史与现状 河流测验是在人类对自然的斗争中，特别是在防御水害、兴修水 利的过程中逐步发展起来的。黄河水文观测历史悠久，早在公元前1 3前1 1世纪，殷代的 甲骨文中己有对雨、雪定性观测的记载。黄河流域开始用近代科学方法观测降水量是1912年在山东泰 安设立的南量站。1 9 1 5年在黄河支流大汶河南城子设立的水文站, 标志着黄

3、河流域以近代科学方法进行水文观测的开始。以后，逐步设 立了各种水文测站。中华人民共和国成立后，黄河测验工作得到了较快发展。站网规 划与建设、洪水测验、洪水调查、资料整编等各项工作相继展开。1 9 5 6年全流域第一次统一进行了站网规划，之后，19 6 1年、1 9 6 3 1 9 6 5 年、1977 1979 年、1983 年乂进行了 4次较大的站网规划的调整和补充。到目前为止，全河已建水文站网 数量达到9 7 9处，其中水文站1 3 3处，水位站3 6处，雨量站7 7 4处，蒸发站3 6处。另在三门峡库区布设6 1处、小浪底库区布 设1 7 4处、下游河道布设1 5 2处、河口滨海区布设3

4、 6处淤积测 验断面。从19 5 1年开始，已连续5 0年对黄河下游河道进行了测 验，从1 9 5 9年开始，已连续4 2年对三门峡库区的淤积情况进行 了测验，对小浪底水库的淤积测验开始于1 9 9 7年，到冃前已连续 施测了 4年。依靠这些水文站网观测和对河床及库区淤积情况测验的宝贵资 料，广大治河专家深入开展了黄河水沙变化、河床演变及库区冲淤变 化等规律的研究和探索，为黄河治理开发和管理事业的发展作出了重 大贡献。二、耳前存在的主耍问题1测验站网的布局与结构难以适应新的治黄形势过去，黄河流域设置站网的主要服务对象是防汛，因此，其布局 与结构均以暴雨洪水来源区为牵引。随着国家经济社会的迅速发

5、展， 在黄河治理开发进程中，逐渐出现了一些新的问题，如对黄河水资源 的过度开发与使用，导致了黄河下游长期而严重的断流现象，与此同 时，经济的发展带来了污染的加剧，黄河流域上中游地区的水土流失 尚未得到有效控制。新的治黄形势要求“堤防不决口，河道不断流， 水质不超标，河床不抬高”（以下简称“四不”），用这一新的耍求去衡 量过去设置的测验站网，可以明显地看出其布局与结构已无法满足新 的需耍。如对黄河干支流枯水径流的测验、对水质和水土流失的监测 等，过去都考虑得较少。2水文站网密度偏疏据统计，黄河流域水文站网密度为2 3 3 0 km 2 /站，其中黄 委辖区水文站网密度为2 6 5 0 km2 /

6、站（河源区为9 7 2 7 km 2 /站，河口镇一龙门区间为2 6 3 0 km 2 /站，泾河2 3 10k m2 /站，伊洛河1 3 2 6 k m 2 /站）。而欧洲国家水文站网的平均 密度为1 7 5 0 k m 2 /站，美国长年观测站网的密度为13 0 0k m2 /站。黄河流域稀疏的水文站网密度，特别是中游地区暴雨和泥 沙主要来源区的水文站网的密度太小，给泥沙主要來源区的输沙模数 图及径流深等值线图的绘制带来很大困难。目前，全流域雨量站的密度为3 2 6 km 2 /站，其中黄委辖区 雨量站平均密度为3 9 6 k m 2 /站（河源区为最稀处，平均8 2 3 1 k m 2

7、/站），均小于水文站网规划技术导则（S L 3 4 9 2 ） 3 0 0 km2 /站的规定，史小于世界气象组织（WMO）推荐的温 带山区雨量站网最稀密度100250km2/站的指标。3.下游河道淤积测验断面偏少黄河下游是一条强烈的堆积性河道，素有“善淤”“善徙”之称。 特别是高村以上河段，两岸堤距一般1 0 km左右，最宽处有2 4 k m,河槽宽一般35 km。河道中沙洲密布，串沟众多，泥沙冲淤 变化剧烈，水流宽、浅、散、舌L,主流瞬息万变，河势摆动频繁。在 这样的河道上布设测验断面，若间距过大，则势必难以捕捉到其真实 的变化情况，测验精度会大大降低，进而对分析其河床演变规律带来 极大困

