高海拔江河源区水文监测现状与展望——以青海省水文监测站网为例

高 强, 王淑芝, 刘得俊, 王 霖, 李祥坤, 何灼伦

(1.青海省水文水资源测报中心,青海 西宁 810000; 2.青海省水利水电科学研究院有限公司,青海 西宁 810000)

水作为自然环境中最重要的资源要素,在生态环境保护和经济社会发展中起着重要作用.高海拔地区是重要的江河源区,低干扰保护下的自然属性是气候变化及其水文效应的指示器.作为反映水生态文明最直接、最有效的手段,水文监测工作承载着重要的任务和责任.笔者以青海省为例,分析目前水文工作中存在的问题,并提出解决办法及建议,以期为高海拔地区水文工作的开展提供参考.

1 水文监测现状

1.1 水文站网的布设

截至2020年12月,青海省水文水资源测报中心下设基本水文站35处、专用水文站18处、基本水位站1处、专用水位站26处、独立雨量站387处及地下水监测站140处.监测范围涉及长江、黄河、澜沧江和内陆河4大流域,其中,大江大河和重要支流(流域面积大于3 000 km2)的水文监测控制率为32.8%,有重点防洪任务中小河流(流域面积在200～3 000 km2)的水文监测控制率为52.8%.各类监测站点的统计见表1,水文站网的分布图略.

表1 各类监测站点(按流域划分) 处

1.2 水文要素监测手段

1.2.1基本水文站 基本水文站主要通过全年驻测的方式进行监测,个别海拔高的站点以汛期驻测或巡测的方式进行监测.目前,青海省89%的基本水文站属于全年驻测站;2处汛期驻测站分别是海拔为4 532 m的长江正源沱沱河站、海拔为3 450 m的大通河尕日得站,这2处站点的汛期(5—10月)通过驻测方式进行监测,非汛期(11月至翌年4月)停止监测;2处全年巡测站分别是澜沧江上的香达站、下拉秀站.

基本水文站的测报自动化程度较低,以人工监测和人工与自动监测相结合方式为主,主要测验项目有降水量、蒸发量、水位、流量、泥沙量.截至2020年12月,基本水文站的降水量、蒸发量、水位和流量的自动化监测占比分别为71%,13%,58%,23%,泥沙的自动化监测还未开展(表2).

表2 基本站主要测验项目监测能力现状

1.2.2专用水文站 近年来,共建设18处专用水文站,其中,13处为中小河流项目专用站,主要是提高山洪地质灾害防治能力和防洪预警服务水平,要求在5—9月监测,监测方式为巡测;1处为南水北调西线工程专用站,监测方式为常年驻测;3处为三江源生态监测项目专用站,其中,隆宝滩站的监测方式为全年巡测;雁石坪和曲麻河站在汛期(5—10月)的监测方式为巡测,在非汛期(11月至翌年4月)停止监测;1处为青海湖生态监测项目专用站,即泉吉站,在汛期(5—10月)的监测方式为巡测,在非汛期(11月至翌年4月)停止监测.

1.3 潜在问题

青海省位于青藏高原的东北部,境内的三江源与祁连山地区是我国淡水资源的重要补给地,拥有世界上最大面积的高寒草甸、高寒湿地、高寒灌丛和高寒森林等生态系统,是国家重要的生态安全屏障[1].目前,水文工作中主要存在以下问题.

1)水文监测网络系统不能满足经济社会发展的需求.当前,经济社会已进入快速发展阶段,对水文工作提出新的、更高的要求.青海省的水文监测工作,在服务水资源管理方面,存在地表水监测能力较强、地下水监测能力较弱,水量监测能力较强、水质监测能力较弱,自然水循环监测能力较强、社会水循环监测能力较弱的特点;在服务防汛抗旱方面,存在汛情监测能力较强、旱情监测能力较弱的特点;在应对突发水污染事件方面,存在应对能力较弱的现象;在服务城市水安全、水生态与水环境安全和科学研究等方面,存在监测体系不完善的问题.

2)水文站网的布设密度不能满足生态保护的需要.青海省先后成立三江源、青海湖和祁连山3个重点生态保护区并建设三江源国家公园.从生态保护方面看,自然保护区内流域面积处于1 000～1 500 km2的天然不断流河流都应进行水文监测,否则难以反映生态水文的演变.在青海湖、祁连山和三江源3个重要生态保护地,流域面积大于1 000 km2的河流分别有7,8,101条,已设水文(位)站的河流分别有3,5,11条,可看出三江源地区的水文监测密度较低.

3)高海拔地区的季节性驻测不能反映气候变化的水文效应.在青海省水文水资源测报中心所属的35处基本水文站中,33处站点的监测方式为全年驻测,占基本水文站的94%;有2处站点的监测方式为汛期驻测、非汛期停测,占基本水文站的6%.在18处专用水文站中,监测方式为全年驻测的有1处,占专用水文站的6%;在非汛期停止监测且河道出现连底冻的站有8处,占专用水文站的44%;在非汛期停止监测且河道畅流的站有9处,占专用水文站的50%.

