2.4 最严格水资源管理对水文测验的需求分析
2.4.1 最严格水资源管理制度对水文测验的要求
1.最严格水资源管理制度的背景
新中国成立以来特别是改革开放以来，水资源开发、利用、配置、节约、保护和管理工作取得显著成绩，为经济社会发展、人民安居乐业作出了突出贡献。但必须清醒地认识到，人多水少、水资源时空分布不均是我国的基本国情和水情，水资源短缺、水污染严重、水生态恶化等问题十分突出，已成为制约经济社会可持续发展的主要瓶颈。我国人均水资源量只有2100m3，仅为世界人均水平的28%。水资源供需矛盾突出，全国年平均缺水量500多亿m3，2/3的城市缺水，农村有近3亿人口饮水不安全。水资源利用方式比较粗放，农田灌溉水有效利用系数仅为0.50，与世界先进水平0.7～0.8有较大差距。不少地方水资源过度开发，像黄河流域开发利用程度已经达到76%，淮河流域也达到了53%，海河流域更是超过了100%，已经超过承载能力，引发一系列生态环境问题。水体污染严重，水功能区水质达标率仅为46%。2010年38.6%的河水劣于三类水，2/3的湖泊富营养化。随着工业化、城镇化深入发展，水资源需求将在较长一段时期内持续增长，水资源供需矛盾将更加尖锐，我国水资源面临的形势将更为严峻。
中央水利工作会议和2011年中央一号文件《中共中央 国务院关于加快水利改革发展的决定》（中发〔2011〕1号）提出实行最严格的水资源管理制度，把严格水资源管理作为加快转变经济发展方式的战略举措，明确要求“加强水量水质监测能力建设，为强化监督考核提供技术支撑”。2012年《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》（国发〔2012〕3号），对实行最严格水资源管理制度工作进行全面部署和具体安排，进一步明确水资源管理“三条红线”的主要目标，提出具体管理措施，全面部署工作任务，落实有关责任，提出要“健全水资源监控体系。抓紧制定水资源监测、用水计量与统计等管理办法，健全相关技术标准体系。加强省界等重要控制断面、水功能区和地下水的水质水量监测能力建设。流域管理机构对省界水量的监测核定数据作为考核有关省、自治区、直辖市用水总量的依据之一，对省界水质的监测核定数据作为考核有关省、自治区、直辖市重点流域水污染防治专项规划实施情况的依据之一。加强取水、排水、入河湖排污口计量监控设施建设，加快建设国家水资源管理系统，逐步建立中央、流域和地方水资源监控管理平台，加快应急机动监测能力建设，全面提高监控、预警和管理能力。及时发布水资源公报等信息。”
2.水文在水资源管理中的作用
水资源不是“取之不尽，用之不竭”的。要掌握、开发、利用、保护水资源，实行水资源统一管理，首先必须要有降水、径流、蒸发等水文基础资料，还必须考虑上下游、左右岸、地表水和地下水、水质与水量等因素。
目前水文部门已建立包括地表水、地下水、水质在内的相对较为完备的水文站网，已积累观测、收集、整理了大量水文、水资源数据。各级水文机构对辖区的地表水、地下水水资源状况进行了调查分析和评价，积累了大量水文水资源分析、计算、调查评价和水资源论证研究成果，为实施水资源统一管理提供了依据。水文部门经常参与当地政府或流域机构的综合规划、城市规划、水利规划与防洪规划等。大量的事实说明，水文在防治洪涝灾害、干旱缺水、水污染和水土流失等四大水资源危机管理方面所发挥的作用日显突出和重要，从而奠定了水文在水资源管理中的基础地位。
实行最严格的水资源管理制度，关键是要不断完善并全面贯彻水资源管理法律法规，不折不扣地落实各项水资源管理制度，划定水资源管理的“三条红线”，严格实行用水总量控制，坚决遏制用水浪费，严格控制入河排污总量。而制定这些方案都需要水质、水量的长期积累资料、同步监测资料和实时监测资料，所以水文在当前和今后的水资源管理中的作用将更加突出和重要。
实行用水总量控制，对水量进行分配是在统筹考虑生活、生产、生态与环境用水的基础上，将水资源进行逐级分配，确定行政区域水量份额的过程。2011年中央一号文件提出，到2020年，全国年总用水量控制在6700亿m3以内。《国务院关于全国水资源综合规划（2010—2030年）的批复》（国函〔2010〕118号）提出“到2020年，全国用水总量力争控制在6700亿m3以内，到2030年全国用水总量力争控制在7000亿m3以内”。水利部《水量分配暂行办法》第十条规定：水量分配方案主要内容中包括“跨行政区域河流、湖泊的边界断面流量、径流量、湖泊水位、水质，以及跨行政区域地下水水源地地下水水位和水质等控制指标”。
