长江水文测验体系创新实践与方向性问题探讨

熊莹, 王俊

(长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010)



长江水文测验体系创新实践与方向性问题探讨

熊莹, 王俊

(长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010)

为了满足大规模新增水文站网运行管理和“大水文”发展的需求，及提高人力资源配置效率，结合长江水文多年发展和改革创新的经验，提出了构建水文监测创新体系的四大体系，即水文监测管理体系、水文监测服务体系、水文监测技术支撑体系、水文监测质量控制体系。同时，分析了在当前新常态背景下，水文行业在水环境水生态监测、水资源中长期预测预报、水文信息化建设、海绵城市与城市发展等方面面临的新问题和发展方向。

长江；水文测验；水文监测体系创新；新常态

1 研究背景

随着经济社会的发展,人们对水文信息的需求量不断增加，国家大幅增加了对水文站网建设的投入。目前，全国各类水文测站近10万处，且数量在快速地增加。水文站网建成投入运行后，水文部门的维护管理任务量在增加。随着“大水文”观发展理念的不断普及，水文服务的触角已经延伸到经济社会的各个方面。水生态文明建设、城镇化进程、长江经济带建设以及“一带一路”战略实施需要更多的水文职工参与到工程设计、咨询评价等市场项目中。目前，我国水文系统的在职职工保持在2.6万人左右，有限的人力资源、传统的驻守模式已不能满足大规模新增水文站点以及水文业务发展的要求。

同时，随着社会的发展、科学技术不断进步，工作人员的学历和综合素质在不断提高，这些为我国水文行业以及监测体系创新提供了条件。若仍在偏远测站实行驻守模式，职工面临着生活不便、家庭分居等问题，致使高级人才难以留住，不利于水文队伍的建设与水文事业的发展。对于发达国家，例如美国，全面实行巡测，水文职工3 400余人，2～3人负责1个测区，1个测区20～30个水文站点;而我国人均管理水文站点数仅为0.1～0.2个，人力资源配置上存在效率不高的问题。

为了解决上述制约水文体制发展的问题，在对比分析美国等发达国家在基础设施、巡测管理、数据整理、技术标准等方面的差异的基础上，接轨国际先进技术与理念，经过多年探索和不断实践，提出了适合长江水文发展的水文监测创新体系。同时，在此创新体系的基础上，结合近期习近平同志提出的“五大发展理念”以及水利部新时期的“十六字”治水方针，探寻水文行业的发展方向，以供同行交流学习。

2 水文监测体系创新

长江水文监测创新体系主要分为水文监测管理体系、服务体系、技术支撑体系及质量控制体系，拓扑结构如图1所示。

图1 水文监测创新体系的组成

图1中的4个体系之间相互支撑、相互影响、不可分割。其中，水文监测管理体系是水文监测体系创新的核心，决定如何开展水文监测工作模式；服务体系研究水文测验工作如何满足社会不断变化的实际需求并指导如何开展监测工作；技术支撑体系提供理论方法和技术手段；质量控制体系是水文成果质量的保障。

2.1 水文监测管理体系

美国或其他发达国家尽管已形成全面巡测的管理体制，但其水文监测的精度要求及社会对水文监测的需求与我国不同，其对外公布的仅为单次测验成果，没有全国统一的资料整编。而且发达国家的防洪多采用保险制度，对水文监测的项目、频次和精度要求与我国有较大不同，其重点关注的是暴雨量级。当监测上游暴雨可能导致超过防洪水位时，就开始转移洪泛区内的居民，其损失由保险公司承担。

我国人口稠密，耕地有限，广泛采用堤坝方式防洪，基本未形成有效的洪水保险体系。当汛期大水时，精准的洪水预报、水库防洪调度、分洪破垸等决策对水位、流量监测精度或频次的要求极高，采用全面巡测方式无法解决流量观测的频次等问题。

在对比中外水文监测特点的基础上，本文提出了“驻巡结合、巡测优先、测报自动、应急补充”的水文测验管理体系[1]。该体系既有别于欧美发达国家的全面巡测模式，能提供更高精度和更实时的水文监测成果；又有别于前苏联的驻守模式，可更广泛地收集水文信息，满足社会各方面的需要。特别是针对我国自然灾害频繁、人口众多的特点，文中提出了水文应急监测作为水文测验管理体系的补充方式，补充了我国水文监测体系的内容。

