水文基礎(chǔ)測(cè)驗(yàn)設(shè)施的現(xiàn)狀及數(shù)字水文展望

呂清華 姚珠暉

[摘? ? ? ? ? ?要]? 現(xiàn)代高等職業(yè)教育中，創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)合格大學(xué)生最重要的環(huán)節(jié)，其實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)施也需與時(shí)俱進(jìn)、不斷創(chuàng)新。主要介紹水文、水資源等專業(yè)在實(shí)踐教學(xué)中，水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施的現(xiàn)狀以及對(duì)未來水文測(cè)驗(yàn)的發(fā)展方向，對(duì)數(shù)字化水文進(jìn)行展望。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 水文測(cè)驗(yàn);數(shù)字水文;展望

[中圖分類號(hào)]? P332? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）20-0220-02

一、水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施目前現(xiàn)狀

經(jīng)過建國以后幾十個(gè)國家對(duì)水文事業(yè)發(fā)展的投入，水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施建設(shè)有了長足的提高，尤其是近十年，國家對(duì)水利投入逐年增加，作為水利一部分的水文事業(yè)，趁此發(fā)展機(jī)遇，加大設(shè)施設(shè)備的投入，不但改善了前幾十年落下的設(shè)施設(shè)備在區(qū)域發(fā)展不均衡、技術(shù)含量低、科研與生產(chǎn)不結(jié)合沒有形成生產(chǎn)力等落后面貌，還將專業(yè)人才和尖端科技手段引進(jìn)水文行業(yè)。目前，所有尖端前沿科技手段在水文設(shè)施設(shè)備的應(yīng)用中均有體現(xiàn)。但是，與發(fā)達(dá)國家比較我們還有很大的差距。目前，水文測(cè)驗(yàn)手段與設(shè)施設(shè)備的現(xiàn)狀大致可以概括為以下兩種情況。

（一）傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)手段與現(xiàn)代測(cè)驗(yàn)方法結(jié)合

目前，水文系統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備，大部分還是按照傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行。水位觀測(cè)依然保留了人工觀測(cè)對(duì)自動(dòng)測(cè)報(bào)進(jìn)行校核;降雨量、蒸發(fā)量觀測(cè)也保留了人工觀測(cè)段次以對(duì)自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行校核;流量測(cè)驗(yàn)，主要是采用流速面積法計(jì)算流量，采用的儀器不外乎轉(zhuǎn)子式流速儀、旋杯式流速儀;浮標(biāo)法測(cè)流這種古老傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)方法依然在很多水文站得到保留應(yīng)用、深水浮標(biāo)、小浮標(biāo)以及量水建筑物法也有存在的空間……

與此同時(shí)現(xiàn)代水文測(cè)驗(yàn)方法沖擊著傳統(tǒng)水文的設(shè)施設(shè)備。水位、雨量的固態(tài)存儲(chǔ)方法以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、自動(dòng)拍發(fā)水文情報(bào)的先進(jìn)手段，改變了人工固守觀測(cè)點(diǎn)的傳統(tǒng)模式;多普勒超聲波新的流量測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ阶屛覀兯穆毠€(gè)人耳目一新，打破了斷面的概念，流量在線系統(tǒng)不但更新了流量測(cè)驗(yàn)方法而且正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的整編模式，把水位─流量關(guān)系更新為時(shí)間─流量關(guān)系;計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、衛(wèi)星通訊技術(shù)已經(jīng)深入水文測(cè)驗(yàn)的每一個(gè)工作過程，使我們?cè)谑篱g和空間上面得到很大的自由，為防汛減災(zāi)決策爭得了更多的時(shí)間。

（二）常規(guī)測(cè)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備與尖端科技儀器并存

纜道、水位井、測(cè)輪、浮標(biāo)、吊船索、測(cè)橋、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、自己雨量計(jì)、蒸發(fā)皿、粒徑計(jì)、天枰、橫式采樣器……，這些我們非常熟悉的水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備正在被多普勒超聲波流速剖面儀、固態(tài)雨量存儲(chǔ)器、雷達(dá)水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、雷達(dá)流速儀、ADCP在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)、雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)、GPS全球定位系統(tǒng)、遠(yuǎn)紅外測(cè)距儀、超聲波測(cè)深儀、遙控電動(dòng)船和三體船、移動(dòng)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)車所取代。

