宁夏季节性河流水文水资源信息化监测的探索与思考

李晓花 马永刚 杜 历

(宁夏回族自治区水文水资源监测预警中心，宁夏 银川 750001)

水文水资源监测是通过一定的技术手段和方式长期采集获取各类水文要素数据的技术体系，并对这些水文要素数据进行计算、分析和整编，为水资源的评价和合理开发利用，以及工程建设规划、设计、施工、管理运行及防汛、抗旱等提供技术依据[1]。随着信息化的快速发展，宁夏共设有水文监测站点1858处，其中水文站174处(基本水文站39处、专用水文站135处)、水位站151处、雨量站927处、蒸发站21处、墒情站57处、地下水监测站321处、水质监测断面116处、定点洪水调查断面46处、黄河视频监测站45处。现有水文站网中，雨量、水位已全面实现自动在线监测，引黄灌区17处干渠取水断面已实现流量在线监测全覆盖，天然河道有4处已实现流量自动在线监测。宁夏水文监测方式也逐步由传统人工监测逐步走向信息化、自动化监测的新时代。随着黄河流域生态保护与高质量发展先行区建设、河湖长制管理、水旱灾害防御以及水利和经济社会对水文水资源监测的需求越来越高，宁夏水文水资源信息化监测依然存在一些短板与不足，还需要不断创新思路，构建人工监测与自动监测相结合、相补充的多样化智能化的水文水资源监测体系[2]。

1 季节性河流水文水资源监测短板分析

1.1 监测断面条件复杂

宁夏季节性河流水文监测站网站点面广线长，标准化监测断面数量不多，很多河流监测断面冲淤变化剧烈、大部分排水沟监测断面沟底受水草丛生干扰影响监测数据精度。

1.2 监测采集端信息化程度较薄弱

虽然宁夏水文水资源信息化监测有所发展，但从现状水文水资源监测站网体系来看，仍未实现全要素全业务全流程信息化监测。大部分水文要素采集仍主要依靠人工现场操作常规仪器进行，信息化程度较低，特别是高含沙量河流其泥沙等自动在线监测技术尚不成熟，已建信息化设备运行维护经费紧缺等，严重制约水文水资源监测采集端信息化发展。

1.3 监测数据云处理、云计算体系不完善

水文水资源监测数据云平台集成、云计算是提升水文服务品质的核心与关键，宁夏水文水资源数据服务产品模型化、定制化体系还未建立，一些水文基础数据分析工作量大且存在重复性，水文数据服务共享及信息化管理体系仍不完善。

1.4 课题化、项目化监测研究不充分

随着水文水资源监测服务领域不断拓展，水利和经济社会对水文数据的需求更加灵活多样，对数据处理的效率和质量要求越来越高，仅以传统的思维布局水文站网与监测，常规手段开展监测和数据服务，难以满足水利和经济社会发展对水文水资源数据的各类需求。

2 信息化监测的思考与探索

宁夏面积不大，河流水网稀疏，大部分河流(沟道)洪水期流量陡涨陡落，每立方米含沙量高达几百千克，而平水期流量非常小，水流清澈。河流(沟道)监测断面流量从平水期不足1m3/s到洪水期每秒成百上千立方米，河流水量量级变化较大，因此，水文水资源监测情况复杂、难度较大。为全面高效提供水文数据服务，本文从测站布设、监测模式、降水监测格局、泥沙信息化监测等方面进行了探索，提出如下建议。

2.1 构建灵活机动的监测服务体系

近年来宁夏水文站网增长很快，水文站网已覆盖主要河流、沟道等水体，但还没有完全实现全要素监测信息化。

宁夏水资源匮乏，河网稀疏，有些河流沟道常年干涸无水，在无水河流沟道大范围增建固定的水文站网和信息化监测站网，投资巨大。建议今后在水文水资源监测站网规划与拓展时综合地域和流域实际，因地制宜地考虑水利和经济社会的切实需求、技术成熟度、运维经费支撑保障能力等因素，稳步推进固定水文站网的扩充建设。