2.2 水文监测服务体系

不同的社会需求均会对水文监测体系产生不同的影响，评价水文监测体系优劣与否主要应判断其是否满足实际需求。本文从不断变化的防汛减灾、工程建设、生态保护以及新兴的水资源管理、突发时间应急监测等方面对水文的真实需要出发，确定其对水文测验的范围、种类、质量、时效的相关要求，创新水文监测体系中的站网布设、测验方式、技术手段、仪器设备等，以便切实满足社会真实需求。

水文测验工作的主要功用是为水文分析计算提供基本资料。《水利水电工程设计洪水计算规范》规定：“工程地址或其上、下游邻近地点具有30 a以上实测和插补延长的流量资料，应采用频率分析法计算设计洪水。”从需求分析的结论来看，水文分析计算的成果基本上只是由历史特征值和典型过程决定的，其余的资料甚至多余的几十年的时间序列资料，对成果的影响微乎其微。然而，水文测验并没有因此优化测次，调整精度，研究者将这种现状形象地比喻为“麻袋上绣花”，绣工再精美，用途仍粗糙。这是值得深思的问题，也是创新研究的重点之一。

以分析水文分析计算的服务需求为例，通过数学理论推导和模拟计算，确定了各类创新因子(测次、测验方案、整编方法、仪器设备等)对水文分析计算成果影响的主次成分和敏感程度，摸清了水文分析计算成果与水文测验精度变化之间的误差传递和溯源规律[2]。通过水文资料误差控制的随机仿真方法，首次给出水文测验系列长度、测次控制、测验方式、测验误差等指标，是指导测验精度控制研究的基础。详细研究方法和结论见参考文献[1]和[3]，其研究成果已被新版《水文巡测规范》引用[4]。

2.3 水文监测技术支撑体系

水文监测技术支撑体系需要基础理论支撑和技术方法支撑。理论支撑是指发现满足新监测体系要求的水文流量、泥沙等关键因素的测验理论;技术方法支撑是指研发或改进满足新测验理论的技术方法、仪器设备(满足多测验因素协同的快速测量需求)。

2.3.1 基础理论支撑

巡测是创新的灵魂，而单值化是巡测的灵魂。由驻测向“驻巡结合、巡测优先、测报自动、应急补充”的水文监测管理体系转变，最重要的是水文巡测、应急监测技术的突破。两者均依赖于水位-流量关系的单值化处理。

2.3.1.1 水位-流量关系单值化理论

天然河流因受洪水涨落、冲淤变化、变动回水、水草、冰凌等多种因素影响，其水位-流量关系多呈不稳定的形态，其共同的特点是,同一水位下，有多个流量值与之对应。

水位-流量关系单值化方法包括落差指数法、综合落差法、特征河长法等。下面介绍在长江主要水文站应用较广的综合落差指数法。由圣维南非恒定流动量方程

(1)

推导出：

(2)

i=1,2,…,m。

式中：u为断面平均流速；Q为断面流量；A为断面面积；R为水力半径；S为水流比降；n为河道糙率;q为流量校正因素(单值化流量)；K1为顺逆流改正系数；K2为综合落差改正系数；h为水深；x为河长；g为重力加速度；α为落差指数；ΔZi为各辅助站落差；Kmi为各辅助站落差的权重系数；B为综合落差改正值(推导过程可查阅文献[1]和[5])。

式(1)和(2)即构成能适应洪水涨落、回水顶托、断面冲淤等各种影响水位-流量关系单值化处理的通用理论。以螺山站为例，在2009年实行水位-流量关系单值化之前，年均测流150次左右(图2)，实现单值化处理后，每年测流次数只需35～43次，2015年实际测流次数为40次(图3)。

