信息自動化技術在水文測驗中的實踐與思考

彭華帆 程 亮 劉運珊

(贛江上游水文水資源監測中心，江西 贛州 341000)

隨著我國科學技術的快速發展，信息自動化技術應運而生并廣泛應用于各個領域中，為人們的生產、生活帶來了極大的便利，促進了社會發展與進步[1]。將信息自動化技術應用于水文測驗中，逐步取代傳統水文測驗技術，有利于加快構建“駐巡結合、巡測優先、測報自動、應急補充”的水文測驗體系，推進智慧監管、智慧水文的建設。

1 水文測驗中信息自動化技術實踐的必要性

2020年，我國發生了1998年以來最嚴重的汛情。一是降雨總量偏多、時空分布集中，長江中下游梅雨量達到753.8mm，為1961年以來最多。二是大江大河洪水多發、量級大，長江發生流域性大洪水，其中上游發生特大洪水，三峽水庫出現建庫以來最大入庫流量75000m3/s；太湖發生歷史第3高水位的流域性大洪水。三是超警河流數量多、歷時長，全國836條河流發生超警以上洪水，其中269條超保證、78條超歷史，綦江8h內洪水漲幅高達10m[2]。在如此嚴重的汛情面前，水文測驗數據的時效性、準確性顯得尤為重要。水文信息自動化系統能夠實現所有數據信息的電子化、網絡化生成，做到對數據的實時動態采集、存貯、傳輸，水文部門通過對數據的分析，可及時準確地掌握水文情報預報信息，為當地防洪減災提供科學依據[3]。目前，水文流量監測普遍使用傳統測速儀施測，在洪水期作業存在測量困難、單次測驗耗時過長、人力投入較大、存在安全隱患、數據不能自動傳輸等問題[4]。傳統的方法難以有效、有序地開展監測工作，造成水文工作人員的工作效率降低，在監測洪水或者特大洪水時很難滿足社會對水文的要求[5-7]。因此，十分有必要推進傳統水文測驗方式方法的技術創新，加強自動化技術在水文測驗中的實踐分析，為解決傳統測驗方式的弊端探索一條科學之路。

2 信息自動化技術在水文測驗中的具體實踐

2.1 SL流量計在線流量系統

窯下壩(二)水文站是章水區域代表站，近年來，受下游4.5km處的康陽電站回水影響，水位流量關系紊亂，采用連實測流量過程線法定線推流，這種方法要求較多的流量測次以控制流量變化過程，任務繁重，時效性差。為減輕該站測驗任務，探索新的測驗手段，2009年4月，贛江上游水文水資源監測中心引進了一臺美國維賽公司(SonTek/YSI)研制的淘金者(Argonaut-SL500)水平型測量系統(以下簡稱SL流量計)，用于窯下壩(二)站實時流量測驗。該儀器是目前世界上較為先進的實時流量測驗儀器，其特點是能夠直接測出斷面的流速剖面和流量，測量時不擾動流場、測驗速度快、精度高、信息化水平高、不受流向順逆限制、能測到長時間的連續流量過程。選取窯下壩(二)站2018年流速儀37次實測流量與SL流量計所測流量進行比測率定。率定結果見表1。

表1 窯下壩(二)站SL流量計法與流速儀流量測驗法比測成果

表2 SL流量計指標流量與流速儀實測流量分析成果

經計算分析，該站的系統誤差為-0.3% ，總不確定度為9.2%(見表2)。對照《河流流量測驗規范》(GB 50179—2015)均勻浮標法單次流量測驗允許誤差標準的規定，系統誤差指標允許范圍為-2%～1%，總不確定度誤差指標為小于11%，該站系統誤差及總不確定度誤差均在規定范圍內， SL流量計所測流量數據滿足國家二類精度水文站浮標法單次流量測驗允許誤差的規定[8]。目前,窯下壩(二)水文站SL流量計在線流量系統的數據可應用于資料整編。SL流量計在線測驗技術實現了對流量的實時化、自動化測驗，為推進水文測驗改革提供有力的技術支撐。

2.2 雷達波在線測流系統的應用

雷達在線流量系統由數據采集、RTU及數據接收處理查詢平臺三部分組成。由HR-20A雷達流速計記錄流速數據，RTU將流速數據通過GPRS傳輸至總處理器，通過接受處理展示系統后以網頁形式提供數據查詢及下載。HR-20A 根據多普勒雷達測速原理，借用岸邊升桿、橋梁或其他合適的載體，儀器安裝在河道中泓位置，對水流的表面流速進行測量[9]。截至2020年底，贛江上游水文水資源監測中心已在全市26個站點安裝了雷達在線流量系統，劉運珊等[9]對雷達波在線測流系統的測驗精度進行了充分的分析研究，并對中心所安裝雷達波在線測流系統的站點逐一比測率定，確定13站率定后的流量過程可用于防汛測報。但資料整編有待進一步分析，確定5站需要更換安裝位置、5站缺少比測資料、1個站需要調整儀器參數、2個站需要災后重建。加強雷達波在線測流系統的具體實踐，積累雷達波在線測流技術經驗，推動雷達波在線測流的技術的成熟應用，將大大提高水文作業的科學時效性。

