數(shù)字化在現(xiàn)代水文子系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉耀峰

（山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030002）

數(shù)字化在現(xiàn)代水文子系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉耀峰

（山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030002）

數(shù)字化是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的大趨勢，數(shù)字化推動著全球產(chǎn)業(yè)分工深化和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，重塑著全球經(jīng)濟(jì)競爭格局。將水利信息化定為水利優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，早在2001年就確立了“以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化”的發(fā)展思路。近幾年山西省水文局在信息化工作方面取得了長足的進(jìn)步，但還需要做到與時俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新，才能適應(yīng)當(dāng)前快速發(fā)展的水利事業(yè)。

數(shù)字化；跨越發(fā)展；山西水文

1 概述

水文事業(yè)是水利發(fā)展的前提性基礎(chǔ)工作，水文為社會發(fā)展提供水信息安全保障，是防洪抗旱減災(zāi)不可替代的重要依據(jù)。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，當(dāng)今社會賦予了水文事業(yè)更大責(zé)任，承擔(dān)著為水資源的合理開發(fā)、優(yōu)化配置、高效利用、可持續(xù)發(fā)展提供可靠的基礎(chǔ)信息服務(wù)，為水利事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供規(guī)劃基礎(chǔ)和管理信息。

當(dāng)今時代，信息技術(shù)革命推動著科技數(shù)字化迅猛發(fā)展，從根本上改變著傳統(tǒng)水文觀測和數(shù)據(jù)分析、處理模式。水文工作要緊跟時代步伐，更好服務(wù)于社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)建設(shè)，充分利用現(xiàn)代科技手段，持續(xù)不斷地提高水文信息化、數(shù)字化發(fā)展。

2 山西水文數(shù)字化現(xiàn)狀

2.1 站網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)

截至2013年底，山西省水文局設(shè)有水文站69處，雨量站2 414處，墑情監(jiān)測站71處，水質(zhì)監(jiān)測站135處，水文實(shí)驗(yàn)站2處，地下水動態(tài)監(jiān)測站807處。進(jìn)入21世紀(jì)，山西水文采用一系列數(shù)字化技術(shù)，推進(jìn)站網(wǎng)建設(shè)快速發(fā)展。雨量觀測全部采用固態(tài)存儲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集、存儲、報汛；河道水位動態(tài)監(jiān)測基本實(shí)現(xiàn)了自動觀測；水質(zhì)在線自動監(jiān)測站從無到有，2011年在汾河靜樂水文站建成第一個水質(zhì)自動監(jiān)測站；地下水動態(tài)自動監(jiān)測站達(dá)到153處。在此基礎(chǔ)上分別建成了水情數(shù)據(jù)中心、水質(zhì)監(jiān)測中心、地下水動態(tài)監(jiān)測中心及其相應(yīng)的分中心（市級）。

2.2 監(jiān)測數(shù)字化

雨量監(jiān)測。山西水文局從1995年開始建設(shè)具有自動存儲功能的固態(tài)存儲雨量站，雨量觀測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了自動觀測、自動存儲功能，降低了人為誤差，也消除了人工觀測難以避免的缺（漏）測，使雨量觀測有了歷史性飛躍。至2013年底全省雨量站全部實(shí)現(xiàn)了固態(tài)存儲，雨量觀測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

流量監(jiān)測。2013年汛期，山西水文局對觀音堂、岢嵐、圪洞等25個測站的測流設(shè)施進(jìn)行改造提升時，推廣應(yīng)用山西水文局發(fā)明的無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測流系統(tǒng)（獲國家專利），而且受到全國水文界關(guān)注并廣泛引用。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢：一是精確高效，采用電腦控制、無線遙控、自動測流，避免了人工測流在讀數(shù)、記錄、計算等方面人為出錯的可能。測流時間僅占人工傳統(tǒng)測流時間的1/5或更短，在數(shù)秒內(nèi)即可計算、打印出流量成果；二是性能穩(wěn)定，通過在不同施測斷面、不同流速與流量、不同天氣情況下的施測對比，可以滿足《河道流量測驗(yàn)規(guī)范》要求；三是節(jié)省人力，由于儀器體積小、操作簡便，可大大節(jié)省人力和減輕勞動強(qiáng)度，一般情況下一人即可完成流量施測。國內(nèi)水文界認(rèn)為測驗(yàn)理念來自基層經(jīng)驗(yàn)，是人性化的設(shè)計、先進(jìn)性的應(yīng)用。之外，2011年開始采用多普勒剖面流速儀（ADCP），該儀器采用多普勒頻移物理原理測量水流速度，在每個子斷面垂線一點(diǎn)或多點(diǎn)測量流速和水深，得到斷面平均流速和流量。

