國內(nèi)外水文自動測報系統(tǒng)綜述

付英杰，張永學(xué)

(沈陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展局，沈陽 110016)

1 水文自動測報的意義

水文現(xiàn)代化建設(shè)是以推動水文適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需求為目標(biāo)的動態(tài)發(fā)展過程，具有強烈的時代特征，反映了時代的科技發(fā)展水平和經(jīng)濟社會發(fā)展的需求[1]。水文現(xiàn)代化建設(shè)是水利信息化的基礎(chǔ)。其中信息傳輸是水利信息化的重要基礎(chǔ)工作之一。

2 國外研究現(xiàn)狀

1976年，美國SM公司與美國氣象局合作研制了一套在當(dāng)時具有代表性的水文自動監(jiān)測設(shè)備，之后美國HANDAR公司與Sutton公司合作也研制了一套水雨情自動監(jiān)測設(shè)備。

隨著科技的進(jìn)步，美國將水文站數(shù)據(jù)的傳輸擴展到衛(wèi)星平臺上，到1987年已有1700個水文站數(shù)據(jù)應(yīng)用GOES衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，到現(xiàn)在已有4000多個水文站使用衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。除了上述衛(wèi)星外美國還有測雨雷達(dá)，從80年代開始，美國國家天氣局與三個部門共同建設(shè)了NEXRAD新型雷達(dá)，這種雷達(dá)經(jīng)過雨量計參數(shù)修正后，可在幾千平方公里范圍內(nèi)形成一個類似于一個大雨量計的網(wǎng)，從而大大提高了水文預(yù)報和洪水預(yù)報的精度和時間。美國還是世界上唯一一個使用流星余跡進(jìn)行水文遙測的國家，1980年在美國西部山區(qū)建立一個由525個監(jiān)測站組成的名叫SNOTEL的測站網(wǎng)絡(luò)，直到現(xiàn)在還在運行著并且效果越來越好，這些傳輸網(wǎng)絡(luò)所傳送的數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)的傳送時間非常接近，在4～5 min即可獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，而且其可控性比衛(wèi)星要高[2]。

日本對于水文遙測的投資可謂相當(dāng)巨大而且建設(shè)時期也比較早。1986年，日本建成了世界上最大的水文遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)使用了12個測雨雷達(dá)和GMS衛(wèi)星。日本在僅有的37萬km2的國土面積上，建有26個雷達(dá)雨量站，2 500個地面雨量站和2 100個水位站，觀測范圍覆蓋整個日本[3]。

英國等一些西歐各國和日本一樣由于國家面積較小，水文監(jiān)測站覆蓋范圍基本遍及全國，他們主要采用2種方式進(jìn)行傳輸:

1)采用可靠的電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

2)采用同步衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。

法國主要對其境內(nèi)的兩條河流加隆河和洛依爾河進(jìn)行全方位的監(jiān)測以提高本國的防洪準(zhǔn)確性。法國采用VHF/UFH通訊作為預(yù)報系統(tǒng)的主要監(jiān)測手段，加隆河系統(tǒng)包括120個監(jiān)測站覆蓋了法國境內(nèi)全部的加隆河流域，系統(tǒng)采用應(yīng)答式預(yù)報方式，在不到10 min內(nèi)就可以收集到全部數(shù)據(jù)。洛依爾河系統(tǒng)則是一個綜合性系統(tǒng)，他不僅使用VHF/UFH通訊還應(yīng)用了電話機ARGOS衛(wèi)星來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，電話通訊主要用于傳輸流域內(nèi)支流的數(shù)據(jù)。

印度作為亞洲發(fā)展水文監(jiān)測比較早的一個國家在1985年在yamuna河上游建立了一個大流域系統(tǒng)，系統(tǒng)采用UHF通訊并且使用印度自己的衛(wèi)星INSAT－1B，INSAT是一個雙衛(wèi)星系統(tǒng)，它由印度空間研究組織管理，擁有100個衛(wèi)星平臺。

蘇聯(lián)的水文數(shù)據(jù)是來自GOMS衛(wèi)星，它和大多數(shù)氣象衛(wèi)星一樣，用于傳輸一些云圖及氣象數(shù)據(jù)。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)包括3個階段:探索階段、發(fā)展階段和提高階段。20世紀(jì)80年代初期開始到90年代中期為探索階段。主要是引進(jìn)、吸收和消化國外引進(jìn)的水文監(jiān)測方面的先進(jìn)技術(shù)和方法。1981年，我國由南京自動化研究所負(fù)責(zé)，引進(jìn)美國SM公司的設(shè)備，進(jìn)行國產(chǎn)化設(shè)計，主要用于監(jiān)測第二松花江豐滿白山水情測報。由于受到美國的影響，遙測站采用了自報式的工作體制，使用VHF通訊。由于資金及技術(shù)個方面的問題，我國在此以后幾乎沒有再引進(jìn)國外水情監(jiān)測設(shè)備直到1994年，才又一次引進(jìn)了美國HANDAR公司產(chǎn)品。