图2 螺山站未单值化之前的水位-流量关系曲线

图3 螺山站单值化后的水位-流量关系曲线

2.3.1.2 异步测沙理论

实测悬移质输沙率需要同步开展流量观测。因此，如一次巡测要观测泥沙，每次对悬移质输沙观测均需实测流量，其工作量及测量时间就会增大，降低了巡测的时效。长江水利委员会水文局在1995年首创了悬移质泥沙与流量异步测验的理论与方法[6]，率先揭示了悬移质泥沙输沙率与部分流量历史权重的关系，解决了利用历史资料建立水位-部分流量权重关系的数学模型，从而实现了不依赖同步流量测验成果即可得到断面平均含沙量，成功解决了在不观测流量的情况下确保泥沙观测精度的问题，开展了悬移质泥沙与流量的异步测验，输沙率测次布置不再受测流历时的限制，构成了悬移质泥沙单独巡测的基础。

水位-流量关系单值化、异步测沙两大理论成为我国水文测验测次补充和年度资料整编的基础，同时解决了欧美发达国家全面巡测不能进行年度水文资料整编的难题。

2.3.2 技术方法支撑

开展巡测、应急监测，除要通过水位-流量关系单值化处理来解决测流次数精简问题外，实现流量的快速测验和测流载体的自动化，使现场快速、实时的在线测量充分融合是测量测验方法创新的方向。长江水利委员会水文局多年科研与实践的技术方法成果主要有：①流量测验方面。提出了在河底走沙、铁质测船、异常磁场等复杂条件下，用声学多普勒剖面流速仪快速准确地测验流量的整体解决方案，提出了受工程影响的潮流(潮汐)河段实时在线流量监测解决方案，既适用于常规水文测验，又可应用在应急抢险监测中。②泥沙测验方面。针对不同河段特性和泥沙特点，提出了OBS、LISST、浊度计、激光粒度分析仪等不同方法的现场快速、实时在线测验方法，将所有测验分析时间从传统的7～10 d，缩短至0.5 h，甚至实时；利用声学多普勒剖面流速仪的声学测量方法，探索出了用声学多普勒剖面流速仪的测沙技术，实现了流量、悬移质泥沙同平台测验的融合。③水文测验载体自动化、智能化方面。研发了水文缆道测验智能控制系统、水文测船测验智能控制系统；发明了水文缆道偏角遥测技术和水文测船专用绞车和液压支臂装置。④在研制悬移质、河床质测验设备方面。研发了AYX2-1型调压积时式悬移质泥沙采样器，解决了缆道泥沙测验的精度和时效问题；悬移质采样器四通开关阀防沙装置、OBS工作状态检测器、沙质推移质采样器、插管式干容重采样器等均获专利授权；研制了沙质推移质采样器、卵石推移质采样器、河床质采样器、干容重采样器等仪器设备，完成了测验项目的全覆盖。

2.4 水文监测质量控制体系

新时期水文工作已从技术导向型向服务导向型转变，从数据服务型向成果服务型转变，从行业水文向“大水文”转变。这种转变使水文工作的质量、效率、服务对象与方式等发生了巨大变化，对水文组织的管理、服务和效能建设提出了更高要求，需要采取一种更加科学系统的方式进一步加强水文质量管理。

ISO质量管理体系，为水文组织建立管理有序、操作规范、公正透明的水文质量管理体系提供了规范、科学、有效的管理方法。2002年，长江水利委员会水文局引入了ISO质量管理体系并通过认证。10多年来，长江水利委员会水文局按照ISO9001标准要求[7]，构建、运行本单位的质量管理体系，摒弃一些传统管理的不足，建章立制，不懈探索，持续改进，使本单位管理理念与模式逐渐融入和符合ISO标准要求，促使全局的能力建设、管理水平、产品质量和服务水平显著改善。

3 新常态背景下水文面临的新问题

长江水利委员会水文局在水文监测体系创新上已取得阶段性成果，以后需进行水文测验方式方法和技术创新方面的研究，并在解决新常态背景下水文面临的新问题上下功夫。

3.1 水生态监测问题

“党的十八大”首次将生态文明纳入社会主义现代化建设“五位一体”的总布局中，水是生命之源，是发展之本，水生态文明是生态文明的核心组成部分。习总书记提出坚持“绿色”发展，必须筑牢生态安全屏障，实行最严格的环境保护制度。而水文信息是建设水生态文明制度、水生态安全屏障、水生态环境质量评价体系的重要依据。建设覆盖水量、水质、生物等水生态要素各个方面的水文监测网络，是保障水生态环境保护与修复顺利实施的重要手段，是水生态文明建设、最严格环境保护制度取得成效的保障。

