阿克蘇地區水文監測能力現狀及升級改造思路探討

張昌俊

(新疆阿克蘇水文勘測局，新疆 阿克蘇 843000)

1 阿克蘇地區水資源概況

阿克蘇地區是新疆水資源最為豐富的地區之一。境內共有冰川1 298條,面積為4 098 km2、儲水量約2 154×108m3。高山冰川、天山積雪是地表河水的主要補給源泉,區內主要有阿克蘇河、渭干河、塔里木河三大水系及大小155條河流和8個湖泊。地表水年徑流量133.4×108m3。雖然地表水資源比較豐富，但是由于地表水徑流年內分配極不均勻，春秋季徑流僅占全年徑流量的10%左右，導致多年來春旱頻頻發生，嚴重影響了地區經濟的發展和社會的穩定和諧。阿克蘇地區作為新疆水資源開發利用的重點地區，及時掌握本區所有河流、湖泊、地下水、水質等動態變化，是該地區水資源的合理開發用的重要參考依據。水文監測作為一項基礎性工作，在國家全面推行河長制湖長制的大背景下，具有監測點多、線長、面廣的天然優勢，依托長序列和實時水文監測、調查數據統計、分析、評價結果，可以全面掌握河湖水系、岸線、水量、水質、泥沙等基本特征，及時跟蹤河湖變化情況，預測預警未來發展情勢，在推進河湖長制各項任務落實及實施監督、量化考核等方面能提供科學支撐。

現阿克蘇水文勘測局已有水文水位監測站，雨量站，中小河流水文站，中小河流水位站，中小河流雨量站共計76個站點，水質監測站點34個，地下水監測站31(國家)、54(地區)由阿克蘇水文勘測局管理，阿克蘇水文勘測局分兩大中心管理站：阿克蘇河流域中心管理站、渭干河流域中心管理站。監測項目有水位、流量、水質、地下水、懸移質泥沙、降水、蒸發、水溫、氣溫、冰情等。

2 阿克蘇地區現有水文站點監測能力及不足

阿克蘇地區現有水文站點主要分為；(1)國家基本站；(2)中小河流治理新建水文站、水位站、雨量站；(3)水質監測站；(4)地下水監測站。從站網建設數量上來看，水文水位監測站、雨量站、中小河流水文站、中小河流水位站和中小河流雨量站共計76個；水質監測站點34個；地下水監測站共計85個，其中國家級31個、地區級54個。所有水文站點都由新疆阿克蘇水文勘測局管理，監測的主要項目涵蓋水位、流量、水質、地下水、懸移質泥沙、降水、蒸發、水溫、氣溫和冰情等。

2.1 基本水文站

阿克蘇地區有基本水文站22處，其中19處為駐測站；3處巡測站。水文站目前觀測內容為水位流量，降雨蒸發、泥沙水質、水溫氣溫等，目前存在測驗設備老化、測驗手段原始單一等諸多問題。隨著我國社會經濟不斷發展，水文部門將承擔著更加繁重的任務，目前主要面臨人力緊缺，監測內容和范圍多元化，水文預測預報工作還沒有完全實現體系化、自動化和信息化，水文站的綜合服務能力還需要提高。比如，基層水文站在局部監測手段和能力方面還相對落后，沒有符合水文信息化系統相應設備，無法進行遙測，只能進行定期人工測驗。除可以進行防洪抗旱、基礎資料收集、測報工作，沒有水質、生態基流監測，無法及時預測預報該類突發水文事件，并且缺乏必要的應急措施。

2.2 中小河流治理新建水文站、水位站和雨量站

中小河流治理項目實施以來，近年新建了一批水文站、水位站和雨量站，因為是新建站，使用設備設施均為當前先進設備，滿足巡測、遙測要求。但由于技術及水平各方面原因，水文數據傳輸不能滿足部門、流域之間的信息共享。

2.3 水質站監測點

目前阿克蘇水質信息平臺監測站點均為人工巡測，定時定點取樣，無法滿足對水質的實時動態監測。

2.4 地下水監測點

阿克蘇地區地下水監測點主要有國家級監測站和地區監測站，地區級監測站設立時間為2008-2009年，設施設備已老舊無法使用，只能通過人工巡測獲取數據；而國家級地下水監測站為2017年新建站，設備設施先進，目前正常使用，數據只傳輸至專有服務器，無法兼容至水文信息化平臺。

3 水文站點升級改造必要性分析

水文基本站點的跨越式發展必須以能力建設為保障，因此必須優化資金配置，加快水文監測站建設，提升其服務能力。尤其要優化基層監測站的資金投入，將資源投入到改進現代化設備運用、水質信息收集能力和水質監測設備上，通過先進、實用、機動性強的勘測設備的應用，使得水文站可以進行巡測、遙測，并提高現場快速測驗的能力，以此有足夠的人力、物力應對突發性的水文事件。不僅如此，還要完善水文要素監測的長期記錄工作，及時將數據存儲到數據庫中，在水文信息平臺進行原始數據處理、資料整編。以此為基礎，不斷健全信息真實、查詢方便、適應不同層次需求的水文信息服務平臺的建設，投身水文預測預報和分析評價的能力建設，進而為社會人民提供質量可靠的水文產品。