泥沙監(jiān)測。2012年開始采用激光粒度儀進(jìn)行泥沙顆粒分析，平均3min分析一個沙樣，只需很少沙樣即可，作業(yè)時間大幅縮短，測驗(yàn)精度大幅度提高。

地下水動態(tài)監(jiān)測。2013年底時，設(shè)有地下水自動監(jiān)測水位站153處，在各市水文分局建立了數(shù)據(jù)接收與處理平臺。自動監(jiān)測站每4 h自動采集與傳輸一次數(shù)據(jù)，分局接收到數(shù)據(jù)之后進(jìn)行合理性審查，然后轉(zhuǎn)發(fā)省局接收平臺，完成數(shù)據(jù)入庫工作。即將開始的國家地下水監(jiān)測工程完成后，山西504處地下水監(jiān)測站點(diǎn)全部實(shí)行數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸，經(jīng)檢驗(yàn)后自動入庫。

水質(zhì)監(jiān)測。2011年建成了第一個水質(zhì)自動監(jiān)測站，一期工程實(shí)現(xiàn)了5參數(shù)（pH、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、水溫）自動監(jiān)測，二期工程增加了COD、氨氮2項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了7參數(shù)自動監(jiān)測。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

3.1 水環(huán)境信息管理系統(tǒng)

山西省水環(huán)境信息管理系統(tǒng)是運(yùn)用新技術(shù)和新手段，以標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、空間化為主要特征，采用模塊化設(shè)計，建成了省、市以及縣級通用的水資源質(zhì)量管理信息系統(tǒng)，能夠作為水行政主管部門水資源管理決策支持系統(tǒng)的組成部分（對系統(tǒng)的不同用戶設(shè)置了不同的訪問和處理權(quán)限）。該系統(tǒng)的建成，有效提高了水資源質(zhì)量管理的能力和數(shù)字化、信息化、現(xiàn)代化水平，為水資源規(guī)劃、管理和決策提供了及時、準(zhǔn)確的信息服務(wù)和先進(jìn)有效的技術(shù)支持，增強(qiáng)了各級水行政主管部門的協(xié)調(diào)和組織能力，為“依法治水、科學(xué)管理”提供了新的管理手段。

3.2 地下水信息管理與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)

山西地下水是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市供水、人民生活的主要水源，長期超量開采及采煤對地下水的破壞，引起地面沉降和裂縫，泉水衰減、斷流，水環(huán)境污染等諸多問題。目前山西地下水監(jiān)測覆蓋全省119個縣（區(qū)、市），數(shù)據(jù)量大，業(yè)務(wù)分析過程繁瑣復(fù)雜，常規(guī)的人工處理不能滿足日益復(fù)雜的地下水業(yè)務(wù)要求和信息化迅速發(fā)展的形勢。山西省地下水信息管理與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)完成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了MIS、GIS和數(shù)據(jù)庫的集成，建設(shè)在B/S模式下能夠長期使用的地下水信息化平臺。利用自動監(jiān)測、通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測和管理，實(shí)現(xiàn)了對全省主要地區(qū)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、數(shù)據(jù)管理、分析、上報，同時也能自動生成地下水簡報、通報等階段性成果。該系統(tǒng)內(nèi)容和架構(gòu)成為國家地下水管理與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容。

3.3 水情自動報汛系統(tǒng)