与地表水、地下水等监测工作相比，水生态监测是水文业务工作中相对薄弱的环节。2012年起，长江水利委员会水文局用3 a的时间完成了水质能力提升工作，累计投资近亿元，配备了大型仪器设备100余套，拓展了有毒有机物、地下水水质监测、水生态试点监测(浮游植物、浮游动物、着生藻类、鱼苗及鱼类监测)等监测内容，参加了中华鲟生活环境DNA调查取样，今后将继续在省界、重点水功能区、水源地以及敏感水域增加布设水生态监测站网。

3.2 水资源中长期预测预报

解决好水资源与水资源安全问题，事关我国“四个全面”的战略布局，事关国家的长治久安。中央在“十三五”规划建议中已为水资源管理工作明确了方向：“实行最严格的水资源管理制度，以水定产，以水定城，建设节水型社会。实行水资源消耗总量和强度双控行动。”针对这些水资源的管理要求，需要有较长的预见期以及更准确的水资源量预测，以供决策者定制管理计划和提高管理效率。对于水资源中长期预报工作，笔者认为，首先要从中长期水资源预报面临的问题出发，开展受人类活动影响的观测资料还原再现、水库群的联合优化调度以及全球气候变化等对水资源量预测影响的各项研究。其次要提高模型预报水平和分析方法，深入研究如何采用降尺度处理技术，对大尺度气候模型的预测产品进行时空尺度转换和统计校正，并实现气候模型与区域水文模型或水量平衡模型的耦合应用，实现更长预见期、更精确的水资源量预报。

3.3 海绵城市与城市发展

城镇化过程改变了区域水文规律，也改变了原有水生态状况以及生产生活用水结构。城市下垫面发生变化，暴雨产汇流过程明显改变，一线、省会城市“看海频繁”，雨水资源大量流失、水质型资源短缺、水生态系统严重退化成为新常态下城市水资源利用亟须解决的问题。通过引进“海绵城市”的概念，实现对城市雨洪弹性管理和利用，以提高城市适应环境变化和应对自然灾害的能力。对于水文研究者，不仅要建立适应城乡发展的监测站网体系，在城市暴雨洪水、城市防洪排涝、城市供水用水、城市水生态环境和城市地下水方面加强水文监测；同时，还要结合区域气候特征，加强水文过程变化研究，加强分析不同下垫面条件下的产汇流计算，开展适合城市水文特点的理论研究。海绵城市与城市发展建设赋予了水文发展新的需求和机遇，需进一步拓展其社会服务职能，推进“社会水文”的发展。

3.4 加强水文信息化建设

大数据、物联网、移动互联网、云计算等新技术给水文信息化带来了前所未有的机遇和挑战。如何让水文借助信息化发展的“东风”，进一步提高水文信息的准确性、时效性；如何找到新的外部需求点，创造更多的市场效益和社会价值；如何让更多的人认识水文、了解水文，扩大水文行业的社会影响力，都是当前水文行业发展的迫切需求。

2015年初，长江水利委员会水文局根据“大水文”发展需求，依托信息网络新技术，力争用3 a时间基本建成包括“数据资源一个中心”“信息共享一张图”“应用服务一个平台”的水文信息化工程。为水文信息发展提供有力的信息化支撑，是打造“智慧水文”的关键。目前，长江水利委员水文局实现了综合办公平台(含移动办公平台)在局机关与7个外业勘测局“1+7”的互联互通，完成了水环境监测实验室信息管理、长江水文数据服务、长江上游水库群信息共享平台、长江防洪预报调度等系统的建设，信息共享“一张图”初具雏形。

3.5 加强科技创新及生产力转化

“党的十八大”明确提出：“科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，必须摆在国家发展全局的核心位置。”强调要坚持走中国特色自主创新道路、实施创新驱动发展战略。水文发展要重视科研和创新，也要重视科研成果的转化，加快科研成果转化为生产力。新仪器在水文测验中的作用至关重要，然而这些仪器设备均从国外引进，导致其成本居高不下、技术受制于人等诸多问题。要解决这些问题，国产化是唯一的方向。国内企业已经具备一定的研发实力，但由于受产业机制制约、市场门槛过低等因素的影响，高端水文新仪器的国产化一直步履维艰。