实行用水总量控制有利于各行政区、各流域统筹用水，更好地应对水质、水量、生态环境等问题。水文监测整编成果已运用于《全国水资源综合规划（2010—2030年）》《全国主要江河流域水量分配方案制订》中，而且在今后的实施监督管理过程中，还需要水文实时监测资料和整编资料为依据。
我国水资源时空分布不均，汛期大量的水以洪水形式排泄掉，得不到合理利用；而枯水期大部分乡镇缺水严重，节约水资源已经是刻不容缓。遏制用水浪费，除加强法制保障、建立健全保护水资源和节约水资源的法律法规体系以外，还应当加强用水计量监督管理。而水文水资源监测、计量监督在遏制用水浪费方面可以起到非常重要的作用。水文可通过对城乡供水水源地、水功能区等水质监测分析和企业水平衡测试、城市水资源精确测验等工作，分析不同行业的用水定额，为取水许可证的颁发提供科学依据，从而避免水资源浪费。
3.最严格水资源管理制度对水文测验的要求
2011年中央一号文件发布以来，全国水利部门都在积极探索、指定有效方案来实现“三条红线”的管理。长江水利委员会2011—2012年结合流域内各省编制完成了《长江流域水资源管理指标方案》，首次提出了基本断面监控管理。基本断面监控管理是实施长江流域水资源最严格管理的重要手段，基本断面分为省界断面、重要水系节点断面、重要城市断面、重要控制性工程断面4类，控制指标包括下泄水量控制指标、最小下泄流量控制指标、最低水位控制指标、水质控制指标、用水总量控制指标等。
最严格水资源管理对水资源信息测量和获取均提出了更高的需求，例如省界断面监测往往设定在人烟罕至、交通不便利的山区，长期驻守的观测方式将消耗大量的人力物力，而传统的巡测观测时效性又不能满足动态、精细的水资源管理要求，因此还需积极探索现代化的省界断面水文观测方式。
随着社会经济的不断发展，水文测验受到水利工程及涉水工程的影响日趋严重，这已成为水文工作者必须面对的客观事实。受工程影响水文站的站网调整、迁站和改造等，给水文测验造成了极大困难。特别是在水利水电梯级开发工程、水库调度、变动回水等直接影响下，受影响的水文站仅采用迁站、改造或传统水文测验手段，已难以顺利实施有关水文要素的测验工作，测验精度难以满足水文测验相关规范要求。因此，水文测验需积极开展新技术的研究、引进、开发和应用，探求应对受水工程影响的水文测验新方法，满足最严格水资源管理的要求。
最严格的水资源管理中除下泄水量控制指标外，最小下泄流量、最低水位也是重要的控制指标。其中，断面最小流量控制指标是指在维持河流生态系统运转基本流量的基础上，综合考虑断面下游区间生产生活和航运用水要求而确定的，该指标作为正常年份的断面流量控制要求，遇特枯年份，按照供水预警水位指标管理，并及时启动应急预案；断面最低水位控制指标，是将各控制断面P=95%频率旬平均水位、最低通航水位和相应城市的生活取水设施高程、工业取水设施高程的上限综合取外包后作为断面最低水位控制指标值，其目的是保障下游基本用水和维持河流生态环境需水量综合考虑河流生态环境、下游工农业需水要求。最严格水资源管理对断面的下泄流量和最低水位均提出了具体的指标，并要求实时监测。
2.4.2 最严格水资源管理制度的水文测验技术路线
现行水文测验规范对枯水测验的要求并不高，《河流流量测验规范》（GB 50179—93）规定“在枯水期，流量变化不大，枯水径流总量占年径流总量的5%以内，且对这一时期不需要施测流量过程”。显然这已不能满足当前最严格水资源管理对最小流量监测的需求。低水的水位流量关系往往较差，仅监测水位变化是不够的，这就需要引进测流新技术和仪器，加强基本控制断面最小流量和最低水位的实时监测。
1.开发或引进先进仪器，实现重要控制断面在线或快速监测