水情信息查詢服務(wù)系統(tǒng)是從2007年開始建設(shè)，它是一套采用Web技術(shù)和GIS技術(shù)，以Web為運(yùn)行平臺，以《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》和《山西省水情信息報汛規(guī)定》形成的水情信息為基礎(chǔ)，以《實(shí)時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識符標(biāo)準(zhǔn)》形成的數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，緊密圍繞水情服務(wù)主題的水情綜合應(yīng)用系統(tǒng)。水情信息包括雨量、流量、墑情、水庫水情4組數(shù)據(jù)。按照既定要求，系統(tǒng)每10min定時采集一次水情信息，每條記錄按固定格式讀取。系統(tǒng)傳輸是基于GPRSMODEM與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通信。其應(yīng)用定位是防汛會商會議、汛期值班、信息發(fā)布與瀏覽等業(yè)務(wù)，共分為用戶管理、電子地圖操作與控制、水情查詢、水情服務(wù)統(tǒng)計、圖形保存、信息采集、制作與發(fā)布、系統(tǒng)維護(hù)等模塊。系統(tǒng)的應(yīng)用在時間上提供了最大的提前量，最大程度地減少了洪災(zāi)損失。同時在水資源利用等領(lǐng)域也顯示出重要作用，采用數(shù)字信息對河、湖、庫的水情進(jìn)行遙測、傳輸、處理自動化，不僅是一套功能完善的防汛會商與水情值班系統(tǒng)，還是一個水情專題網(wǎng)站，在滿足防汛會商與水情值班業(yè)務(wù)需要的同時，實(shí)現(xiàn)了水情信息的共享，從而能夠?yàn)榉姥?、抗旱、減災(zāi)提供良好服務(wù)。

3.4 水文信息服務(wù)系統(tǒng)

山西水文信息服務(wù)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。水文信息應(yīng)用的基本方式之一是獲取單站年表資料。由于水文信息具有多維特點(diǎn)，因此可通過站名（站碼）、年份、表名3個維度要素的選擇，獲得唯一的表項(xiàng)資料。水文信息是一個典型的多維數(shù)據(jù)（MDD）結(jié)構(gòu)，即在時間、地域、數(shù)據(jù)三維空間上分布。其中時間維是以年份為單位提供的資料搜索方式，使系統(tǒng)與傳統(tǒng)的以《水文年鑒》為基礎(chǔ)的資料保存與查閱體系相銜接。系統(tǒng)同時提供豐富的圖像輸出工具，用戶可以在搜索得到的信息集合之上，只需點(diǎn)取X，Y軸坐標(biāo)對應(yīng)搜索結(jié)果中的相關(guān)數(shù)據(jù)字段，即可獲得精美而生動、可標(biāo)注數(shù)值的各種矢量化圖像。工程技術(shù)人員翻閱《水文年鑒》的費(fèi)力、費(fèi)時現(xiàn)象只有在特殊情況下才會再現(xiàn)。

3.5 河湖普查信息化

河湖普查是國務(wù)院第一次全國水利普查的主要任務(wù)，是其他水利專項(xiàng)普查的基礎(chǔ)。近年來，隨著3S等高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得采用統(tǒng)一普查標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)容和技術(shù)手段，獲得全面系統(tǒng)的河流湖泊基本特征信息成為可能。開發(fā)基于GIS（地理信息系統(tǒng)）的河流湖泊信息管理系統(tǒng)是水利信息化建設(shè)的要求，也是河湖開發(fā)治理長遠(yuǎn)發(fā)展的需要，開發(fā)河流湖泊信息管理系統(tǒng)對于實(shí)時掌握和了解全國范圍內(nèi)的河湖開發(fā)和治理情況，有針對性地制定河湖開發(fā)治理方案與對策具有重要的參考價值。河湖主要特征包括河流基本特征、所在流域水系的自然特征、水文特征、湖泊形態(tài)特征等。普查中，將這些河湖主要特征進(jìn)行分析、提取、匯總，建立起全國范圍內(nèi)給定標(biāo)準(zhǔn)以上河流湖泊的主要特征數(shù)據(jù)庫，以為全國河湖開發(fā)治理提供必要的數(shù)據(jù)和依據(jù)。河湖普查數(shù)據(jù)庫不僅填補(bǔ)了水利發(fā)展史上的空白，也填補(bǔ)了地理、測繪發(fā)展史上的空白。

4 水文自動監(jiān)測推動數(shù)字水文跨越發(fā)展

“數(shù)字水文”的建設(shè)，大大推進(jìn)了水文事業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，數(shù)字水文實(shí)現(xiàn)了水文測報的跨越升級。

