新模式下水文監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

李敏欣，魯 祥

(河海大學(xué)，南京 210098)

0 引 言

《中華人民共和國水文條例》中對水文監(jiān)測定義如下：是指通過水文站網(wǎng)對江河、湖泊、渠道、水庫的水位、流量、水質(zhì)、水溫、泥沙、冰情、水下地形和地下水資源，以及降水量、蒸發(fā)量、墑情、風(fēng)暴潮等實施監(jiān)測，并進(jìn)行分析和計算的活動。水文監(jiān)測是直接獲取各項水文數(shù)據(jù)的重要手段，是水文工作的數(shù)據(jù)源，是開展水文服務(wù)的必要前提，是水利現(xiàn)代化建設(shè)的排頭兵。2016年水利部印發(fā)了《關(guān)于深化水文監(jiān)測改革指導(dǎo)意見》的通知，強(qiáng)調(diào)水文監(jiān)測是服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要基礎(chǔ)性工作，提出改革主要內(nèi)容是水文測驗方式改革，改革重點(diǎn)工作是優(yōu)化測驗方式，提高管理水平。新時期水利建設(shè)對水文監(jiān)測提出了更高要求，需要建立“駐巡結(jié)合、巡測優(yōu)先、測報自動、應(yīng)急補(bǔ)充”的水文監(jiān)測新模式，為我國今后數(shù)年的水文監(jiān)測發(fā)展指明了方向。

1 水文監(jiān)測系統(tǒng)的新模式

當(dāng)前中國治水的主要矛盾已經(jīng)從人民群眾對除水害興水利的需求與水利工程能力不足的矛盾，轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗣袢罕妼λY源水生態(tài)水環(huán)境的需求與水利行業(yè)監(jiān)管能力不足的矛盾。水文監(jiān)測也要適應(yīng)這種轉(zhuǎn)變，針對這一矛盾，新模式下的水文監(jiān)測有其新的特點(diǎn)。

1.1 巡測優(yōu)先，駐巡結(jié)合

新形勢下，水利行業(yè)及社會各行業(yè)對水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求量大增，水文監(jiān)測的控制點(diǎn)和斷面數(shù)量大幅增加，完全依靠建設(shè)水文測站不現(xiàn)實，通過大力發(fā)展巡測技術(shù)和系統(tǒng)，可以較好的解決這一問題。巡測的主要內(nèi)容有流(速)量、泥沙、水質(zhì)等水文要素，巡測可以通過巡測車或巡測船，配備針對性的水文監(jiān)測設(shè)備，有條件的可以配備通信設(shè)備將檢測數(shù)據(jù)實時發(fā)送到接受中心，供水文數(shù)據(jù)系統(tǒng)及時處理。

1.2 自動測報，遠(yuǎn)程管理

信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，為水文監(jiān)測技術(shù)智能化提供了可行性，使水文監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)用更實用、可靠、安全、簡單。水文自動測報系統(tǒng)包括自動采集數(shù)據(jù)的自動化傳感器、遙測終端機(jī)，傳輸和處理實時水文信息的通信設(shè)備和接受處理裝置等設(shè)備，以及遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，包括水文監(jiān)測系統(tǒng)軟件等。自動測報遠(yuǎn)程管理有利于發(fā)展檢測站點(diǎn)無人化，解放生產(chǎn)力。

1.3 應(yīng)急監(jiān)測，快速響應(yīng)

中國是自然災(zāi)害頻繁的國家，突發(fā)性水災(zāi)害事件造成的損失巨大，如水庫出險、堤防決口、堰塞湖、泥石流、突發(fā)性水污染等。水文應(yīng)急監(jiān)測可以為政府面對這些突發(fā)事件時提供決策的依據(jù)，提高響應(yīng)速度，降低災(zāi)害的損失。水文應(yīng)急監(jiān)測中常見的設(shè)備為免棱鏡全站儀、手持GPS、手持ADV、走航式ADCP、超聲測探儀、激光測距儀等，此外應(yīng)急監(jiān)測體系、應(yīng)急監(jiān)測保障機(jī)制、應(yīng)急監(jiān)測預(yù)案準(zhǔn)備等也對突發(fā)自然災(zāi)害的監(jiān)測效果起到重要作用。