但是，新老設(shè)施設(shè)備共存現(xiàn)象是目前水文的現(xiàn)狀，新的測(cè)驗(yàn)設(shè)備的引進(jìn)使我們的檢測(cè)范圍擴(kuò)大了，原來需要固守?cái)嗝?，現(xiàn)在，坐在辦公室就能夠?qū)φ麄€(gè)流域面上的觀測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行遙測(cè)，采集數(shù)據(jù)，流量方面還可以根據(jù)水位和時(shí)間的變化進(jìn)行招測(cè)，極大地方便水文數(shù)據(jù)的采集于傳輸，同時(shí)增加了信息量。

水文測(cè)驗(yàn)常規(guī)設(shè)施設(shè)備與尖端科技儀器并存的現(xiàn)象使水文職工需要更加開闊自己的視野，不斷豐富自己的專業(yè)知識(shí)，這也是時(shí)代對(duì)我們提出的要求。

二、水文測(cè)驗(yàn)發(fā)展方向——數(shù)字水文（自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)）

水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是應(yīng)用遙感、通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成流域內(nèi)或者測(cè)區(qū)內(nèi)固定及移動(dòng)站點(diǎn)的降水量、蒸發(fā)量、水位、流量、含沙量、潮位、風(fēng)速、風(fēng)向和水質(zhì)等水文氣象要素以及水庫閘門開度等數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理的信息系統(tǒng)。水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)水文信息網(wǎng)的重要組成部分。狹義地說，水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)一般是指測(cè)區(qū)內(nèi)的降水量、水位、流量（較規(guī)則斷面的測(cè)站）、閘門開度等防汛信息的自動(dòng)采集、傳輸存儲(chǔ)和處理的信息系統(tǒng)。廣義的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)除了上述信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理以外，還包括采集到的信息的管理與應(yīng)用以及通信網(wǎng)絡(luò)等。

水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是重要的有效的非工程措施，但水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)本身也是一項(xiàng)工程，也需要按照工程建設(shè)的要求進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理。所謂非工程措施是相對(duì)于建筑水庫、電站等大型土木工程而言。

（一）水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的組成

一個(gè)最基本的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，至少由若干個(gè)遙測(cè)站和中心站（在國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程中稱為水情分中心）組成。一般情況下，水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)包含4類站點(diǎn)，各類站點(diǎn)的功能如下。

1.遙測(cè)站

在遙測(cè)終端機(jī)控制下，自動(dòng)完成被測(cè)參數(shù)的采集，將取得的數(shù)據(jù)經(jīng)處理以后存入存儲(chǔ)器（固態(tài)存儲(chǔ)），并完成數(shù)據(jù)傳輸。遙測(cè)站的設(shè)備可以根據(jù)防汛的需要增加人工置數(shù)和超限主動(dòng)加報(bào)等功能。

遙測(cè)站的主要設(shè)備有傳感器（雨量、水位計(jì)、流速）、遙測(cè)終端機(jī)、通訊設(shè)備、電源、避雷設(shè)施等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄可以在傳感器部分也可以在遙測(cè)終端機(jī)內(nèi)部，或者單獨(dú)存在。

2.集合轉(zhuǎn)發(fā)站

當(dāng)報(bào)汛站的數(shù)量較多時(shí)，宜采用由集合轉(zhuǎn)發(fā)站接受處理若干個(gè)遙測(cè)站的數(shù)據(jù)，再打包轉(zhuǎn)發(fā)到分中心站，而另一部分站直接與分中心通信的模式。

集合轉(zhuǎn)發(fā)站的設(shè)備組成類似于中心站，只是簡單而已。一般包括計(jì)算機(jī)、中心控制器、通信設(shè)備和電源。集合轉(zhuǎn)發(fā)站可以下載輸出數(shù)據(jù)。

