水資源與水文監(jiān)測主要差異分析研究

章雨乾 ，章樹安

（1. 中國水權(quán)交易所，北京 100053；2. 水利部信息中心，北京 100053）

0 引言

我國水文監(jiān)測站網(wǎng)經(jīng)歷了 4 次規(guī)模較大的水文站網(wǎng)規(guī)劃、論證和調(diào)整工作，目前在全國基本形成了較為完整的地表水、地下水、取用水監(jiān)測站網(wǎng)體系，為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、防汛抗旱減災(zāi)、水資源管理、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供了有力支撐。但與實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度和水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管的需求相比，還存在著服務(wù)于按行政區(qū)界水資源管理的監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)明顯不足，服務(wù)于華北地區(qū)地下水綜合治理、生態(tài)補(bǔ)水等地下水站網(wǎng)不足；取用水監(jiān)測率低，大多數(shù)據(jù)主要依靠統(tǒng)計(jì)上報(bào)；水資源監(jiān)測有關(guān)基礎(chǔ)研究薄弱，技術(shù)支撐能力不足等問題。因此進(jìn)一步梳理與認(rèn)識(shí)水資源監(jiān)測需求及與水文監(jiān)測的差異，補(bǔ)好水資源監(jiān)測站網(wǎng)短板，提升為水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管提供技術(shù)服務(wù)支撐能力，是非常重要和必要的。

1 基本涵義與內(nèi)容

1.1 基本涵義

1）水文學(xué)是研究存在于地球上的大氣層中和地球表面及地殼內(nèi)的各種水現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律及其內(nèi)在聯(lián)系的學(xué)科，為地球水循環(huán)演變、相互轉(zhuǎn)換關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)，屬于自然科學(xué)的地理科學(xué)范疇。應(yīng)用水文學(xué)是運(yùn)用水文學(xué)及有關(guān)學(xué)科的理論與方法，研究解決各種實(shí)際水文問題的途徑和方法，為工程建設(shè)和生產(chǎn)提供水文數(shù)據(jù)、參數(shù)、分析評(píng)價(jià)、預(yù)測預(yù)報(bào)服務(wù)的專門學(xué)科，屬于水利工程學(xué)科，其監(jiān)測信息主要服務(wù)涉水工程建設(shè)、防汛抗旱指揮、水資源管理、水環(huán)境與水生態(tài)保護(hù)、水工程調(diào)度等。相應(yīng)的水文監(jiān)測，是指基于水文站網(wǎng)，開展的水文要素觀測或調(diào)查、收集、測量水文及相關(guān)資料的作業(yè)。

2）根據(jù)聯(lián)合國教科文組織和世界氣象組織1988 年的定義，水資源是指可供利用或有可能被利用，具有足夠數(shù)量和可用質(zhì)量，并可適合某地對(duì)水的需求而能長期供應(yīng)的水源，其補(bǔ)給來源主要為大氣降水。與此相應(yīng)，水資源監(jiān)測則是對(duì)水資源的數(shù)量、質(zhì)量、分布狀況、開發(fā)利用保護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行定時(shí)，定位分析與觀測的活動(dòng)。從廣義上講就是對(duì)自然和社會(huì)水循環(huán)過程中水文要素進(jìn)行監(jiān)測。自然水循環(huán)主要包括降水、蒸發(fā)、地表徑流、土壤水、地下水等；社會(huì)水循環(huán)主要包括對(duì)供、取、耗、排用水過程進(jìn)行監(jiān)測。從學(xué)科上看，水資源監(jiān)測更多屬于應(yīng)用科學(xué)，也就是它不僅要監(jiān)測或知道自然水循環(huán)水量，但更多關(guān)注是，當(dāng)水具有商品屬性時(shí)，其量、質(zhì)的變化過程，具有很強(qiáng)的社會(huì)屬性[1]。

由于水資源管理、調(diào)度和優(yōu)化配置涉及城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水，農(nóng)業(yè)灌溉，發(fā)電，防洪和生態(tài)環(huán)境等諸多方面，以及上下游、左右岸、地區(qū)之間、部門之間的調(diào)度，因此，我國的水資源管理涉及面廣、問題復(fù)雜、管理難度很大，與之相應(yīng)的水資源監(jiān)測同樣是問題復(fù)雜、難度大。