拓宽水文水资源监测服务体系建设创新思路，充分发挥资金、设施、人员和技术的最大效能，以监测与科研实验为主要内容，打造信息化的多要素水文水资源监测移动实验站，提升水文水资源监测的机动性，提高监测覆盖面，不断满足社会各界对水文水资源监测数据的多样化需求。同时要积极尝试根据社会需求开展课题化、项目化、机动化的水文水资源监测数据采集服务模式，提高水文水资源信息化监测设备的重复利用率，丰富水文水资源监测形式，从而拓展水文水资源监测服务范围，历练培养水文人才队伍，扩大水文社会影响力[3]。

2.2 探索分类施策的流量监测模式

宁夏河流(沟道)流量监测影响因素较多，且点多面广、类型繁多，技术要求和数据的需求都不尽相同，要积极探索研究“按需定级、分类施策、逐步推进”的新方式以解决季节性河流流量信息化监测问题。

2.2.1 平水期生态流量监测

宁夏季节性河流平水期流量系列资料是分析确定生态流量、水资源开发利用、推进水生态保护的重要数据支撑，所以平水期水文水资源监测数据十分关键。平水期大部分河流沟道流量在1m3/s以下，部分甚至在0.1m3/s以下，监测难度大，目前平水期的水文监测信息化程度不高。研究解决好季节性河流平水期生态流量监测信息化能力问题就显得尤为重要。可在河流沟道中建设标准化复式断面或仪器安装平台，消除仪器设备抗冲击、防淤积等不利应用条件，采用声学多普勒ADCP、电磁流量计等设备来解决复杂流态流量监测问题。

2.2.2 灌区取水口流量监测

灌区取水干渠流量监测断面大部分为标准化断面，水流条件相对较好，较容易实现流量信息化监测。可应用较成熟稳定的声学多普勒ADCP、雷达流速仪、电磁流量计等信息化监测仪器，通过比测率定建立和优化算法模型参数，实现水量信息化监测数据采集传输。宁夏2020年引黄灌区17处干渠取水口断面全部实现了自动在线监测(其中15处多垂线定点雷达自动在线、2处双垂线定点ADCP自动在线)，重点是研究解决了含沙量、风向风力等不同影响因素下算法模型参数调整、过水断面变化数据更新、云数据库集成分析与数据实时共享服务等内容，提升了灌区水量监测数据质量、效率和数据传输的可靠性。

2.2.3 灌区排水沟流量监测

影响排水流量监测数据因素较多。灌区排水沟道水系受地方沟道整治、人工湿地和塘坝建设等影响较大；灌区排水水资源再利用情况复杂；排水沟水文监测断面沟底水草丛生，严重影响流量监测精度；排水沟监测断面水流变化复杂，易受黄河水位顶托影响，根据顶托的程度会出现壅水、顺流、停滞、逆流等复杂的流态；排水沟监测信息化程度较低，人工巡测经费成本较高。

根据灌区排水沟监测存在的不同问题根源，思考通过排水沟水系调查与监控管理解决排水水资源再利用问题；建设标准化量水断面解决水草丛生影响监测的问题；应用声学多普勒ADCP、电磁流量计等信息化监测仪器解决复杂流态流量监测问题，形成具备监测不同流态状态的灌区排水沟流量监测技术。

2.2.4 基本站点洪水流量监测

国家基本水文站资料系列较长，监测数据是水文水资源分析研究的主要支撑，监测精度要求比较高。要结合西北多沙季节性河流水文水资源监测的实际需求，确定主要的研究方向，通过建设标准化断面，引进性能稳定的定点雷达、视频图像识别等信息化监测设备，开展同步比测精度分析，率定不同水体情况及风向风力等气象条件下的算法模型参数，形成“自动监测为主、人工监测校准”的水文水资源监测新模式，不断提升流量自动在线监测精度与质量，拓展水文技术服务领域。