2 水文監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀

經(jīng)過改革開放40a的建設(shè)發(fā)展，中國水文事業(yè)取得了長足進(jìn)步，目前，共建設(shè)有各類水文測站12.1萬處，站網(wǎng)密度達(dá)到了中等發(fā)達(dá)國家水平，實現(xiàn)了對基本水文情勢的有效控制。2018年，全國水文系統(tǒng)報送各類水雨情信息9.64億份，發(fā)布洪水預(yù)警835次，為科學(xué)防御水旱災(zāi)害提供了堅實的技術(shù)支撐。隨著中央逐步加大水文基本建設(shè)投資，水文能力建設(shè)持續(xù)加強(qiáng)，水量、水質(zhì)、水生態(tài)監(jiān)測體系不斷完善，水文服務(wù)向縱深發(fā)展。水文監(jiān)測從對大江大河的控制延伸到重要中小河流全覆蓋，國控水功能區(qū)監(jiān)測覆蓋率達(dá)到90%，覆蓋全國的水質(zhì)監(jiān)測體系初步形成。地下水監(jiān)測和土壤墑情監(jiān)測覆蓋范圍顯著拓展，基本建成覆蓋江河湖庫、總體布局合理、觀測項目齊全、整體功能較強(qiáng)的水文站網(wǎng)監(jiān)測體系，實現(xiàn)了對基本水文情勢的有效控制。

水文監(jiān)測方式不斷改進(jìn)，基于超聲波、雷達(dá)、對地觀測系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)、新裝備、新方法不斷應(yīng)用和推廣，聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)、電波流速儀、超聲波測深儀、全球定位系統(tǒng)(GPS)等大批水文先進(jìn)技術(shù)和儀器設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，雷達(dá)測雨、無人機(jī)、遙感遙測等新技術(shù)應(yīng)用成果豐碩，水文監(jiān)測的自動化與信息化水平大幅提升。目前，水位、雨量已全部實現(xiàn)自動測報，水文應(yīng)急響應(yīng)能力和應(yīng)急監(jiān)測時效性可靠性大幅提升，水文應(yīng)急監(jiān)測體系初步形成。

2.1 國外水文監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

在世界幾個主要國家中，發(fā)達(dá)國家的水文站網(wǎng)密度較大，遠(yuǎn)高于世界氣象組織推薦的容許最稀站網(wǎng)密度。大多數(shù)水文站配備自動采集和自動傳輸設(shè)備，自動化程度高，水位、雨量等水文要素基本實現(xiàn)了自動采集、自動測報。發(fā)達(dá)國家對單個水文測站的時效性、準(zhǔn)確性要求不是太高，水文測員少，其流量、泥沙等均為巡測方式，1人或數(shù)人開展某一區(qū)域較多水文測站的巡測工作。技術(shù)方面，發(fā)達(dá)國家大多通過水平式聲學(xué)多普勒流速儀、超聲時差法實現(xiàn)了流量實時在線側(cè)流或采用流量快速測驗技術(shù)。美國目前以自動化儀器采集和巡測相結(jié)合為主，大部分是只有一個數(shù)據(jù)采集平臺(DCPs)和1-3個水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)，大量水文站使用水平式ADCP進(jìn)行流量在線監(jiān)測，或使用走航式ADCP施測流量。用于水文測驗的巡測車、測量船功能強(qiáng)大，水位、雨量全部實行了自記、數(shù)據(jù)自動存儲及傳輸，流量多采用ADCP(ADPADV)測驗，差分GPS、激光測距儀、紅外水溫測量儀、壓力式自記水位儀為主，使用效率非常高。測沙設(shè)備主要有積深式、選點(diǎn)式、橫式、泵式等。在數(shù)據(jù)處理方面，意大利建立了覆蓋全國的實時水文數(shù)據(jù)采集通信網(wǎng)，90%以上的流域機(jī)構(gòu)所屬站網(wǎng)與中央系統(tǒng)實時聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。美國水文在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采用以衛(wèi)星傳輸為主，其他方式為輔的傳輸數(shù)據(jù)方式，水文站將水文數(shù)據(jù)實時自動傳輸給數(shù)據(jù)收集平臺，由平臺自動發(fā)送至地球同步環(huán)境衛(wèi)星(GOES)，再傳送給地質(zhì)調(diào)查局總部的數(shù)據(jù)接收分析處理系統(tǒng)(DAPS)[1]。

2.2 中國水文監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

近年來隨著水利部“大水文”戰(zhàn)略及出臺多項水文發(fā)展政策，水文監(jiān)測新技術(shù)、新設(shè)備、新方法不斷推出和應(yīng)用，如聲學(xué)多普勒流速儀(ADCP)、電波流速儀、超聲波測深儀、全球定位系統(tǒng)(GPS)、雷達(dá)測雨、無人機(jī)測流、遙感遙測、可視化3D監(jiān)測等，水文監(jiān)測的自動化與信息化水平大幅提升。建立高質(zhì)高效的水文監(jiān)測新模式，60%水文站開展了巡測，12%為巡駐結(jié)合。