8、难。现状情况，黄河下游河道淤积测验断而的平均间距大于5 km, 不能满足下游河道冲淤演变规律研究的需耍。4 测验手段落后目前，黄委辖区的水文测验对水文耍素的测验大多采用传统的仪 器设备和方法，这些传统的仪器设备和方法已沿用了几十年之久，如 水位观测仍以直尺为主，流量测验主要依靠测船和过河缆道用流速面 积法求得，流速测量主要采用流速仪，水深测量釆用测深杆，含沙量 釆用横式釆样器取样，普通天平称重计算。资料处理大部分仍用人工 录入、校对、绘图等。这些传统的测验设备和方法存在着作业效率低、 安全度小、误差大的缺陷。而发达国家的水文测验设备和方法早已更 新换代，如水位、雨量已普及自动采集和自动传输，流

9、量测验广泛使 用多普勒流速剖面仪（A D C P）和全球定位系统（G P S）等先进 技术。泥沙测验采用积时式釆样器或物理方法的测沙仪，因测得的含 沙量均系所测时段内的平均含沙量，较好地解决了含沙量脉动对测验 精度的影响。水文数据收集系统可由计算机处理自动牛:成数据库等。5野外实验研究工作的中断，影响了对黄河流域水土流失及产 汇流规律的探索早在2 0世纪4 0年代末期，黄河流域的水保科研站在坡而布设 径流小区，观测降雨、地形（主要是坡度和坡长）、植被、土壤等项因 素对水土流失的影响，先后提出了一些水土流失方程式，并用以预报 某一地区的水土流失发展趋势，使水土流失规律的研究从单因素提高 到了综合

10、因素。2 0世纪5 0年代，黄委先后在陕西子洲、山西垣曲 设立径流实验站和径流站，用以研究各工程措施和生物措施条件下的 产流、汇流及径流变化、降水变化及其影响等，以探索产、汇流规律。 由于受各方面因素的影响，野外实验研究工作于2 0世纪7 0年代初 以前全部中断。时至今日，黄委已没有一处野外实验研究基地，这在 某种程度上严重影响了对黄河流域水土流失及产汇流规律的深入探索 与揭示。6.管理体制存在问题，缺乏行业统一标准，测验结果未能进行 统一后处理由于历史的原因，黄河中下游水库、河道淤积测验单位分散，0 前情况下缺乏统一行业标准，2 0世纪9 0年代以来，各施测单位分 别依据自己制定的标准进行整

11、理、计算，在数据格式、计算方法、成 果编制和资料精度等方面差异较大，没有形成一套完整的淤积测验资 料。黄河下游河道冲淤量的分析计算是建立在固定断面的重复测量资 料基础之上的。一般情况下，应由一家牵头单位统一组织，按照统一 的后处理方法，利用断面法的测验结果对河段冲淤量进行分析计算， 并统一对外发布。而目前情况下则是由几家单位分散分析计算，不仅 造成重复劳动，而且各家分析计算的结果存在较大差异。如在对黄河 下游各河段的冲淤量的分析计算中，数家单位对夹河滩一高村河段1 9 6 4 - 1 9 7 3年期间的冲淤量计算结果最大差别竟高达1 . 2 4 亿H1 3。这样的结果，使用起来非常困难。三、进

12、一步完善黄河测验体系1调整测验站网布局与结构，为实现“四不”目标服务满足防洪、减淤需耍在暴雨洪水来源区增加水文站网。黄河流域的暴雨洪水有三大来 源区，一是河口镇至龙门区间，二是龙门至三门峡区间，三是三门峡 至花园口区间。冃前，在上述三大暴雨洪水来源区中，河口镇一龙门 区间的水文站网最稀，单站控制流域而积达2 6 3 0 k m 2 ,雨量站 单站控制流域面积为3 1 0 km2,即便如此，站网分布也不均匀， 一些地方过于稀疏，以致无法控制暴雨分布区域，不能满足防洪需要。 因此，在这些地方，耍优先考虑增加水文站网，至少应增加至满足绘 制输沙模数图和径流深等值线图的基本要求。加密黄河下游河道淤积测

13、验断面。鉴于黄河下游河道冲淤变化的 复杂性及测验数据的重要性，应大幅度提高其测验精度。要达到这一 目的，除了提高外业测量精度外，更重要的手段在于加密淤积测验断 面。因为较少的测验断面，会使断面密度产生的断面代表性误斧远远 大于测量误差。对河势演变进行监测。黄河干流河势演变最为复杂的河段是位于 黄河下游的游荡性河段，到目前为止，主流仍没有得到有效控制。探 索这一河段的河势演变规律，是当今世界多泥沙河流中最富有挑战性 的课题。为了早日攻克这一世界级的难题，分析游荡性河道河势演变 的机理，同吋为河道整治工程规划与建设提供科学依据，仅仅靠黄河 下游河道淤积断面测验是不够的，需要对黄河下游特别是游荡性河

