新模式下水文监测技术的现状及未来发展趋势

2020-01-16李敏欣

黑龙江水利科技 2020年2期

李敏欣，鲁祥

(河海大学，南京 210098)

0 引言

《中华人民共和国水文条例》中对水文监测定义如下：是指通过水文站网对江河、湖泊、渠道、水库的水位、流量、水质、水温、泥沙、冰情、水下地形和地下水资源，以及降水量、蒸发量、墒情、风暴潮等实施监测，并进行分析和计算的活动。水文监测是直接获取各项水文数据的重要手段，是水文工作的数据源，是开展水文服务的必要前提，是水利现代化建设的排头兵。2016年水利部印发了《关于深化水文监测改革指导意见》的通知，强调水文监测是服务经济社会发展和生态文明建设的重要基础性工作，提出改革主要内容是水文测验方式改革，改革重点工作是优化测验方式，提高管理水平。新时期水利建设对水文监测提出了更高要求，需要建立“驻巡结合、巡测优先、测报自动、应急补充”的水文监测新模式，为我国今后数年的水文监测发展指明了方向。

1 水文监测系统的新模式

当前中国治水的主要矛盾已经从人民群众对除水害兴水利的需求与水利工程能力不足的矛盾，转变为人民群众对水资源水生态水环境的需求与水利行业监管能力不足的矛盾。水文监测也要适应这种转变，针对这一矛盾，新模式下的水文监测有其新的特点。

1.1 巡测优先，驻巡结合

新形势下，水利行业及社会各行业对水文基础数据需求量大增，水文监测的控制点和断面数量大幅增加，完全依靠建设水文测站不现实，通过大力发展巡测技术和系统，可以较好的解决这一问题。巡测的主要内容有流(速)量、泥沙、水质等水文要素，巡测可以通过巡测车或巡测船，配备针对性的水文监测设备，有条件的可以配备通信设备将检测数据实时发送到接受中心，供水文数据系统及时处理。

1.2 自动测报，远程管理

信息技术和互联网的快速发展，为水文监测技术智能化提供了可行性，使水文监测设备的运用更实用、可靠、安全、简单。水文自动测报系统包括自动采集数据的自动化传感器、遥测终端机，传输和处理实时水文信息的通信设备和接受处理装置等设备，以及远程管理系统，包括水文监测系统软件等。自动测报远程管理有利于发展检测站点无人化，解放生产力。

1.3 应急监测，快速响应

中国是自然灾害频繁的国家，突发性水灾害事件造成的损失巨大，如水库出险、堤防决口、堰塞湖、泥石流、突发性水污染等。水文应急监测可以为政府面对这些突发事件时提供决策的依据，提高响应速度，降低灾害的损失。水文应急监测中常见的设备为免棱镜全站仪、手持GPS、手持ADV、走航式ADCP、超声测探仪、激光测距仪等，此外应急监测体系、应急监测保障机制、应急监测预案准备等也对突发自然灾害的监测效果起到重要作用。

2 水文监测技术的现状

经过改革开放40a的建设发展，中国水文事业取得了长足进步，目前，共建设有各类水文测站12.1万处，站网密度达到了中等发达国家水平，实现了对基本水文情势的有效控制。2018年，全国水文系统报送各类水雨情信息9.64亿份，发布洪水预警835次，为科学防御水旱灾害提供了坚实的技术支撑。随着中央逐步加大水文基本建设投资，水文能力建设持续加强，水量、水质、水生态监测体系不断完善，水文服务向纵深发展。水文监测从对大江大河的控制延伸到重要中小河流全覆盖，国控水功能区监测覆盖率达到90%，覆盖全国的水质监测体系初步形成。地下水监测和土壤墒情监测覆盖范围显著拓展，基本建成覆盖江河湖库、总体布局合理、观测项目齐全、整体功能较强的水文站网监测体系，实现了对基本水文情势的有效控制。

水文监测方式不断改进，基于超声波、雷达、对地观测系统、信息网络的新技术、新装备、新方法不断应用和推广，声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、电波流速仪、超声波测深仪、全球定位系统(GPS)等大批水文先进技术和仪器设备得到广泛应用，雷达测雨、无人机、遥感遥测等新技术应用成果丰硕，水文监测的自动化与信息化水平大幅提升。目前，水位、雨量已全部实现自动测报，水文应急响应能力和应急监测时效性可靠性大幅提升，水文应急监测体系初步形成。