4 水文監測能力升級改造內容及措施分析

4.1 水位監測升級改造

4.1.1 建設目標

以先進測報技術和網絡技術為支撐，通過監測站點建設達到提高自動化測報水平，確保設施設備先進可靠，測驗精度滿足規范要求，及時準確向信息平臺實時傳輸河流水位信息。

4.1.2 水位監測

監測工作點采用隨機測報、定時測報、人工召測相結合的測報工作方式：

(1)隨機測報：該種方式主要是當遇到被測的水位和水情參數發生一個規定的增減量變化時，如水位漲落1 cm，且與上次發送數據時間間隔大于5分鐘時，即自動向信息中心發送一次數據；

(2)定時測報：該種測報方式是固定了測報時間，如每間隔1 h，不管水位和水情參數有無變化，系統即自動采集并報送一次數據，信息中心的數據接收設備始終處于值守狀態。

(3)人工召測：當對以上兩種自報水位有疑問或獲得即時水位信息，可發送指令，讓水位計發送一次水位數據到信息平臺。

水位自動采集站網絡拓撲圖詳見圖1。

圖1 水位自動采集站網絡拓撲圖

4.1.3 數據傳輸及處理

水位自動采集站采集水位信息，通過GSM/GPRS和衛星通道將水位信息傳輸至信息平臺，再通過水位～流量關系曲線軟件處理后以此監測該河的流量信息。如圖2所示。

圖2 水位數據傳輸示意圖

4.1.4 技術參數

測距范圍：0～50 m；

測量精度：±2 mm；

分辨率：1 mm；

工作溫度：-35℃～70℃；

防護等級：IP68；

其他：不受河道內淤泥、植物、垃圾影響，感知立桿晃動，自動優化補償。

4.2 流量監測升級改造

4.2.1 建設目標

以先進測報技術和網絡技術為支撐，通過監測站點建設達到提高自動化測報水平，確保設施設備先進可靠，測驗精度滿足規范要求，并且確保小流量測驗精度，及時準確向信息平臺實時傳輸河流流量信息。流量監測升級改造拓撲圖見圖3。

圖3 流量監測升級改造拓撲圖

4.2.2 流量監測

監測工作點采用自動測報、定時測報、人工召測相結合的自動測報方式：

(1)自動測報：每當被測的流量水情參數發生一個規定的增減量變化時，如流量漲落5 m3/s時，且與上次發送數據時間間隔大于5 min時，即自動向信息中心發送一次數據；

(2)定時測報：每隔1 h，不管參數有無變化，即采集和報送一次數據，信息中心的數據接收設備始終處于值守狀態。

(3)人工召測：當對以上兩種傳回的數據有疑問時，可給儀器發送指令獲取實時流量信息。

(4)雷達流速遙測設施技術參數

采用立桿式、橋底安裝非接觸式流速儀，用于對2～50 m寬渠道進行流體表面流速，可探測水流方向，全天候24 h在線觀測。

測速范圍：0.05～20 m/s；

測速精度：±0.01 m/s；

工作溫度：-35℃～70℃；

防護等級：IP67；

(5)側掃流速監測技術參數

可識別兩股或多股水，用于天然寬型河道，實施全天候在線觀測，可進行隨時、定時測速。

測速距離：0～1 000 m；

測速范圍：0.05～20 m/s；

測速精度：±0.01 m/s；

工作溫度：-35℃～70℃；

防護等級：IP67；

4.3 雨量站監測升級改造

4.3.1 改造目標

雨量站雨情信息的傳輸由目前人工觀測或自動檢測無法傳輸的方式改造為一站的雙發方式。其中中小河流雨量站改造兼容水文信息化平臺。

4.3.2 系統傳輸

雨量信息采集后通過有線傳輸到數據采集終端RTU；RTU接收、處理并存儲至測站采集的雨量信息，通過GSM/GPRS網絡傳輸到水文信息平臺，信息傳輸拓撲圖如圖4所示。

圖4 雨量站監測升級改造

4.3.3 雨量站技術參數

雨量器在觀測日分界時(水文日分界為8：00)控制雨量站根據實際降雨情況自動讀取、工作，可實時記錄降雨量，并傳輸數據至水文信息平臺。

承雨口口徑：0.2 m；

誤差范圍：±0.1 mm；

工作溫度：0℃～55℃；

強雨誤差：<0.1 mm；

內部存儲：4 Mbit(57 344 條氣象數據)；

記錄間隔：1～240 min連續可調；

通訊方式：RS232/RS485、USB、GPRS 、衛星無線傳輸可選；

承水口內徑：Φ 200 mm

雨量量筒的標準范圍：0.05～10 mm

雨量量筒的最小分度：0.2 mm；

儲水器的容量：2 000～2 500 ml；

主機工作環境條件：-40℃～50℃；

其他：自動加熱除雪，對降雪量進行測量。

4.4 蒸發場監測升級改造

4.4.1 改造目標

蒸發場蒸發信息的傳輸由目前人工觀測或自動監測無法傳輸的方式改造為一站的雙發方式。

4.4.2 監測原理

采集器在觀測日分界時刻(水文分界日為8：00)控制補水泵工作，給蒸發桶、水圈自動補水，使桶中水位恢復至水位標志線高度，然后，以補水后穩定水面的高度作為起測點，測量下一時段的蒸發量。