新中国成立初期至20世纪60年代，水位采用人工观测，通过设水尺观测水位。少数站采用自记水位计，均为国外产品，且多为日记式。20世纪50年代后期，我国开始研制生产自记水位计，经过不断改进，到20世纪80年代，我国水文部门研制的自记水位观测仪器种类很多，形式多样。按传感方式分为浮子式、压力式、超声波式、接触式等类型；按记录方式分为模拟（图像）式和数字式两种；按记录周期分，除少数为日记外，有周、月、季和半年的长期自记。其中浮子式仪器的应用较为普遍，它的结构简单，操作、维修、养护方便，但因测井易被河流泥沙淤塞，且有许多测站由于地形条件无法建测井，故近年来压力式水位计、超声波式也受到重视和应用。20世纪90年代利用电子技术实现了水位信息的固态存储与远距离传输，其自记周期可达半年以上。因此，最低水位的实时在线监测我国已能完成实现。
目前，我国水文常规流量测验全部使用流速仪法，部分站点应用了微机智能控制测流系统。流速仪法是通过测出过水断面面积，再测出此过水断面上的流速分布，从而确定断面平均流速，求得流量。在河流渠道中，过水断面面积随水位变化而变化，有时还受河道的冲淤变化影响，因而要不断测量过水断面，才能得到正确的断面数据。断面上的流速分布，需测量过水断面上数个有代表性的点流速，但我国规范规定测点流速历时一般不少于100s，最少不得少于60s，需要耗费大量的时间。而最严格的水资源管理需要对重要控制断面的流量过程进行控制，要求实测到最小流量。因此，必须开发或引进先进的仪器设备，使之具备对重要断面进行实时在线或快速监测的能力。
最严格水资源管理对重要控制性工程断面的下泄水量、最小流量和最低水位也有具体的要求。然而受梯级水库调度、变动回水等直接影响下，传统水文测验手段已难以满足水文测验精度和最严格水资源管理的要求。因此，水文测验需积极开展新技术的研究或引进先进的设备，例如采用水工建筑物推流、H-ADCP在线监测方式开展流量测验等，尽可能保证水文资料的连续性、完整性，保证水文要素测验精度。
2.开展低水水位流量单值化研究，推进省界断面的巡测控制
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。
2.4.3 低水流量测验测次优化及水位流量关系同化技术
1.单一线水位流量关系
单一曲线法适用于控制良好，断面冲淤变化不大、水位流量关系均保持稳定的断面。若水位流量关系点据密集，分布成一带状，点据没有系统偏离，就可以定单一曲线推求流量。
单一线的定线除可采用目估适线外，尚可用选配方程的方法进行单一线的定线。选配的方程一般采用浮动多项式
式中 A0、A1、A2、…、Am——待定系数；
h——水位；
m——根据单一线定线的精度确定。
方程系数率定一般采用最小二乘法。即
式中 Qi——实测流量；
——与实测流量相应水位在方程式查得的流量；
n——总实测点数。
单一曲线定线后，首先应检查曲线两边测点分布情况，统计测点数两边是否接近，从而看是否有系统偏离。对于水位流量关系中的突出点应进行分析，主要针对关系曲线两侧落在±5%（或±8%）的外包线以外的点据进行分析。造成突出点的原因主要有以下三方面：一是水文测验、资料整编中出现的差错；二是因特殊水情造成的水位流量关系点的突出变化；三是因一些小概率较大误差机遇的综合。
对于稳定的单一曲线水位流量关系，可大力开展巡测、间测或校测工作，每年几次，甚至几年几次的开展验证低水水位流量关系即可。
2.受冲淤影响的临时水位流量关系
河道冲淤变化的类型很多，从冲淤发生时间的持续性可分为经常性冲淤和偶然性冲淤；从冲淤前后纵横断面变化情况分为普遍冲淤和局部冲淤。
图2.12 普遍冲淤
图2.13 局部冲淤
此类测站可采用临时曲线法推求流量。一般来说，能采用枯季临时曲线法推流的测站，枯水水位流量关系较单一，可每年定一条线。巡测时应于每年汛末、汛前布置测次，整个枯水期均匀布置测次。
3.变动回水影响的单值化水位流量关系
由于变动回水主要来自下游水体的变化对测流断面流量的影响，因此受变动回水影响的水位流量关系，除与本站的水情有关外，还与下游水体的水情变化有关。
产生变动回水的原因一般有：支流测站受干流涨水的顶托；干流测站受下游支流涨水的顶托；下游水库、湖泊、海洋等水体水位的变化引起的顶托；下游渠道闸门的启闭；下游河道壅水或水草丛生的阻力，冰凌壅塞等。
此类测站可采用落差指数、以下游顶托水位（流量）为参数的一簇水位流量关系曲线拟合等方法，因此，此类测站可采用巡测、间测或校测方式，每年均匀布置测次校正单值化曲线。有关水位流量单值化方法将在后面的章节中阐述。