“单值化”史话

葛维亚 2006.8

　　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, 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、改正水位法等等。二十世纪七十年代, 经过二十年的实践, 逐步发现上述一些方法存在适用性差、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。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。
　　1972年左右长江水利委员会技术人员在定线推流时发现, 采用落差开方根法时, 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。针对这些情况, 长江水利委员会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, 于棱柱形河道和稳定流流态相去甚远。落差指数并非1/2实属正常, 天然河道几何形态阻水和糙率过大或过小时, 可以出现落差指数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, 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1964年8月水利电力部颁发的《水文年鉴审编刊印暂行规范》的要求。这一期间葛维亚又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。经理论分析导演证明, 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, 由葛维亚执笔, 由谢汉彪、罗钟毓参加工作并暑名写出了<<受变动回水与洪水涨落混合影响的水位-流量关系校正计算>>一文, 经过近三年的补充修改, 于 1979年9月在 <<水利水电水文副刊>> 上发表, 之后一年左右, 浙江省水文总站完全按照此文提出的落差指数法计算分析步骤对浦阳江水位流量关系进行单值化处理, 取得成功, 并将成果用于洪水预报。1979年由葛维亚执笔, 由罗学棋、唐佩文参加工作并暑名写出了<<稳定河床水位流量关系单值化处理方法及其应用>> 一文, 1981年同时刊登在 <<人民长江>>和<<全国水文测验技术讨论会论文集>>内。
　　1973年葛维亚去江西出差时, 把研究成果介绍给长江水利委员会湖口水文站施修端, 委托他利用湖口站资料加以验证, 效果较好。1980年前后, 汉口水文总站施修端又对长江汉口站更多的站年资料进行了单值化处理, 取得满意的结果, 对综合落差的应用取得实用性进展。
　　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。1979年5月葛维亚在长江水利委员会全江内外业水文测验交流会上专题讲解了“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。葛维亚正式将“落差指数法” 这一崭新的校正方法列入水位流量关系单值化处理的重要方法, 他为资料整遍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。葛维亚首倡的<<单值化>>这一最准确、最具吸引力的技术术语, 在全国加以传播, 并在以后的各种有关技术规范里被成功引用。
　　1979年至1983年期间，长办水文局大力推广“水位流量关系单值化”技术，委托葛维亚负责制定计划，编写技术资料，主持培训班，召开各种交流会，予以推动。水文局所属的汉口水文总站、重庆水文总站、丹江水文总站、荆江河床实验站(后来均改为水文水资源勘测局)已有一批技术骨干从事推广应用工作。1979年至1987年间罗学棋使用落差指数法在国产DJS-6和美国VAX11计算机上成功完成单值化定线推流和整编程序, 向全国推广。
　　1980年由葛维亚执笔编写, 并由罗学棋、唐佩文进行计算机成果验证和署名的<<稳定河床水位流量关系单值化处理方法及其应用>>论文以及施修端执笔编写的<<用综合落差法对汉口站水位流量关系单值化处理>>论文在长沙召开的全国水文测验学术讨论会上交流。 两篇论文中均提到选用多组参证水尺计算综合落差问题, 其中<<稳定河床水位流量关系单值化处理方法及其应用>> 一文在大会上作主题交流, 获得好评。会议决定公开出版<<水文测验学术讨论会论文集>>, 在全国各省(市区)水文部门投票推荐入选论文中, <<稳定河床水位流量关系单值化处理方法及其应用>> 一文全票当选, 名列榜首。 该文1982年获得长江水利委员会优秀论文一等奖,. 施修端的<<用综合落差法对汉口站水位流量关系单值化处理>>获得长江水利委员会优秀论文二等奖。1979年开始, 长江水利委员会杨自珍、任宏升、童显光、聂泽英、郑伍荣、伍复馨、钟国桢等人投入单值化试点工作、其中重庆水文总站童显光、聂泽英、郑伍荣对长江寸滩、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。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, 特别是大水年和洪水年资料验证后, 再利用单值化技术要求测流和整编。汉口水文总站杨自珍负责组织洞庭湖水系十几个测站取得决定性进展, 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，节省人力、物力和财力。 施修端成功的进行了水位流量关系极为复杂散乱的汉口站单值化处理工作,取得重大进展。汉口站单值化前后的水位流量关系曲线成果由葛维亚向国外专家展示介绍。在此期间前后, 单值化处理的研究和应用得到了水利部水文局陈家琦、赵珂经、胡宗培局长、陈道宏、王锦琛总工和长江委水文局邹兆倬局长、向治安总工的肯定和大力支持。
　　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, 同时进一步丰富了落差指数优选方法, 又提出使用线性逐步回归确定一组落差系数的方法。
　　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, 葛维亚作为为中国水文代表团成员, 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，评价很高, 该论文入选国际水文科学协会IAHS的权威刊物上, 在国际上进行交流。葛维亚曾先后多次受到国外多个水文水资源科研技术部门专题讲座的邀请。
　　1983年4月葛维亚、欧阳美、唐佩文等人在重庆与重庆水文总站谢世和等人合作, 开展了利用单值化方法精简测流次数和按水位级控制变常测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，为水文间测和巡测提供了新思路。欧阳美采用单纯形最优化方法研制并设计编写了微机单值化精简测流次数程序。
　　1981-1983年期间, 葛维亚分别向来华的美国水文代表团、联合国水文专家美国人巴恩斯、美国依里诺大学权威水文水力学专家严加琪教授介绍了单值化方法, 得到一致好评。美国水文代表团认为这种方法独特, 原理清楚, 简便易行; 美国代表团团长科恩表示, 要把这一成果写进向联合国教科文组织和世界气象组织的报告中去; 巴恩斯通过水利部随行翻译转达技术转让的要求; 严加琪认为这种方法概念清楚, 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, 适用性强, 极具特色。
　　1985年6月由葛维亚主编的 <<水位流量关系单值化技术及其应用>>一书 (黄皮书) 通过水文科技情报网向全国公开交流, 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, 不少省区举办培训班，邀请葛维亚讲课。
　　在深入研究的基础上, 1984年葛维亚提出了包含冲淤在内的混合影响测站水位流量关系单值化处理方法, 于1985年写入<<水位流量关系单值化技术及其应用>>一书(黄皮书)。
　　自1980年“全国水文测验学术讨论会”之后, 华东水利学院 (现河海大学)周宗远教授等人, 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, 对这一方法给予了肯定, 并从误差角度对提出了改进的设想。周宗远教授是试图将“落差指数法”引入“水文测验”课程教学的第一人, 也是在教学部门中对这一方法进行研究的第一人, 他的研究成果在 <<水文>>刊物上发表, 对“落差指数法”在全国推广应用起到很大的作用。
　　从1986年开始水位流量关系单值化技术在全国逐步推广应用。 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。规范中把单值化处理的落差指数法引入其中。而由葛维亚首倡的<<单值化>>专门技术术语在水文测验、整编、计算、预报和有关教材中广泛使用。
　　截至2006年为止的三十年来, 单值化技术已经在长江、黄河、珠江等流域机构和广西、湖南、湖北、河南、江西、浙江、广东、安徽、吉林、江苏、河北等省区水文部门推广应用, 取得显著技术进步和经济效益, 反映良好, 例如何超典在1995年4期<<广西水利水电>>载文表示: “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，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” 。二十世纪九十年代后期, 仍有些科技人员进行了进一步探讨, 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 毛继新1998年所写的<<长江中游散乱水位流量关系单值化处理方法研究>>一文, 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、武汉关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政水尺的水位资料; 均采用落差或比降作为校正要素; 均把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青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贡献。