2.2.1 遙感技術(shù)的應(yīng)用

對地表水流量進(jìn)行監(jiān)測時主要采用遙感監(jiān)測技術(shù)，如地基雷達(dá)監(jiān)測和航天航空雷達(dá)監(jiān)測，前者布置在岸邊橋旁，通過該設(shè)備監(jiān)測過程中接收器和發(fā)射器之間的傳播差對流速進(jìn)行監(jiān)測，后者主要結(jié)合遙感技術(shù)的特點(diǎn)，對流速、水深等進(jìn)行監(jiān)測，全方面了解水體的各種情況。由于該技術(shù)的優(yōu)勢，其主要的應(yīng)用地區(qū)屬于人口稀少且氣候條件惡劣的高寒地區(qū)[2]。對地下水水位進(jìn)行監(jiān)測時，可以根據(jù)具體情況選擇人工監(jiān)測和自動監(jiān)測2種方法，2種監(jiān)測方法相比較而言，遙感監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測質(zhì)量和效率較高，能夠全面的對地下水資源進(jìn)行實時監(jiān)測，避免出現(xiàn)遺漏的現(xiàn)象。

2.2.2 ZigBee和GPRS技術(shù)的應(yīng)用

ZigBee技術(shù)在水文水資源監(jiān)測過程中可以根據(jù)其自身的特點(diǎn)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的短距離傳輸，而GPRS技術(shù)在水文水資源監(jiān)測過程中可以實現(xiàn)水文監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，基于此，在水文水資源監(jiān)測中應(yīng)用以上2種先進(jìn)的技術(shù)，在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，充分發(fā)揮2種技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，從而擴(kuò)大水文水資源的監(jiān)測范圍。此外，ZigBee技術(shù)屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在應(yīng)用過程中不會產(chǎn)生相應(yīng)的費(fèi)用，因此在一定程度上降低了該技術(shù)應(yīng)用的成本，節(jié)約了水文監(jiān)測的成本。而GPES技術(shù)屬于網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，該技術(shù)只有在傳輸數(shù)據(jù)的過程中才會產(chǎn)生相應(yīng)的能量，所以從某種程度上講，降低了能源的消耗?？偠灾?，在水文水資源監(jiān)測過程中應(yīng)用ZigBee和GPRS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)短時間的監(jiān)測，進(jìn)一步提高監(jiān)測效率和質(zhì)量[3]。

2.2.3 3S技術(shù)的應(yīng)用

3S技術(shù)將RS、GIS和GPS技術(shù)進(jìn)行了整合，將三大技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合在一起，提高水文水資源監(jiān)測技術(shù)的整體質(zhì)量。在3S技術(shù)應(yīng)用過程中：①通過RS對水資源地表信息進(jìn)行掃描，實現(xiàn)水資源遠(yuǎn)距離的監(jiān)測；②通過GIS技術(shù)將搜集到關(guān)于水資源的相關(guān)信息內(nèi)容進(jìn)行整理分析，然后將整理結(jié)果上傳到計算機(jī)設(shè)備中，為工作人員提供依據(jù)，使其能夠掌握水資源的地理信息；③通過GPS技術(shù)對水位資源的地理位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。3S技術(shù)的應(yīng)用為水文水資源監(jiān)測工作提供了一定的便利，提高了工作效率[5]。

3 當(dāng)前水文監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用效果存在的問題及應(yīng)對措施

3.1 水文監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用效果存在的問題

1)通過信息技術(shù)對監(jiān)測到的信息資料和最初的監(jiān)測資料的對比常出現(xiàn)差異，降低了對比結(jié)果的可信度，兩者也缺乏有效的整合技術(shù)手段，只能由工作人員對監(jiān)測資料中反應(yīng)出的問題進(jìn)行逐一排查，增加了工作人員的工作量，降低了問題排查的效率。水文資料整編、匯編的自動化水平較低，整編的時效性、可靠性不夠。

2)傳統(tǒng)的水文監(jiān)測設(shè)備已不能滿足水文監(jiān)測新模式的應(yīng)用要求，急需相關(guān)部門的政策支持下積極引進(jìn)先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)施，提高監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的效果。

3)由于人類活動如水利設(shè)施的建造在一定程度上改變了河流狀況，使得水文要素不穩(wěn)定，影響了水文監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，降低了監(jiān)測質(zhì)量。

4)由于科技發(fā)展的快速，更由于水文監(jiān)測新模式的涌現(xiàn)，現(xiàn)代水文監(jiān)測技術(shù)設(shè)備和方法的更新?lián)Q代加快，需要相關(guān)監(jiān)測人員擁有較高的專業(yè)素質(zhì)和實踐操作能力，但現(xiàn)實中有不少工作人員達(dá)不到這一要求，由于對新技術(shù)的應(yīng)用了解不深而導(dǎo)致的監(jiān)測結(jié)果與實際情況存在差異，降低了該技術(shù)應(yīng)用的效能。