1.2 基本內(nèi)容

我國現(xiàn)階段的水資源監(jiān)測主要包括自然河道（湖泊）、輸水渠道的行政區(qū)界、主要取用水戶（口）、地下水，以及供水水源地與供水管道、入河（湖）排污口等的監(jiān)測，監(jiān)測要素主要有水量、水位、水質(zhì)、水溫等。SL/Z 349—2006《水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》，對(duì)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控測系統(tǒng)信息提出了較為具體的內(nèi)容，主要包括 3 個(gè)部分信息資源[2]：

1）水資源信息。包括降水量、蒸發(fā)量、水位、流量、取水量、用水量、排（退）水量、水廠的進(jìn)出廠水量、地下水開采量、水質(zhì)等監(jiān)測信息。

2）水資源工程信息。包括泵站、閘門、水電站等水利工程運(yùn)行的閘位；泵站、閘門、工程機(jī)械啟動(dòng)停止；管道內(nèi)壓力等信息。

3）水資源遠(yuǎn)程監(jiān)控信息。對(duì)河流斷面、水源地、水廠、污水處理廠、渠道、涵閘和取排（退）水口等重要對(duì)象，實(shí)施遠(yuǎn)距離的視頻監(jiān)視信息；采用手工、半自動(dòng)和自動(dòng)等手段對(duì)重要閘門，水泵實(shí)施控制運(yùn)行及運(yùn)行后的反饋信息。

但是，并不是所有的水資源監(jiān)測系統(tǒng)都具有采集以上所有信息的功能，水資源監(jiān)測的核心是流量、水量、水位、水質(zhì)、降水、蒸發(fā)、水溫等信息。而水資源工程和遠(yuǎn)程控制信息則是水資源監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中實(shí)現(xiàn)水資源自動(dòng)化監(jiān)測必要的信息資源。所以在水資源監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中包含了上述 3 個(gè)方面信息資源。

需要指出的是，目前國內(nèi)外有一些學(xué)者提出水資源應(yīng)包括 3 個(gè)部分：地表、地下和土壤的水資源。但由于土壤水易蒸發(fā)或轉(zhuǎn)換為地下水，在傳統(tǒng)的水資源監(jiān)測與評(píng)價(jià)中，并未將土壤水作為水資源監(jiān)測與評(píng)價(jià)的一部分，在實(shí)際工作中，土壤水分監(jiān)測主要作為旱情監(jiān)測的內(nèi)容。所以本研究所指的水資源監(jiān)測主要是對(duì)地表水、地下水的數(shù)量和質(zhì)量監(jiān)測，不涉及土壤水分監(jiān)測。

2 與水文監(jiān)測的主要差異分析

2.1 站網(wǎng)布設(shè)的原則不盡相同

水文監(jiān)測主要以河流水系為基礎(chǔ)進(jìn)行水文站網(wǎng)布設(shè)，遵循流域與區(qū)域相結(jié)合、區(qū)域服從流域的基本原則，并根據(jù)測站集水面積、地理位置及作用不同進(jìn)行分類布設(shè)，主要體現(xiàn)在河流一條線上，是以流域水系控制為主。而水資源監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)，除水文監(jiān)測外，還涉及取用水、地下水等，由僅涉及河流的一條線到涉及工農(nóng)業(yè)、生活、城市、鄉(xiāng)村的面，是以行政區(qū)域控制為主。

水資源監(jiān)測站網(wǎng)主要以能控制行政區(qū)域水資源量，滿足以行政區(qū)域?yàn)閱卧乃Y源管理需要為原則。SL 365—2015《水資源水量監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》提出了以下原則[3]：

1）有利于水量水質(zhì)同步監(jiān)測和評(píng)價(jià)的原則。在行政區(qū)界、水功能區(qū)界、入河排污口等位置應(yīng)布設(shè)監(jiān)測或調(diào)查站點(diǎn)。

2）區(qū)域水平衡原則。根據(jù)區(qū)域水平衡原理，以水平衡區(qū)為監(jiān)測對(duì)象，觀測各水平衡要素的分布情況。

3）區(qū)域總量控制原則。應(yīng)能基本控制區(qū)域產(chǎn)、蓄水量，實(shí)測水量應(yīng)能控制區(qū)域內(nèi)水資源總量的70% 以上。