2.1 国外水文监测技术现状

在世界几个主要国家中，发达国家的水文站网密度较大，远高于世界气象组织推荐的容许最稀站网密度。大多数水文站配备自动采集和自动传输设备，自动化程度高，水位、雨量等水文要素基本实现了自动采集、自动测报。发达国家对单个水文测站的时效性、准确性要求不是太高，水文测员少，其流量、泥沙等均为巡测方式，1人或数人开展某一区域较多水文测站的巡测工作。技术方面，发达国家大多通过水平式声学多普勒流速仪、超声时差法实现了流量实时在线侧流或采用流量快速测验技术。美国目前以自动化仪器采集和巡测相结合为主，大部分是只有一个数据采集平台(DCPs)和1-3个水准标点，大量水文站使用水平式ADCP进行流量在线监测，或使用走航式ADCP施测流量。用于水文测验的巡测车、测量船功能强大，水位、雨量全部实行了自记、数据自动存储及传输，流量多采用ADCP(ADPADV)测验，差分GPS、激光测距仪、红外水温测量仪、压力式自记水位仪为主，使用效率非常高。测沙设备主要有积深式、选点式、横式、泵式等。在数据处理方面，意大利建立了覆盖全国的实时水文数据采集通信网，90%以上的流域机构所属站网与中央系统实时联网，进行数据共享。美国水文在线监测数据采用以卫星传输为主，其他方式为辅的传输数据方式，水文站将水文数据实时自动传输给数据收集平台，由平台自动发送至地球同步环境卫星(GOES)，再传送给地质调查局总部的数据接收分析处理系统(DAPS)[1]。

2.2 中国水文监测技术现状

近年来随着水利部“大水文”战略及出台多项水文发展政策，水文监测新技术、新设备、新方法不断推出和应用，如声学多普勒流速仪(ADCP)、电波流速仪、超声波测深仪、全球定位系统(GPS)、雷达测雨、无人机测流、遥感遥测、可视化3D监测等，水文监测的自动化与信息化水平大幅提升。建立高质高效的水文监测新模式，60%水文站开展了巡测，12%为巡驻结合。

2.2.1 遥感技术的应用

对地表水流量进行监测时主要采用遥感监测技术，如地基雷达监测和航天航空雷达监测，前者布置在岸边桥旁，通过该设备监测过程中接收器和发射器之间的传播差对流速进行监测，后者主要结合遥感技术的特点，对流速、水深等进行监测，全方面了解水体的各种情况。由于该技术的优势，其主要的应用地区属于人口稀少且气候条件恶劣的高寒地区[2]。对地下水水位进行监测时，可以根据具体情况选择人工监测和自动监测2种方法，2种监测方法相比较而言，遥感监测技术的监测质量和效率较高，能够全面的对地下水资源进行实时监测，避免出现遗漏的现象。

2.2.2 ZigBee和GPRS技术的应用

ZigBee技术在水文水资源监测过程中可以根据其自身的特点实现监测数据信息的短距离传输，而GPRS技术在水文水资源监测过程中可以实现水文监测数据信息的远距离传输，基于此，在水文水资源监测中应用以上2种先进的技术，在一定程度上能够实现优势互补，充分发挥2种技术的应用优势，从而扩大水文水资源的监测范围。此外，ZigBee技术属于无线传感网络技术，在应用过程中不会产生相应的费用，因此在一定程度上降低了该技术应用的成本，节约了水文监测的成本。而GPES技术属于网络传输技术，该技术只有在传输数据的过程中才会产生相应的能量，所以从某种程度上讲，降低了能源的消耗。总而言之，在水文水资源监测过程中应用ZigBee和GPRS技术能够实现短时间的监测，进一步提高监测效率和质量[3]。