2.3 無人機測流技術

基于無人機平臺的測流系統其實質是使用了流速面積法，前提條件是通過圖紙或實地勘察選取監測河流的均勻斷面[10]。無人機測流系統由兩部分組成：數據采集端和數據處理端。數據采集端主要由大疆精靈 Phantom 4 RTK無人機搭載RTK模塊，1英寸傳感器、OcuSync圖傳系統，GSRTK航線規劃系統等部分組成。數據處理端由便攜式筆記本(或其他類型計算機)、視頻圖像識別系統等部分組成。無人機可在河道斷面指定垂線上開展非接觸式測流，無人機定點懸停在某一垂線上方，通過它的視頻拍攝功能，錄制一段視頻用來記錄浮標運動軌跡及歷時；拍攝一張照片，運用搭載的RTK模塊，定位無人機的經緯度及CORS高程。飛行結束后，通過對視頻素材的處理，用所得軌跡長度和歷時計算出垂線水面流速。再根據已獲得的斷面數據，計算出流量。天然河道高洪期的河道具有水流流速快、含沙量高、漂浮物多等特點，極易造成儀器的損壞并造成人身安全問題，加之天然河流的復雜的紊動特性，難以利用點流速測量技術快速獲取流速或代價很高，導致流速儀法、走航ADCP法等傳統接觸式測流方案無法開展布置或儀器不能正常施測。而無人機測流技術，利用非接觸式測水面浮標流速的方法解決了以上難題。該測流方法具有迅速、安全和不受漂浮物影響的特點，對于高洪搶測洪峰是一種非常實用的方法。無人機測流與傳統測流方案對比，具有很多優勢:測流數據具有可追溯性，無人機拍攝的照片與錄像可以永久保存，作為數據來源的依據，也可以用來校對數據的準確性；參與作業人員減少，以往的浮標法需要大量的人員來協作完成，無人機測流只需1～2人就能完成。應急搶測時效性高，無人機測流歷史短，操作方便，能很快測得洪峰；采用非接觸式測水面浮標流速的方法，應對特殊水情安全性高。

2.4 在線測流系統的選擇

SL流量計是利用超聲波多普勒頻移的物理原理來測量水流的速度。特別適用于受上下游水利工程影響，水位流量關系紊亂無法定線的水文站。應用SL流量計實時監測時，需要將水下換能器固定安裝在水面以下的某一個固定位置，以保證水平方向。安裝位置影響較大，在水位較低時，換能器極易裸露造成數據失真，而且SL流量計價格昂貴，維修成本高，所以目前安裝使用的測站相對較少。雷達波在線流量系統適用于測驗河段順直、穩定、水流集中的站點。系統采用全自動無人值守方式實現全天候每5min實時流量監測，具有非接觸、自動化的特點，同時不受漂浮物、泥沙、水質等的條件影響，適用于平時測驗、高洪監測及危險水情測量等特殊環境。雷達波在線測流系統采用的也是一種非接觸式測流設備，測流不受河道漂浮物、滾石等影響，適合高洪測驗。但經過日常比測分析，發現影測驗誤差的主要有以下幾個因素：

a.雷達流速儀測得的水面流速是水面單寬流速，不同水位級，儀器距離水面位置不同，所測單寬流速代表性不同。

b.0.3m/s以下的流速是雷達流速儀的盲區，對于0.3m/s以下流速其誤差較大,天然流態站流速大多呈線性關系，高低水均可使用雷達流速儀推流，但受水利工程影響、有回水等水位流速關系混亂的站則不適合用雷達流速儀推流。

c.降雨對雷達流速計的流速影響很大，常出現突出點。因此,在這些情況下，特別是暴雨時期，雷達流速儀誤差增大。

d.雷達流速儀水平安裝角度與數據準確性有很大關聯，當流速計與水流方向呈斜角時應做偏角修正，但實際工作中因偏角難以準確測定而并未修正,影響了站點數據準確性。因此，在水文測驗中需根據測站特性選擇合適的在線測流系統。

3 提升水文測驗信息化水平

3.1 重視專業人才的培養

近年來，水文部門加大信息化建設力度，購置先進儀器、建立信息化平臺、應用諸多信息自動化技術等。但是由于專業人才數量相對缺乏，致使技術運用成效不高。特別是操作人員，能完全熟練掌握各項信息技術的較少，難以將設備功能完全發揮，甚至操作過程出現失誤，影響水文測驗資料結果。因此，為保障測驗資料質量，除了需要積極引入自動化技術，還需加大專業人才的培養力度，只有專業的人才能將信息自動化技術合理運用。加大專業人才的培養力度，首先需結合自動化技術的實際運用情況，對水文建設人才需求展開分析，合理引進人才。其次，需針對水文工作中的分工不同，分別確定培養方案，對現有人才加以培養。最后，通過舉行應急演練、技能比賽等活動，強化實操能力，營造良好的培訓氛圍。

3.2 加強水文測驗資料成果的比測分析

各種信息自動化技術的使用，大大提高了水文工作的效率，但作為新儀器新技術，還需與傳統的技術手段進行比測分析，畢竟傳統的技術手段已應用多年，積累了大量的系列資料和使用經驗，加強水文測驗資料成果的比測分析，論證信息自動化技術的綜合精度，有利于歷史資料延續，為今后信息自動化技術的發展應用提供依據。

3.3 提升信息自動化技術的創新能力

為提高水文信息自動化水平，在日常水文工作中，要高度重視對技術的創新開發，積極引進信息自動化技術，同時鼓勵水文工作者在平時的工作中多思考，多學習，要堅持以創新的思維突破瓶頸制約，不斷提升自身科研水平。通過不斷創新，不僅能簡化水文工作流程，減少基層人員工作強度，更能降低人為誤差、提高數據準確性，實現水文工作信息化、智能化。

4 結 語

水文是水利工作的基礎和先導，是國民經濟和社會發展不可缺少的基礎性公益事業。水文作為防汛抗旱的尖兵耳目，高效及時提供水文數據是社會對水文行業提出的更高要求。將信息自動化技術應用于水文測驗中，充分發揮其優勢，以增強水文測報和信息服務能力為目標，讓水文更好地為社會經濟發展服務。