4.4.3 系統傳輸

蒸發信息采集后通過有線傳輸到數據采集終端RTU；RTU接收、處理并存儲至測站采集的蒸發信息，通過GSM/GPRS網絡或衛星信號傳輸到水文信息平臺。

4.4.4 蒸發場技術參數

蒸發口徑：0.2 m；φ618±2 mm；

溢流量分辨率為0.01 mm

蒸發量量測分辨力：0.1 mm；

蒸發量量測精度： 蒸發量≤10 mm，測量誤差：≤±0.3 mm；

蒸發量>10 mm，測量誤差：≤±(0.3 mm+1%F.S))；

蒸發量量測范圍：不小于20 mm；

電源電壓：12V/DC(-5%～+25%)；

環境溫度：0℃～+55℃；

儲存溫度：-10℃～+60℃。

4.5 河流泥沙監測升級改造

4.5.1 改造目標

泥沙信息的傳輸由目前人工觀測方式改造為一站的雙發方式。

4.5.2 系統傳輸

泥沙信息采集后通過有線傳輸到數據采集終端RTU；RTU接收、處理并存儲至測站采集的泥沙信息，通過GSM/GPRS網絡傳輸到水文信息平臺。

4.5.3 泥沙遙測設備技術參數

泥沙精度：0.01 kg/m3；

工作溫度：0℃～55℃；

測驗誤差：0.005 kg/m3；

4.6 水質站監測升級改造

4.6.1 建設目標

水質在線監測系統建設基本目標是及時掌握地表水、飲用水水源地水質變化，當水質超標時及時預警，及時掌握水源地水質變化，確保供水、生態水安全。水質監測站拓撲圖見圖5。

圖5 水質監測站拓撲圖

4.6.2 水質自動監測站升級改造的要求

1)監測項目的可擴展性

系統監測的水質指標項目能根據需要進行擴展，相應的控制、傳輸滿足相應要求。

2)采水系統的安全性

采水系統要能防撞、防藻、防淤積堵塞；能根據水位變化調節取水頭及原水監測儀器的位置和深度，便于維護。

3)監測儀器設備的穩定性、準確性

各種監測儀器設備長期、穩定、準確地運行，監測數據可靠；運行費用低，便于維護；抗干擾能力較強。

4)控制系統的可靠性

系統運行狀況能遠程診斷和控制，響應及時、控制準確、預警可靠，在超標情況下能自動留樣，也能手動或遠程遙控手動留樣。設置人工維護平臺。

5)數據采集、處理與傳輸系統的準確性

數據的采集和處理無誤，傳輸準確通暢，中心站能對子站系統進行控制，便于管理，人機對話友好。

6)系統運行的經濟性

系統的設計和運行管理在確保長期可靠地運行基礎上降低建設和運行成本，可實現實時在線監測。

4.6.3 數據監測需求及效果

升級改造后監測的水質參數數據包括：水溫、電導率、pH、氨氮離子濃度、濁度；通過系統的建設及改造升級，能保證水質數據準確度和精密度滿足要求，與實驗室同步監測數據在允許誤差范圍內。并實現監測數據的自動采集、存儲并傳輸至水文信息平臺，當水質超標時及時預警，及時掌握水源地水質變化。

4.7 地下水監測升級改造

對地區地下水監測站需要進行全方位總體升級改造，要改變傳統的人工觀測方式，升級改造為自動遙測系統。而對國家級地下水監測站的升級改造，則主要使其監測傳輸數據兼容水文信息化平臺。地下水監測升級改造拓撲圖見圖5。

4.7.1 改造目標

地下水信息的傳輸由目前人工觀測方式改造為一站的雙發方式。

4.7.2 監測項目

地下水水位、水質、水溫。并具有監測項目可拓展性。

4.7.3 系統傳輸

地下水信息采集后通過有線傳輸到數據采集終端RTU；RTU接收、處理并存儲至測站采集的信息，通過GSM/GPRS網絡傳輸到水文信息平臺。

圖6 地下水監測升級改造拓撲圖

4.7.4 地下水遙測設施技術參數

測量深度：0.5～100 m；

測量深度精度：0.01 m；

水溫測量范圍：0℃～55℃；

水溫測量誤差：0.1℃；

水位測量誤差：0.01 m；

5 結語

近年來，阿克蘇地區在“大水文”發展觀的指引下，按照水文服務于防汛抗旱、水資源管理和水生態環境的新要求，結合中小河流水文監測系統建設，不斷提高水文監測能力，通過不斷對地區水文測站進行升級改造和水文監測中心建設，可以極大提高河湖水位、流量及水質等自動測報水平和水文信息處理能力，充分發揮水文基礎支撐作用，使水文服務社會的支撐能力不斷增強，為阿克蘇地區今后水資源的開發利用和管理工作提供了堅實的科學依據。