這一次的引進(jìn)使得我們清楚的認(rèn)識到自己與國外水文監(jiān)測技術(shù)的差距，無論是從穩(wěn)定性、可靠性、智能化程度、工藝水平等方面都存在巨大的問題。

90年代后到21世紀(jì)初始是水文監(jiān)測的發(fā)展階段。由于看到了差距和不足，我國開始大力發(fā)展和研究水文監(jiān)測技術(shù)，國內(nèi)許多系統(tǒng)集成商也紛紛引進(jìn)和學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的設(shè)備和通訊方式。在此階段我國水文監(jiān)測技術(shù)有了長足的進(jìn)步，已經(jīng)可以接近國外同期產(chǎn)品的技術(shù)水平。

1996年，國際移動衛(wèi)星(INMARSAT)開始在國內(nèi)推廣，由于衛(wèi)星通信的大范圍覆蓋和傳輸可靠性，國內(nèi)系統(tǒng)開發(fā)商和用戶對此給予了高度重視。由于其良好的覆蓋和傳輸性能在經(jīng)歷了2 a的調(diào)試后于1998年正式應(yīng)用于我國水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的實踐中。

同一時期，由于我國公共交換電話網(wǎng)(PSTN)有線通信設(shè)備逐步成熟和防雷技術(shù)的發(fā)展，PSTN通信質(zhì)量明顯提高，采用PSTN電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入了實用階段。

更為可貴的是，基于通信技術(shù)的快速發(fā)展，國產(chǎn)數(shù)據(jù)采集器的開發(fā)得到深入，多串口、多通信協(xié)議、多傳感器接入等要求不斷豐富，基于嵌入式工業(yè)控制總線的PC104、基于單芯片系統(tǒng)的片上系統(tǒng)(SOC)等設(shè)計技術(shù)得到應(yīng)用，系統(tǒng)的智能化和靈活性得到長足發(fā)展。

提高階段是從2002年至今。2002年我國移動通信技術(shù)已經(jīng)建立了基于全球移動通信系統(tǒng)短消息的通信方式即GMS，這使得其可以正式應(yīng)用于我國的水情監(jiān)測系統(tǒng)中。同年，國電自動化研究院(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院的前身)研制了國內(nèi)首款采用表貼技術(shù)、基于平臺化概念設(shè)計的模塊化和小型化的ACS300數(shù)據(jù)采集器，將微功耗和寬工作溫度范圍指標(biāo)提升到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

2003年，由中國自己研發(fā)的的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開始商用，此系統(tǒng)的短信服務(wù)迅速被國內(nèi)的水情測報系統(tǒng)爭相應(yīng)用。2004年5月，我國建立了長江三峽水情自動測報系統(tǒng)，覆蓋了重慶至宜昌的6萬 km2流域，系統(tǒng)采用 VHF、INMARSAT－C、PSTN和全線通等4種通信方式，包括126個水情遙測站，全部數(shù)據(jù)收集僅10 min，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的水情測報系統(tǒng)已經(jīng)與國際接軌，測報方式也由原始而單一的超短波變成了使用電話公網(wǎng)、衛(wèi)星及短波通訊的多元化格局，為收集時間和信息準(zhǔn)確性都提供了有力的保障。

4 結(jié)語

本文歸納了國內(nèi)外水文自動化報測技術(shù)的解決措施與對策，討論了水文測報在水庫防洪預(yù)測、綜合治理和水利調(diào)度中的作用、目的、研究意義，對水庫水文自動化報測技術(shù)進(jìn)行深入研究。希望以后能夠結(jié)合工程實例對水文報測方面存在的問題、區(qū)域、原因、通訊措施失敗的經(jīng)驗教訓(xùn)進(jìn)行了深入分析;在此基礎(chǔ)上，從方法、設(shè)備、技術(shù)等方面，研究水文自動報測方案。本文對于今后水文自動化報測采用更為科學(xué)、合理、經(jīng)濟的綜合治理方法具有一定的實踐和指導(dǎo)意義。

[1]郭澤辰.基于GPRS的遠(yuǎn)程自動水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[J].電力系統(tǒng)通信，2004(08):11－12.

[2]駱蘭.水情自動測報系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]，河南水利與南水北調(diào)，2011(14):4－5.

[3]王樂.水利工程自動化控制應(yīng)用趨勢[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011(10):96.