研究显示[2—4],在气候变化的条件下,青藏高原径流演变的结果对枯季径流影响较大.大通河的水文分析结果显示,21世纪以来枯水期的基本径流相对于以往同时段的明显增加,尤其在20世纪80年代增加明显[5].在冻融期,受释水作用和蒸发量增加的影响,不同海拔高度的水资源量变化不同.高海拔地区径流过程的完整监测,是未来水资源评价的主要依据.目前,高海拔地区水文监测站点稀少且缺乏对枯季径流量的监测,同时低海拔地区的不断开发,造成不能对气候变化下水资源的演变进行全面、系统的分析.

4)缺乏系统的水文规划,从业人员技术储备不足.高海拔地区属于水文监测技术相对落后的地区.青海省已建成多个水文业务系统,但各业务系统建设分散,缺少全局性规划和标准,且系统之间兼容性差、共享和协同程度低.由于部分水文技术标准的制定、修订工作滞后,不能跟上水文监测工作改革的步伐,大大制约了先进技术手段和仪器设备的推广应用.同时,部分从业人员对现代化水文监测手段的重要性认识不足,习惯通过常规的缆车、缆道、人工、手工记载和计算等进行监测,虽然一些监测站配备了先进的监测仪器,但往往因为监测人员的技术储备不足,新技术和新设备没有真正发挥作用.

2 自动监测效果

1)夏季降水量和蒸发量的自动化监测效果良好.根据《青海省水文仪器对比观测分析规程(试行)》,自记雨量计对比观测实验方法使用的条件:分辨率为0.1 mm(0.2 mm)的雨量计,当降雨强度在0.1～4.0 mm/min时,排水量测量误差小于等于10 mm,绝对误差不超过±0.4 mm为合格;排水量大于10 mm时,测量相对误差不超过±4%为合格.日降水量的月、年合格率大于90%,5—9月最大日降水量、各月降水量及年总降水量误差小于等于±0.4 mm或±4%.在有观测降水量的34处基本水文站中,自2018年进行调试对比监测以来,对比监测合格站点有24处,占71%,说明对比监测合格站点的自记雨量计所采集数据是可靠的.分别在2019,2020年初对上一年调试对比监测合格的仪器所监测数据进行回顾性分析,各站点所采集日降水量的月、年合格率大于90%,5—9月最大日降水量、各月降水量及年总降水量误差小于等于±0.4 mm或±4%.说明调试对比监测合格的自动化监测仪器的性能较稳定,采集的数据精度高.另外,有10处站点目前处于仪器调试、故障排除和测量误差分析阶段.有387处独立雨量站属于中小河流项目,配置统一的自记雨量计,该批设备在出厂阶段已经过率定,监测数据满足水文行业标准的要求.

根据《青海省水文仪器对比观测分析规程(试行)》,自动蒸发器对比监测合格投入使用的条件:月、年蒸发量监测数据的合格率大于90%,月、一定时间段的蒸发量偏差不超过±10% .目前,自动蒸发器配置8套,2018年进入调试对比监测阶段,已有4套对比监测数据合格,占50%,因此对比监测合格的自动蒸发器所采集数据是可靠的.分别在2019,2020年年初对上一年调试对比监测合格的仪器所监测数据进行回顾性分析,各站点所采集月、年蒸发量的合格率大于90%,月、一定时间段的蒸发量偏差不超过±10%.说明经调试对比监测合格的自动化监测仪器的性能稳定,数据的精度高.另外,4套仪器处于调试、故障排除和测量误差分析阶段.

由于青海地区的冬季寒冷漫长,且性能优良的冬季降水量、蒸发量测定仪器匮乏,该地区冬季的降水量、蒸发量监测仍以人工监测为主.这是因为高海拔区的冬季气温较低,固体降水及结冰制约了降水量、蒸发量的自动化监测.

2)水位、汛期流量自动化监测结果良好.青海省使用的水位、流量自动化监测设备仅能自动监测水位和水面流速,而断面平均流速及大断面的监测数据仍需人工采集,且自动化监测仅适用于断面较稳定的监测站.青海省澜沧江流域的香达站和下拉秀站采用水位、流量自动监测设备,同步监测用走航式声学多普勒流速剖面仪(ADCP)进行现场流量校准.实验对比结果见图1,线上流量Q1与实测流量Q2的误差基本在5%内,个别偏离点误差不超过10%.