长江水利委员水文局近年来采取一系列措施，加强高级技术人才的引进，加强国家重点科研项目的申请力度；同时，积极为国内企业开展战略合作提供技术支持、试验服务和市场预期，促进水文新仪器的国产化，促进科研成果转化为生产力。

3.6 水文自身的和谐发展

近年来，随着大水文、大服务的不断推进，水文服务内容和范围在不断拓展，防汛抗旱测报预报工作已由过去的季节性工作变成了当前常态化的日常工作，水生态监测范围和内容不断拓展，最严格水资源管理制度“三条红线”考核的监测业务也逐年增加，城市防洪排涝、水资源及水安全支撑需求也越来越多。水文部门人少、事多、缺编的问题越来越突出，传统的水文体制机制已越来越不适应事业发展的需要，倒逼机制带来了水文体制的深刻变革：迫切需要运用创新思维，创新用人用工方式，推行社会购买服务新模式；迫切需要水文服务向“深加工”方向发展，提高高层次专业人才的比重，支撑社会对水文服务多元化的需求，实现从“哨兵”到“侦察兵”的转变；迫切需要正确处理好改革发展与稳定的关系，提高内部管理水平，实现“和谐水文”。

4 结语

结合上述新常态背景下水文面临的新问题，长江水利委员会水文局提出了构建“四个水文”的发展目标，一是要紧贴经济社会发展新常态，突出社会服务职能，推进“社会水文”；二是紧扣现代水文发展新方向，服务生态文明建设，构建“绿色水文”；三是紧跟科技发展新步伐，坚持科技引领，发展“智慧水文”；四是坚持机制体制创新，强化内部管理，实现“和谐水文”。长江水利委员会水文局已将“四个水文”融入长江水文发展的“十三五”规划中，并在不断探索与实践中逐步完善、逐步推进。

[1]王俊，熊明.水文监测体系创新及关键技术研究[M].北京：中国水利水电出版社，2015.

[2]熊莹，张洪刚，张明波.水文资料误差分布特性及随机模拟[J].水文，2011,31(增刊1)：137-139.

[3]熊莹，张洪刚，张晶.水文测验技术创新满足水文分析计算的需求研究[J].水文，2010,30(6)：37-41.

[4]长江水利委员会水文局.水文巡测规范：SL 195—2015 [S].北京：中国水利水电出版社，2016:7-9.

[5]葛维亚，罗学琪，唐佩文.稳定河床水位流量关系单值化处理方法及其应用[J].人民长江，1981(2):1-4.

[6]李厚永.用水位-部分流量权重推求断面平均含沙量探讨[J].人民长江，1995(2):22-24.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.质量管理体系要求: GB/T 19001—2016 [S].北京：中国标准出版社，2016.

(责任编辑：杜明侠)

Practice on Innovation of Hydrological Monitoring System for the Yangtze River and Analysis on Directional Problems

XIONG Ying， WANG Jun

(Hydrology Bureau, Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China))

In order to satisfy the demands of the operation and management of massive new hydrologic network and the development of “big hydrology”, to improve human resource allocation efficiency, on the basis of multi-year experience in Yangtze River hydrology′s development and innovation, we put forward to set up four systems of hydrological monitoring innovation, which included the hydrological monitoring and management system, the hydrological monitoring service system, the hydrological monitoring technology supporting system, and the hydrological monitoring quality control system. At the same time, we also expounded the facing new problems and new directions of hydrology under the current background of the New Normal of China and at the sides of water environment ecological monitoring, medium-long term prediction of precipitation, hydrological information construction and sponge city and urban development, etc.

the Yangtze River; hydrology test; the innovation of hydrological monitoring system; New Normal of China

2016-10-20

熊莹(1983—),女,湖北安陆人,高级工程师,硕士,从事水文水资源分析方面的研究。E-mail:xiongy@cjh.com.cn。 王俊(1958—),男,江苏常州人,教授级高级工程师,硕士，从事水文水资源分析方面的研究。E-mail:wangj@cjh.com.cn.

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.003

TV123

A

1002-5634(2017)02-0011-05