3.2 應(yīng)對措施

針對上述水文監(jiān)測存在的問題，文章給出的建議是：

1)加大監(jiān)測數(shù)據(jù)的日常比對和分析，不過分依賴計算機(jī)技術(shù)，需工作人員對監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一核對，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果的真實性和有效性。對水文資料采取及時整編，日清月結(jié)，及時開展上下游及相鄰測站水沙平平衡對照，簡化流程提高效率。

2)通過政策的連續(xù)性、財政投入，并根據(jù)不同地區(qū)的具體需求，加快現(xiàn)代化監(jiān)測設(shè)備的建設(shè)，適應(yīng)水文監(jiān)測新模式，同時對監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行定期的巡檢和維護(hù)，保障水文監(jiān)測各項工作的高效開展。

3)對水文監(jiān)測工作的方式進(jìn)行創(chuàng)新，根據(jù)相關(guān)人員對監(jiān)測結(jié)果的分析，了解不同地區(qū)水資源的具體應(yīng)用情況，制定針對性的解決方案，如跨地域調(diào)水工作，對水利工程的建設(shè)進(jìn)行有效的控制，降低人類活動給水文監(jiān)測結(jié)果的影響。

4)加強(qiáng)監(jiān)測人員綜合素質(zhì)教育，提高他們的專業(yè)理論知識和水文監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用能力，如定期開展專業(yè)講座和培訓(xùn)、提高監(jiān)測人員入職的考核標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)職業(yè)道德教育培養(yǎng)服務(wù)意識和責(zé)任感等。

4 水文水資源監(jiān)測技術(shù)未來發(fā)展的趨勢

信息化時代科技技術(shù)的發(fā)展速度不斷加快，在大水文及水文監(jiān)測新模式的背景下，為了適應(yīng)時代發(fā)展的趨勢，水文監(jiān)測技術(shù)需要不斷的創(chuàng)新，因地制宜推進(jìn)流量自動監(jiān)測，開展泥沙自動監(jiān)測試點(diǎn)應(yīng)用，推進(jìn)水文全要素的自動監(jiān)測，提高水文自動化、智能化水平，從而滿足水利行業(yè)及全社會對水文監(jiān)測“尖兵”和“耳目”的要求。基于此，在水文監(jiān)測技術(shù)未來的發(fā)展中：①需要實現(xiàn)多種學(xué)科之間的綜合和交叉，將水文與信息技術(shù)系統(tǒng)、生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)等進(jìn)行有效的整合，如無人船及無人機(jī)的水質(zhì)與水生態(tài)快速監(jiān)測集成技術(shù)與設(shè)備，突發(fā)水污染事故應(yīng)急監(jiān)測與快速處置設(shè)備，以藻類、魚類為關(guān)鍵指標(biāo)的湖庫水生態(tài)系統(tǒng)感知設(shè)備等；②不斷提高水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集能力和整理能力，結(jié)合氣象雷達(dá)、監(jiān)測站點(diǎn)和遙感衛(wèi)星的特點(diǎn)，建立立體的水文水資源監(jiān)測信息系統(tǒng)，保證水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高預(yù)測風(fēng)險的能力和應(yīng)對風(fēng)險的能力基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式，研發(fā)集感知、仿真、診斷、預(yù)警、調(diào)控為一體的智能水網(wǎng)綜合服務(wù)云平臺和復(fù)雜含水層地下水補(bǔ)給預(yù)測預(yù)警與開采調(diào)控平臺；③為了提高大江大河洪水預(yù)報預(yù)警和防洪工程體系實時聯(lián)合調(diào)度能力，中小河流、山洪災(zāi)害、風(fēng)暴潮及其增水預(yù)報預(yù)警技術(shù)，大范圍干旱及其災(zāi)害監(jiān)測分析和預(yù)測預(yù)警和風(fēng)險評估技術(shù)，需要加快基于“天-空-地-水”多源信息的水旱災(zāi)害立體監(jiān)測和同化分析技術(shù)，提升我國大江大河防洪減災(zāi)能力和調(diào)度決策水平。

5 結(jié) 語

在新時期水利建設(shè)貫徹節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力治水方針指導(dǎo)下，水文監(jiān)測也需要補(bǔ)短板，并適應(yīng)強(qiáng)監(jiān)管的水利改革發(fā)展總基調(diào)，大力發(fā)展水文監(jiān)測技術(shù)，全面提升水文監(jiān)測現(xiàn)代化水平，以優(yōu)質(zhì)的服務(wù)為水利和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供可靠支撐。