图1 实测流量与线上流量的关系

3)不能自动化监测泥沙的含量.高原地区河流坡降大,具有洪水暴涨暴落、断面冲淤变化剧烈、水流湍急及漂浮物多等特点[6].目前的泥沙自动监测设备有2类,一类是需先率定关系系数,另一类是可直接进行监测,这两类自动监测仪器在含沙量较小时测量的精度较低.对于青海省河流中泥沙量的测定,自动监测设备一年中绝大部分时间无法使用,仅适用于洪水期的监测.《水利部办公厅关于发布水文测报新技术装备推广目录的通知》中推荐的泥沙量监测设备仅有1种,但尚无在高海拔地区应用的示例,还需进行适用性分析.

3 水文监测展望

1)优化监测方式、手段和要素.构建“空天地一体化”监测网络.在监测方式上,以驻测为主,并向驻测、巡测、远程监控、调查、应急和航空航天遥感监测相结合的多方式、多层次的水文监测发展;在监测手段上,逐步淘汰落后、低效的人工观测设备,使用声光电等自动化、智能化、现代化的仪器设备监测;在监测要素上,从常规的水位、雨量、流量和水质等监测,向地下水、土壤水、生态水和城市用水等多要素监测项目拓展.

“空天地一体化”监测主要通过遥感数据反演获取可靠的水文数据,并与地面水文观测站数据互为补充和融合,实现对径流量、降水量、水位、水域面积、蓄水量、水下地形和水质等的高精度实时监测.同时以构建“空天地一体化”的水文监测体系为目标,加大遥感、视频等先进技术在水文监测中的应用范围,拓展监测空间,改变目前水文信息采集主要依靠地面水文站网的格局[7].

2)转变监测站建设方式,加强自动监测力度.在高海拔、环境恶劣地区,提高水文测报自动化水平迫在眉睫,刻不容缓.目前,新技术、新设备的应用为水文监测手段的提升创造了条件,便捷的公路网为水文监测模式的变革提供了便利条件,移动通信、光纤通信、卫星通信等为水文通信网络建设和信息传输提供了坚实的支撑.通过配置先进的水文监测新仪器、新设备,完全可实现水文要素的自动在线监测.对于新建站点,按巡测、自动站的标准进行建设,实现自动测报和无人值守,且仅作为获取数据的监测单元,而不作为管理单元.单站土建规模及大型监测设施要严格控制.对于改建的水文监测站,要注重技术手段的创新,淘汰落后的监测设备.在水文现代化建设仪器设备的配置中,充分结合监测站的特点和水文行业的技术标准,密切跟踪水文监测技术的发展方向,充分掌握设施设备的优缺点和适用性.同时,加强已投入使用仪器的分析总结工作,及时发现并分析各仪器的优缺点及有效数据的范围.

3)根据水文要素差异,科学配备自动设施.每种仪器都有其适用性,要从某一要素、某一阶段逐步开展水文现代化工作.降水量、蒸发量监测应根据相应标准的要求,改建或新建标准化观测场.在非冰期配备自动观测设备,实现对所有监测站降水量和蒸发量的自动监测和数据传输.在冰期,以人工观测为主,加强新仪器设备的选型、调研和对比监测工作,争取早日实现对降水量、蒸发量的全年自动监测及其数据传输.

水位监测设备按人工、自动监测各1套的原则进行配置,且人工监测设备作为自动观测设备的日常校核和应急补充.对于河道较宽且主流摆动频繁的监测站,配置视频水位监测系统;对于河道较窄且主流摆动频繁的监测站,安装雷达式水位计,并制作支架,根据主流量位置,随时调整探头位置;对于断面稳定、冲淤变化较小的河流,安装雷达式或气泡式水位计.

各站流量监测设施应配备2套,分别针对中低、中高水位且做到有效衔接.对于断面较稳定的监测站,通过配置自动监测流速设备,同时配置流量(大断面)监测设备,用于自动监测设备的率定及大断面的数据测量工作;对于断面不稳定的监测站,不宜只配置自动监测流速的设备,应优先采用走航式ADCP或全自动缆道测流系统.根据青海省的河流特点,因部分监测站的流量监测仍依赖缆道缆车,故缆道缆车监测设备还不能完全取消.

青海省一年中大部分时间河流的泥沙量较小,泥沙量的自动化监测存在技术问题,应密切关注新仪器设备的发展趋势,且对于满足工作需要的自动化监测设备及时开展调研、选型和对比监测工作.同时,根据监测站特性及水文行业标准要求,适当减少人工监测次数或对监测方案进行调整.

4) 加强系统平台建设,提升综合业务能力.水文监测现代化离不开一个涵盖各项业务应用且全面、兼容、智能的综合服务系统平台[8],青海省应因地制宜、实事求是、多方面深入分析论证及多方筹措资金.平台建设、人才队伍建设是确保水文设施正常运行,充分发挥建设成效的重要措施.优化人才队伍结构、提高人才队伍整体素质是当前水文人才队伍建设的首要任务.同时,要加大基层水文工作者的业务培训力度,为先进仪器设备和技术手段的推广应用创造条件.