2.2.5 预警站点洪水流量监测

仅承担防洪预警类功能的河流(沟道)流量监测站点，可适当思维靠前，应用“天空地”立体的智慧水文水资源监测技术。天基预警，应用导航卫星定位及数据传输，应用遥感卫星开展洪水演进监测和预警；空基巡察，根据应急监测需要，对未控地区采用无人机等平台加载信息化监测设备开展水文水资源监测与巡察；陆基支撑，应用雷达侧扫、图像识别等智慧水文水资源监测技术来实时监测预警，达到灵活高效地开展水文水资源信息化监测预警服务。

2.3 建立点面结合的降水监测格局

未来的智慧水文水资源监测体系中的降水监测应当是点面监测结合、点面监测互补、点面监测共荣的发展态势。一方面要把现有自动雨量站信息化设备不断升级，提升信息化监测能力，形成长系列的雨量监测资料，为开展水文水资源研究、防汛预警预报提供数据支撑。另一方面，要积极探索建设高分辨区域面雨量自动监测系统，为山洪易发区突发性暴雨洪水、重要城市防洪、流域生态降水等水文水资源监测提供定量、及时的区域面雨量监测信息，同时弥补单点雨量站监测站网空白问题，解决高密度安装点雨量站对生态环境影响的矛盾。

2.4 创新泥沙信息化监测应用

宁夏中部地区原州区到同心县，为黄土沟壑泥沙严重流失区，由于降水集中，土壤常年干燥，植被少，一次暴雨产生的水土流失相当严重，多年平均含沙量在100～400kg/m3，蒲河流域安家川河代表站米家川水文站最大含沙量1030kg/m3，出现在1993年。宁夏同心县以北的丘陵区，为风蚀为主的风沙干旱区，水蚀现象相应减少，多年平均含沙量在200～300kg/m3。清水河下游泉眼山水文站最大含沙量1160kg/m3，出现在1982年。宁夏北部贺兰山区由于大部分地区为石山林区，土层较薄，水蚀较小，贺兰山东麓代表站苏峪口水文站最大含沙量724kg/m3，出现在1994年；汝箕沟水文站最大含沙量563kg/m3，出现在1997年；大武口沟水文站最大含沙量474kg/m3，出现在1991年。宁夏各河流沟道洪水期含沙量均较大。

国内泥沙监测设备普遍适用于含沙量较小的河流水系，目前含沙量达100kg/m3以上的泥沙信息化监测技术尚不成熟，应用不够广泛。宁夏河流沟道洪水期含沙量均在100kg/m3以上，为了实现泥沙自动在线监测，必须采取引进技术与自主创新相结合的方式，主动探索适应西北高含沙量河流自动监测的方式方法，从思路和技术上解决泥沙信息化监测问题。目前结合宁夏区域实际创新采用随机自动取样，非接触式置换法处理计算含沙量的方式可实现泥沙自动在线监测，减少高泥沙河流水草漂浮物、泥石流对自动监测仪器的影响。

2.5 实践基于大数据的智慧水文水资源应用体系

随着水文信息化建设的不断深入，数据信息量会越来越大，新的问题也会随之而来，测控平台繁杂问题，设备系统管控运维问题，监测数据接收汇集、数据分析处理应用问题，数据成果共享问题等将不断出现。建立基于云平台的水文水资源大数据分析服务平台，分布式构建水文水资源监测数据池、数据仓，充分应用大数据、云计算技术，实现所有水文水资源监测数据、工况数据、运行维护数据的汇集、存储、计算整编处理、质量管控、预警预报、分析研究、数据服务的水文水资源业务应用一体化，是发挥好水文水资源信息化监测服务作用的关键。

3 结 语

宁夏季节性河流水文水资源监测条件复杂，监测难度较大，本文重点研究解决宁夏河网稀疏、监测断面冲淤变化剧烈、水草干扰、泥沙含量大等因素影响下的水文水资源监测信息化建设思路和监测质量提升问题，同时提出创新推动“固定站网信息化升级，机动监测灵活补充”的多样化水文水资源监测体系，为今后拓展无常流水的空白区水文水资源监测提供参考，更好地为水旱灾害防御、水资源开发与管理、河湖长制落实、水生态保护与治理，提供更加全面准确高效的水文水资源数据服务。