3.中繼站

用于溝通無線通訊電路，以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。中繼站只是為了溝通或加強(qiáng)通訊電路，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不作任何處理。

實(shí)際上，衛(wèi)星通信中的衛(wèi)星。微波通信中的微波接力站，簡單有線電話通信中的放大增音、中轉(zhuǎn)機(jī)、光纖通信中的中繼器，也都是“中繼站”。但是，這些公共通信系統(tǒng)已經(jīng)建成，或者有成熟的產(chǎn)品可以直接應(yīng)用。構(gòu)建水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)時(shí)，只有超短波通信的中繼站需要專門設(shè)計(jì)和構(gòu)造。

4.中心站

主要完成各站遙測(cè)數(shù)據(jù)的適時(shí)收集、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理任務(wù)，并將所收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)送給上級(jí)有關(guān)部門。中心站是系統(tǒng)的中樞。由于大系統(tǒng)往往由較小的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)購成的，可以將一個(gè)地區(qū)、一個(gè)省、一個(gè)大流域，甚至一個(gè)國家的所有水文遙測(cè)站歸于一個(gè)“系統(tǒng)”。因此，“中心站”“分中心”的概念可大可小，在國家防汛指揮系統(tǒng)中，地區(qū)一級(jí)的系統(tǒng)中心被稱為“分中心”。

分中心的設(shè)備主要有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)施、中心控制機(jī)、電源等。

（二）數(shù)字水文站基本情況及組成

數(shù)字水文站是利用先進(jìn)的測(cè)流技術(shù)、水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種新技術(shù)集成的具有當(dāng)前國內(nèi)一流技術(shù)水平的“水文信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)”。該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)組成，能實(shí)現(xiàn)水文信息的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、傳輸、處理入庫、視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、流量自動(dòng)測(cè)量和計(jì)算、水質(zhì)自動(dòng)測(cè)量和計(jì)算、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和圖像傳輸、水文站信息的WEB查詢、水文資料的預(yù)整編等功能，實(shí)現(xiàn)了水文站信息采集的自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。

按照目前水文站的情況，系統(tǒng)可由水位自動(dòng)測(cè)報(bào)分系統(tǒng)、閘位自動(dòng)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)、氣象多參數(shù)自動(dòng)測(cè)報(bào)分系統(tǒng)、流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)、地下水位監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)、土壤含水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)、視頻監(jiān)視分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)（中心控制系統(tǒng)）等內(nèi)容進(jìn)行組合而成。

（三）數(shù)字水文站采集的基本水文信息要素

（1）水位：多種形式的水位傳感器;

（2）地下水：多種形式的地下水位傳感器;

（3）流量：多種流量接口;

（4）水質(zhì)：多種水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù);

（5）土壤含水量：各層土壤含水量;

（6）沙量：輸沙率、含沙量;

（7）氣象參數(shù)：雨量、蒸發(fā)、濕度、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等;

（8）閘位：閘門的開啟高度;

（9）視頻：監(jiān)視圖像。

（四）數(shù)字水文站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

數(shù)字水文站分為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，底層為傳感器至數(shù)據(jù)采集平臺(tái)之間，數(shù)據(jù)傳輸采用有線方式，傳感器輸出的信號(hào)主要有電壓、電流、數(shù)字量、開關(guān)量、RS-485、SDI-12等形式;第二層為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)至接收處理計(jì)算機(jī)之間，數(shù)據(jù)傳輸采用有線、無線等方式，主要有RS-485、無線超短波、電話、GSM短信、GSM、GPRS、光纖等多種通訊形式;最上層為計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過局域網(wǎng)連接服務(wù)器和接收處理計(jì)算機(jī)及查詢工作站，可在任何一臺(tái)工作臺(tái)上進(jìn)行水文信息的實(shí)時(shí)查詢及管理。以后隨著水文站條件的完善，上級(jí)主管部門及相關(guān)部門可通過廣域網(wǎng)來實(shí)時(shí)查詢水文站的水文信息。

（五）各分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)