4）充分利用現(xiàn)有國家基本水文站網(wǎng)原則。若國家基本水文站網(wǎng)不能滿足水量控制要求時(shí)，應(yīng)增加水資源水量監(jiān)測專用站。

5）有利于水資源調(diào)度配置原則。在有水資源調(diào)度配置要求的區(qū)域，應(yīng)在主要控制斷面、引（取、供）水及排（退）水口附近布監(jiān)測站點(diǎn)。

6） 實(shí)測與調(diào)查分析相結(jié)合的原則。設(shè)站困難的區(qū)域，可根據(jù)區(qū)域內(nèi)水文氣象特征及下墊面條件進(jìn)行分區(qū)，選擇有代表性的分區(qū)設(shè)站監(jiān)測，通過水文比擬法，獲得區(qū)域內(nèi)其它分區(qū)的水資源水量信息；也可通過水文調(diào)查或其他方法獲取水資源水量信息。

2.2 站網(wǎng)布設(shè)的目的要求不盡相同

常規(guī)水文站網(wǎng)（流量站網(wǎng)）設(shè)站時(shí)以收集設(shè)站地點(diǎn)的基本水文資料為目的，主要是為防汛提供實(shí)時(shí)水情資料，通過長期觀測，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)延長區(qū)域內(nèi)短系列資料，利用空間內(nèi)插或資料移用技術(shù)為區(qū)域內(nèi)任何地點(diǎn)提供水資源的調(diào)查評(píng)價(jià)、開發(fā)和利用，水工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工，科學(xué)研究及其它公共所需的基本水文數(shù)據(jù)。常規(guī)水文測站一般需要設(shè)在具有代表性的河流上，以滿足面上插補(bǔ)水文資料的要求，多布設(shè)在河流中部或河口處[4]。

水資源監(jiān)測站設(shè)立的主要目的是滿足準(zhǔn)確測算行政區(qū)域的水資源量，滿足以行政區(qū)劃為區(qū)域的水量控制需要。監(jiān)測站位置一般需要設(shè)在跨行政區(qū)界河流上、重要取用水戶（口）、水源地等，以滿足掌握行政區(qū)域水資源量的要求。SL 365—2015《水資源水量監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》提出了以下要求：

1）在有水資源調(diào)度配置需求的河流上應(yīng)布設(shè)水量監(jiān)測站。

2）在引（取、供）水、排（退）水的渠道或河道上應(yīng)布設(shè)水量監(jiān)測站、點(diǎn)。

3）湖泊、沼澤、洼淀和濕地保護(hù)區(qū)應(yīng)布設(shè)水量監(jiān)測站。可在周邊選擇 1 個(gè)或幾個(gè)典型代表斷面進(jìn)行水量監(jiān)測。

4）在城市供用水大型水源地應(yīng)布設(shè)水量監(jiān)測站。可結(jié)合水平衡測試要求，布設(shè)水資源水量監(jiān)測站，以了解重要及有代表性的供水企業(yè)或單位的用水情況。

5）在對(duì)水量和水質(zhì)結(jié)合分析預(yù)測起控制作用的入河排污口、水功能區(qū)界、河道斷面應(yīng)布設(shè)水資源水量監(jiān)測站，以滿足水資源評(píng)價(jià)和分析需要。

6）在主要灌區(qū)的尾水處應(yīng)布設(shè)水量監(jiān)測站。

7）在地下水資源比較豐富和地下水資源開發(fā)利用程度較高的地區(qū)應(yīng)按 SL 183—2005《地下水監(jiān)測規(guī)范》的要求布設(shè)地下水水量監(jiān)測站，以掌握地下水動(dòng)態(tài)水量[5]。

8）喀斯特地區(qū)，跨流域水量交換較大者，應(yīng)在地表水與地下水轉(zhuǎn)換的主要地點(diǎn)布設(shè)水資源水量專用監(jiān)測站，或在雨洪時(shí)期實(shí)地調(diào)查。