傳統(tǒng)水文測報主要依靠人工觀測，其信息可靠度差、勞動強(qiáng)度大。現(xiàn)代水文信息采集大量采用衛(wèi)星遙測技術(shù)、自動水位計、電子水尺、聲波水位計、雷達(dá)超聲波技術(shù)等；僅泥沙測驗(yàn)即不斷涌現(xiàn)出超聲波測沙儀、激光測沙儀、振動測沙儀、光電測沙儀等，實(shí)現(xiàn)了泥沙測驗(yàn)自動化、數(shù)字化。

傳統(tǒng)水文獲取水文信息非常有限，且以斷面的流量、水位為主。數(shù)字水文利用衛(wèi)星云圖、雷達(dá)測雨和地面雨量站觀測等多源數(shù)據(jù)，產(chǎn)生多種時空分辨率的土壤水分和熱狀態(tài)的動態(tài)數(shù)字信息，不僅為防汛，也為抗旱提供及時、可靠的信息決策依據(jù)。數(shù)字水文作為數(shù)字地球的組成部分，將面對整個地球的空間，不再局限于有限的河道測站斷面，水文信息采集將擴(kuò)展到空間。

數(shù)字化、信息化為水文發(fā)展提供了強(qiáng)大動力，數(shù)字水文發(fā)展給水文信息勘測技術(shù)發(fā)展帶來了巨大的推動作用，同時也為滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)各行業(yè)、社會各部門的需求帶來了測試方便，還在很大程度上增強(qiáng)了監(jiān)測的準(zhǔn)確性和預(yù)見性，標(biāo)志著未來水文的發(fā)展方向。5 結(jié)論及建議

數(shù)字水文是信息時代的新生物，其以強(qiáng)勁的動力推動了當(dāng)代水文技術(shù)、理論與應(yīng)用的全面發(fā)展。在信息化水文大發(fā)展的背景下，提出了數(shù)字水庫、數(shù)字水資源、數(shù)字流域、現(xiàn)代水文和大水利等諸多框架策略與新的理念。

水文系統(tǒng)數(shù)字化、信息化必將帶來水文行業(yè)發(fā)展的新時代。如今，在提高水文信息的實(shí)時性、可視性、擴(kuò)大水文信息應(yīng)用領(lǐng)域諸多方面，取得了長效進(jìn)步。隨著水文領(lǐng)域各應(yīng)用子系統(tǒng)的建設(shè)，必將全面推動水文基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)代化建設(shè)，在現(xiàn)有條件下提供更全面、系統(tǒng)、快捷的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，從而促進(jìn)水文事業(yè)跨越發(fā)展，進(jìn)入和諧水文的良性循環(huán)發(fā)展環(huán)境。

2017年“世界水日”“中國水周”宣傳口號

1 紀(jì)念第二十五屆“世界水日”第三十屆“中國水周”

2 節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力

3 水是生存之本、文明之源、生態(tài)之基

4 創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享

5 落實(shí)綠色發(fā)展理念，全面推行河長制

6 水美城市，生態(tài)家園

7 河長制，河長治

8 踐行綠色發(fā)展，建設(shè)生態(tài)家園

9 全面推進(jìn)節(jié)水型社會建設(shè)，共建美麗家園

10 加強(qiáng)水資源保護(hù)，落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度

11 依法劃定河湖管理范圍，嚴(yán)格水域岸線水生態(tài)空間管控

12 加強(qiáng)水環(huán)境治理，強(qiáng)化水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)管理

13 加強(qiáng)水生態(tài)修復(fù)，推進(jìn)河湖生態(tài)修復(fù)和保護(hù)

14 搞好水土保持，護(hù)佑綠水青山

15 加強(qiáng)河湖執(zhí)法監(jiān)管，嚴(yán)厲打擊涉河湖違法行為

16 加強(qiáng)河湖保護(hù)與管理，推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)

17 加強(qiáng)社會監(jiān)督，凝聚河湖保護(hù)合力

18 加強(qiáng)依法治水管水，推進(jìn)水利依法行政

19 科學(xué)防御水旱災(zāi)害，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展

20 加強(qiáng)農(nóng)村水利工作，促進(jìn)城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展

21 實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，建設(shè)國家級水生態(tài)文明城市…

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C

1004-7042（2017）03-0026-03

劉耀峰（1985－），男，2007年畢業(yè)于太原科技大學(xué)信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)，工程師。

2017-01-15；

2017-02-27