14、段 的河势进行监测。而现代卫星和航空遥感技术对于监测河势演变提供 了很大方便。为准确监测洪水演进过程，需增设水位站。无论是探索“原型黄 河”洪水的演进规律，还是出于对“数字黄河”中一维、二维、三维 洪水演进数学模型的验证及对“模型黄河”的率定，都需耍有实测洪 水的传播态势，特别是对于黄河下游河道，实际洪水的演进在泥沙淤 积造成的河床条件不断变化的情况下变得极其复杂，如果没有一定数 量的水位站，很难较为准确地监测实际洪水的演进过程。目前，黄河 下游河道仅有2 0处水位站，其中1 8处位于山东河段，河南段仅有 2处，显然无法满足对洪水演进的监测需耍。进一步做好三门峡、小浪底水库的淤积测验。早在三门

15、峡水库建 设期间，库区的测验工作就已全面展开，项目有：进出库水量与沙量、 坝前及库区水位、库容和泥沙淤积、异重流、水力泥沙因子、地下水、 坍岸、波浪、气象、大型水而蒸发、降雨、水质、水温、河床沙质、 淤积物容重、泥沙粒径、库区地形和坝前水下地形测验等。其观测资 料和研究成果对三门峡水库工程的两次改建、水库运用方式的改变及 有效库容的恢复和长期保持提供了极其宝贵的科学依据。小浪底水库 已于2 0 0 1年底全面建成，库区测验从1 9 9 7年开始，到冃前已 施测了 1 4次。毋庸置疑，小浪底水库科学运用方式的确定将是未来 运行期内一项极其重耍的工作，如果没有库区泥沙淤积测验提供的依 据，要确定其

16、科学的运用方式及控制水位将是不可能的。如果说由于 三门峡库区的泥沙测验奠定了我国水库泥沙研究的科学基础，从而使 其走在了世界水库泥沙研究前列的话，那么，小浪底水库库区的泥沙 测验及依据其确定的科学运用方式并使之取得成功实践，必将进一步 揭示水库泥沙运动的基本规律，从而使我国水库泥沙研究理论更加丰 富和完善。因此，应该继续做好三门峡、小浪底水库库区的泥沙测验 工作。加强河口地区的测验工作。黄河河口三角洲的淤长蚀退反映了侵 蚀基准面的变化，对黄河下游河道的演变往往起着十分重要的作用。 因此，对黄河下游河道的治理离不开对河口的治理。同时，河口地区 也是一个极其复杂的水文系统，河口河道以河流水文为基本

17、特征，滨 海区以海洋水文为基本特征。在河口地区进行水文、泥沙测验，除进 行入海水沙量测验外，还应包括对潮位、潮汐特征、海流、泥沙扩散、 海岸淤积、河口延伸、尾闾变迁等的观测。从2 0世纪6 0年代开始, 黄委在这一地区开展了系统的测验工作，积累了大量的河口水文泥沙 及滨海特征实验观测资料，但近年来，由于各方面的原因，部分测验 项目已处于停止状态。针对这种情况，当前应加强河口地区的测验工 作。否则，河口模型的建设乃至河口地区治理方案的拟定都将缺乏科 学的依据。开展对黄土高原水土流失的监测。黄河流域拥有世界上最大的黄 土高原，它是黄河泥沙的主要策源地。一般说来，对流域泥沙的观测 应包括侵蚀、搬运、

18、输送、淤积四大部分，其中，弄清楚侵蚀和淤积 两个环节是最为重要的。很长时间以来，我们对黄河泥沙的观测与分 析放在淤积上的精力较多，而对于其源头的侵蚀观测较少。对这项工 作应该引起重视，要深入研究黄土高原的水土流失规律，这部分的观 测项目是不可缺少的。积极进行野外实验研究。通过野外径流站的设置与实验，可以对 暴雨一径流特性及人类活动对径流变化过程的影响进行分析，探求产 汇流规律，为降雨一径流预报数学模型提供特定参数，并能根据不断 实验的结果，对降雨一径流预报数学模型中的特定参数进行滚动修订。为研究黄土高原的水土流失规律，可在不同类型区设置野外实验 场，采用人工模拟降雨法，在较短的时间内用人工模拟

19、天然降雨实验, 控制影响主导因素，同时对土壤含水量、入渗量、沟道冲淤变化及重 力侵蚀等项目进行观测，以研究土壤侵蚀的物理机制，确定相应的水 土保持措施。国际上已有美国（田纳西河流域设有1 5个不同地貌特 征的径流实验小流域）、曰本（筑波科学城防灾研究中心建有侵蚀模拟 大厅）、澳大利亚及非洲一些国家等广泛使用了这一方法，并被成功应 用于水土流失预报及滑坡防治等方而。满足径流预报与水量调度需耍增设河源区水文站网。黄河源区一般指河源至唐乃亥区间，流域 面积1 26 6万km 2 ,唐乃亥水文站多年平均（1 9 5 62 0 0 0年）水资源量为2 0 4亿m3,占黄河流域水资源总量的3 5 %, 是