9）平衡區(qū)內(nèi)配套的雨量和蒸發(fā)站網(wǎng)應(yīng)滿足水平衡分析的要求。

10） 大型水稻灌區(qū)應(yīng)有作物蒸散發(fā)觀測站；旱作區(qū)除陸面蒸發(fā)外還應(yīng)進(jìn)行潛水蒸發(fā)觀測。

11）大型水庫、面積超過 2 萬 hm2的大型灌區(qū)應(yīng)具有水資源水量監(jiān)測專用站。

2.3 監(jiān)測要素和時(shí)效性要求不盡相同

常規(guī)的流量水文測站一般要求監(jiān)測項(xiàng)目齊全，至少應(yīng)包括雨量、水位、流量 3 個(gè)項(xiàng)目，有的還有蒸發(fā)、泥沙、水質(zhì)和輔助氣象觀測項(xiàng)目等。傳統(tǒng)的水文測驗(yàn)重點(diǎn)常常是洪水，對(duì)中小水特別是枯水的測驗(yàn)要求相對(duì)較低，頻次較少，平、枯水測驗(yàn)成果誤差相對(duì)較大。常規(guī)水文站網(wǎng)中，部分具有防汛功能的測站需要實(shí)時(shí)報(bào)送監(jiān)測信息，其他測站一般不具有實(shí)時(shí)報(bào)送水文信息的需求。

水資源監(jiān)測要素比常規(guī)的水文監(jiān)測要素更廣泛一些，但水資源監(jiān)測的重點(diǎn)往往是流量。因此對(duì)平、枯水流量的測驗(yàn)精度和頻次要求高，同時(shí)還需要考慮水量水質(zhì)同步監(jiān)測的需要，而對(duì)降水、蒸發(fā)、泥沙和氣象等項(xiàng)目的測驗(yàn)要求相對(duì)較低。水資源監(jiān)測要素還包括：1）取水量、用水量、排（退）水量、水廠的進(jìn)出廠水量、地下水開采量等信息；2）泵站、閘門、水電站等水利工程運(yùn)行的閘位等水利工程信息；3）泵站、閘門、工程機(jī)械啟動(dòng)停止信息；4）管道內(nèi)壓力信息；5）城市、工業(yè)的明渠管道輸水測量。除此以外，為了水資源管理調(diào)度，還需要遠(yuǎn)程監(jiān)控水資源信息，對(duì)一些重要水利工程和水源地對(duì)象實(shí)施遠(yuǎn)距離的視頻監(jiān)視信息傳輸，采用手工、半自動(dòng)和自動(dòng)等手段對(duì)重要閘門，水泵實(shí)施控制運(yùn)行，并需要控制運(yùn)行后的反饋信息[6]。

水資源監(jiān)測對(duì)監(jiān)測信息的實(shí)時(shí)性要求一般較高，要求測站具有實(shí)時(shí)向水行政主管部門及時(shí)報(bào)送監(jiān)測信息的功能，其監(jiān)測頻次相對(duì)傳統(tǒng)水文測驗(yàn)而言要求高。因此，對(duì)監(jiān)測儀器設(shè)備配置和信息自動(dòng)傳輸功能要求高，所以應(yīng)優(yōu)先考慮實(shí)現(xiàn)巡測和自動(dòng)監(jiān)測，并具有信息自動(dòng)傳輸功能。

2.4 監(jiān)測控制要求不盡相同

2.4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求

常規(guī)的水文流量測驗(yàn)，國家基本水文站按流量測驗(yàn)精度分為 3 類。其中流速儀法的測量成果可作為率定或校核其他測流方法的標(biāo)準(zhǔn)，其單次測量測驗(yàn)允許誤差，一類精度的水文站總隨機(jī)不確定度為5%～9%，二類精度的水文站總隨機(jī)不確定度為 6%～10%，三類精度的水文站總隨機(jī)不確定度為 8%～12%（總隨機(jī)不確定度的置信水平為 95%）[7]。

這個(gè)水文測驗(yàn)的河流流量測量準(zhǔn)確度要求已經(jīng)是可能達(dá)到的最高要求，因此水資源的河流流量測量準(zhǔn)確度要求應(yīng)和水文測驗(yàn)要求相同。但水資源監(jiān)測中的管道流量和部分渠道流量測量準(zhǔn)確度要求可能高于河流流量測驗(yàn)要求。應(yīng)用明渠和管道流量測量方法監(jiān)測地下水開采流量，則應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的準(zhǔn)確度要求。為了達(dá)到較高的水資源流量監(jiān)測準(zhǔn)確度，對(duì)有些監(jiān)測要素可能提出較高的準(zhǔn)確度要求，如要求水位監(jiān)測達(dá)到毫米級(jí)精度。此外，用于生活用水的水源地、取水口有較高的水質(zhì)監(jiān)測要求。對(duì)一些監(jiān)測控制信息，也有較高的準(zhǔn)確度和可靠性要求。