2.2.3 3S技术的应用

3S技术将RS、GIS和GPS技术进行了整合，将三大技术的优势结合在一起，提高水文水资源监测技术的整体质量。在3S技术应用过程中：①通过RS对水资源地表信息进行扫描，实现水资源远距离的监测；②通过GIS技术将搜集到关于水资源的相关信息内容进行整理分析，然后将整理结果上传到计算机设备中，为工作人员提供依据，使其能够掌握水资源的地理信息；③通过GPS技术对水位资源的地理位置进行准确定位。3S技术的应用为水文水资源监测工作提供了一定的便利，提高了工作效率[5]。

3 当前水文监测技术应用效果存在的问题及应对措施

3.1 水文监测技术应用效果存在的问题

1)通过信息技术对监测到的信息资料和最初的监测资料的对比常出现差异，降低了对比结果的可信度，两者也缺乏有效的整合技术手段，只能由工作人员对监测资料中反应出的问题进行逐一排查，增加了工作人员的工作量，降低了问题排查的效率。水文资料整编、汇编的自动化水平较低，整编的时效性、可靠性不够。

2)传统的水文监测设备已不能满足水文监测新模式的应用要求，急需相关部门的政策支持下积极引进先进的监测设施，提高监测技术应用的效果。

3)由于人类活动如水利设施的建造在一定程度上改变了河流状况，使得水文要素不稳定，影响了水文监测数据分析的准确性，降低了监测质量。

4)由于科技发展的快速，更由于水文监测新模式的涌现，现代水文监测技术设备和方法的更新换代加快，需要相关监测人员拥有较高的专业素质和实践操作能力，但现实中有不少工作人员达不到这一要求，由于对新技术的应用了解不深而导致的监测结果与实际情况存在差异，降低了该技术应用的效能。

3.2 应对措施

针对上述水文监测存在的问题，文章给出的建议是：

1)加大监测数据的日常比对和分析，不过分依赖计算机技术，需工作人员对监测的实时数据进行逐一核对，提高监测数据统计结果的真实性和有效性。对水文资料采取及时整编，日清月结，及时开展上下游及相邻测站水沙平平衡对照，简化流程提高效率。

2)通过政策的连续性、财政投入，并根据不同地区的具体需求，加快现代化监测设备的建设，适应水文监测新模式，同时对监测设施进行定期的巡检和维护，保障水文监测各项工作的高效开展。

3)对水文监测工作的方式进行创新，根据相关人员对监测结果的分析，了解不同地区水资源的具体应用情况，制定针对性的解决方案，如跨地域调水工作，对水利工程的建设进行有效的控制，降低人类活动给水文监测结果的影响。

4)加强监测人员综合素质教育，提高他们的专业理论知识和水文监测技术应用能力，如定期开展专业讲座和培训、提高监测人员入职的考核标准、加强职业道德教育培养服务意识和责任感等。

4 水文水资源监测技术未来发展的趋势

信息化时代科技技术的发展速度不断加快，在大水文及水文监测新模式的背景下，为了适应时代发展的趋势，水文监测技术需要不断的创新，因地制宜推进流量自动监测，开展泥沙自动监测试点应用，推进水文全要素的自动监测，提高水文自动化、智能化水平，从而满足水利行业及全社会对水文监测“尖兵”和“耳目”的要求。基于此，在水文监测技术未来的发展中：①需要实现多种学科之间的综合和交叉，将水文与信息技术系统、生态学和经济学等进行有效的整合，如无人船及无人机的水质与水生态快速监测集成技术与设备，突发水污染事故应急监测与快速处置设备，以藻类、鱼类为关键指标的湖库水生态系统感知设备等；②不断提高水文水资源监测数据的采集能力和整理能力，结合气象雷达、监测站点和遥感卫星的特点，建立立体的水文水资源监测信息系统，保证水文水资源监测数据的准确性，提高预测风险的能力和应对风险的能力基于“互联网+”模式，研发集感知、仿真、诊断、预警、调控为一体的智能水网综合服务云平台和复杂含水层地下水补给预测预警与开采调控平台；③为了提高大江大河洪水预报预警和防洪工程体系实时联合调度能力，中小河流、山洪灾害、风暴潮及其增水预报预警技术，大范围干旱及其灾害监测分析和预测预警和风险评估技术，需要加快基于“天-空-地-水”多源信息的水旱灾害立体监测和同化分析技术，提升我国大江大河防洪减灾能力和调度决策水平。