20、黄河流域的主要产流区之一。过去，出于对防汛的考虑和受经济、 自然条件的限制，在这一地区设立的水文站网严重偏少，同时，一些 站的观测项目也不全，如有的站只观测水位或流量，而不观测降水和 蒸发等。过于稀疏的站网，再加之观测项耳的不完整，使得对黄河河 源区的水文变化规律的探索与揭示受到严重影响。近年来，河源区出 现了断流现象，匮乏的水文测验资料，给断流成因的分析带来很大困 难。对黄河下游引黄涵闸引水流量（含沙量）进行实时监测。目前， 这是一项测验空白。随着全河水量调度指挥系统的建设，应逐步对黄 河下游引黄涵闸引水流量（含沙量）进行实时监测，再结合枯水径流 演进模型以及各引水灌区的配水模型，对灌溉期的

21、黄河径流量进行科 学配置。此外，黄河下游多年平均引黄水量超过1 0 0亿m3,相应引沙 量超过1亿t。这部分沙量在对黄河下游河道冲淤规律的研究中是不 容忽略的。因此，在加强下游引黄涵闸引水流量监测的同吋，也应对 引沙量进行监测。逐步对黄河上中游地区大用水户的用水情况实施监测随着流域内及相关地区经济社会的发展，黄河水资源供需矛盾U 趋尖锐，为解决这一问题，建立全河统一的水资源管理与调度体制势 在必行。这样的管理体制需要由对各大用水户情况进行实吋监测的技 术支持。满足水质监控的需要为掌握流域水质动态，对水质参数进行测定和分析，就必须设置 水质监测站网。水质监测站一般为固定测站和流动测站两类，固定测

22、 站是利用桥、船、缆道或其他丁具，在固定的位置上釆样，这样的测 站应尽量与水文站结合。流动测站是利用装载检测仪器的车辆，进行 移动式监测，搜集固定测站以外的有关资料，以弥补固定测站的不足。实现测验手段的现代化立足于河流水文测验的普遍性随着信息技术和现代遥感技术的迅速发展，流域水文测验技术发 生了重大突破，现代化的测验方法和手段，可获得更准确、更实时的 数据和资料。目前，世界发达国家的雨量、水位数据从采集到传输，已全部实 现了自动化。美国现已开发出遥控观测河道洪水水深的可移动系统，该系统包 括四个部分：测量水平位置装置，河床高程测量装置，配套系 统，数据存储装置。具体做法：用全方位跟踪系统和差分

23、全球定位 系统进行船及其装置的水平定位，精度在1H1之内，用高频率信号测 定水深，用遥控船控制移动装置。冃前，遥控船已成功应用于M i s s o u r i Illinois Indiana S o u t h C a r o 1 i n a等地的洪水测验。美国（地质调查局水力技术所）还开 发出用于测量河道横断面的地面穿透雷达，这对于不稳定河床的高程 测量很重耍，这种雷达不需耍在水中放置仪器，可迅速测量变化较大 的横断面地形，且成果稳定、精度高。此外，美国采用光学反射传感 器测量水流表面的悬沙含沙量，可据此提供高精度的含沙量随时间的 变化情况。日本测量流量一直沿用一种传统的方法，即以漂浮物运

24、动速度推 求水流速度，但这种方法精度不高，原因就在于洪水表面的漂浮物往 往受强紊流的影响，难以匀速地随水流漂浮运动。因此，日本神户大 学城市安全保证中心2 0 0 1年研究出一种新的流量测量技术，即大 尺度粒子流速影像速度仪，可用于测量水面二维流速分布，辅助其他 技术方法，测量或计算水深及垂向流速分布，并由此计算获得断面流 量值。对世界上先进的水文测验技术，可有针对性地了解、引进、消化 和吸收。立足于黄河水文测验的特殊性黄河是一条极其复杂的河流，由于大量泥沙的存在和河势的宽、 浅、散、舌L,因此世界上针对清水河流开发的先进测验仪器和设备无 法在黄河上得到很好的应用。这就需要发挥我们自己的聪明才智，大 力开展技术革新和创造发明，研究开发适应黄河特殊性的现代化水文 测验设备，从而提高测验效率、安全性和准确性。理顺管理体制，制定统一施测标准，统一进行测验结果的后 处理针对目前多家承担黄河水库、河道泥沙淤积测验的状况，要尽快 明确一家牵头单位（如黄委水文局）作为行业管理部