數(shù)字水文站雖然有多種分系統(tǒng)組成，但信息采集之間又是互相有聯(lián)系的。數(shù)字水文站中主要部分?jǐn)?shù)據(jù)采集平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸功能。下面以水位、流量為例分項(xiàng)進(jìn)行說明。

目前水文站需要測(cè)量的水位一般有1處以上，部分站可能有多處水位測(cè)量點(diǎn)。水位測(cè)量的設(shè)備目前主要有浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、氣泡式水位計(jì)、激光水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)等幾種，尤其是浮子式水位計(jì)占很大的比重。數(shù)據(jù)采集平臺(tái)定時(shí)采集水位數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后通過多種通訊方式傳送至中心控制室的接收處理計(jì)算機(jī)。

水位自動(dòng)測(cè)報(bào)分系統(tǒng)設(shè)備主要由水位計(jì)、數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、通訊設(shè)備、天饋線、蓄電池、太陽能電池（或直流電源）等組成。

主要功能：

（1）定時(shí)實(shí)時(shí)采集水位數(shù)據(jù)（一般為5分鐘/次）;

（2）具有軟件消浪功能;

（3）帶有5分鐘水位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，便于進(jìn)行水位數(shù)據(jù)校核;

（4）采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至水文站中心控制室;

（5）可設(shè)水位、電壓、故障報(bào)警功能;

（6）水位分辨率達(dá)到cm級(jí)，測(cè)量精度±2cm，完全滿足規(guī)范要求。

流量測(cè)量是水文站的關(guān)鍵測(cè)量項(xiàng)目，但目前對(duì)于天然河流的流量自動(dòng)測(cè)量的方法還不太多，對(duì)于有條件的地方首先考慮自動(dòng)測(cè)流，如超聲波時(shí)差法測(cè)流裝置、H-ADCP測(cè)流裝置、涵閘流量測(cè)量裝置、泵站效率法測(cè)流等方法;對(duì)大多數(shù)水文站可以考慮采用先進(jìn)的測(cè)流手段，借助少量的人力資源進(jìn)行可靠的斷面測(cè)流，如全自動(dòng)纜道測(cè)流裝置、走航式ADCP測(cè)流裝置等。流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)把所有的測(cè)量數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳送至中控室。對(duì)部分自動(dòng)測(cè)流裝置也可通過數(shù)據(jù)采集平臺(tái)傳送至中控室。

三、系統(tǒng)集成

由于各個(gè)水文站的具體情況不一樣，監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目和內(nèi)容也不一樣，需要根據(jù)各個(gè)水文站具體情況來設(shè)計(jì)數(shù)字水文站的規(guī)模和總體結(jié)構(gòu)，并把以上有關(guān)的分系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合和系統(tǒng)集成，從而形成一個(gè)具有自身特點(diǎn)的數(shù)字水文站。

根據(jù)水文站的具體要求，數(shù)字水文站的規(guī)?？纱笠部尚。梢酝ㄟ^系統(tǒng)集成靈活方便地進(jìn)行構(gòu)架，并可在條件成熟時(shí)方便地增加監(jiān)測(cè)內(nèi)容。使用戶在前期投入時(shí)不需要過多地考慮后期的擴(kuò)充和完善，只需購置部分相關(guān)的儀器設(shè)備和測(cè)量傳感器即可增加新的測(cè)量項(xiàng)目，操作人員只需進(jìn)行簡單的設(shè)置即可。

數(shù)字水文站中關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)采集平臺(tái)具有多種傳感器接口，可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)儀器連接多臺(tái)測(cè)量設(shè)備，尤其是RS-485接口可連接32臺(tái)具有RS-485接口的傳感器，一臺(tái)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)都多可連接37臺(tái)各種傳感器設(shè)備。在數(shù)字水文站中雖然有多種分系統(tǒng)，但在實(shí)際系統(tǒng)集成時(shí)可能只需要較少的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)水文信息的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙δ?。中心控制分系統(tǒng)的規(guī)模也是可變的，最小的只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)就行了，大一些的可配置專用服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理等工作。

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