2.4.2 傳輸控制要求

水資源管理系統(tǒng)需要傳輸有關(guān)圖像，以監(jiān)視現(xiàn)場。對(duì)需要控制運(yùn)行的泵站、閘門等設(shè)施，要保證能可靠控制其運(yùn)行，并不斷監(jiān)測其工作狀況。這些要求和工作特性是完整的工業(yè)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測控制系統(tǒng)所需要的，和一般的信息采集傳輸系統(tǒng)有所不同。

2.5 對(duì)要素監(jiān)測技術(shù)手段不同

目前水文監(jiān)測以駐站測驗(yàn)為主，巡測和自動(dòng)監(jiān)測為輔，流量測驗(yàn)不完全要求在線監(jiān)測，主要監(jiān)測明渠流量；水資源監(jiān)測以自動(dòng)監(jiān)測和巡測為主，駐測為輔，流量監(jiān)測一般要求實(shí)現(xiàn)直接或間接的在線監(jiān)測，除明渠流量監(jiān)測外，還需對(duì)管流進(jìn)行監(jiān)測。需要時(shí)，還要結(jié)合調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)取用水量進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，獲取其相應(yīng)水量。當(dāng)然，從水資源監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)來說，除對(duì)水資源量質(zhì)監(jiān)測外，還需對(duì)水資源工程和遠(yuǎn)程控制信息進(jìn)行監(jiān)測，這些監(jiān)測更多的是采用自動(dòng)監(jiān)測，具體如下：

1）明渠中的流量監(jiān)測是間接測量，不能直接測得流量，而是要測量水位、水深、斷面起點(diǎn)距、流速等多個(gè)要素，然后用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到流量。因而流速、水位、水深、起點(diǎn)距成為直接的水資源監(jiān)測要素。在明渠流量監(jiān)測中，無論水文監(jiān)測還是水資源監(jiān)測，其所需監(jiān)測的要素是相同，而水資源監(jiān)測技術(shù)手段更趨向自動(dòng)化。

2）管道流量監(jiān)測一般分為滿管和非滿管流量監(jiān)測。滿管流量監(jiān)測可用水表法、電磁流量計(jì)法、農(nóng)用水表法、聲學(xué)管道流量計(jì)法等。非滿管流量監(jiān)測可采用非滿管聲學(xué)管道流量計(jì)、堰槽法、水工建筑物法等。

3）對(duì)于水庫、湖泊，需要測量其蓄水量，有些河槽蓄水量也是水資源監(jiān)測要素。監(jiān)測水位后可以應(yīng)用水位—庫容等關(guān)系得到蓄水量。

4）水質(zhì)是水資源監(jiān)測的重要要素，水質(zhì)參數(shù)種類很多。SL 219—2013《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》中對(duì)河流水質(zhì)，如飲用水源地、湖泊水庫、地下水的水質(zhì)必測和選測項(xiàng)目作了具體規(guī)定，都達(dá)到數(shù)十項(xiàng)之多，對(duì)一些特殊站點(diǎn)，還應(yīng)加測一些項(xiàng)目。但常規(guī)檢測并不完全分析全部項(xiàng)目[8]。

3 結(jié)語

本研究從水資源監(jiān)測內(nèi)涵角度，給出了水資源監(jiān)測基本任務(wù)，重點(diǎn)分析了與傳統(tǒng)水文監(jiān)測的主要差異。目的是為了進(jìn)一步提高對(duì)水資源監(jiān)測重要性及相關(guān)技術(shù)方法認(rèn)識(shí)，以期在今后工作工作中，按照“水利工程補(bǔ)短板 水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”總基調(diào)要求，不斷完善水資源監(jiān)測站網(wǎng)，不斷提高水資源監(jiān)測現(xiàn)代化技術(shù)水平。從傳統(tǒng)的水文監(jiān)測逐步走向水資源監(jiān)測，包括從監(jiān)測自然水要素向監(jiān)測自然水和社會(huì)水要素并重轉(zhuǎn)變；從過去的流域水系一條線向流域和行政相結(jié)合轉(zhuǎn)變，從駐測、巡測、人工監(jiān)測為主向自動(dòng)化和信息化監(jiān)測轉(zhuǎn)變，為水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管、最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)施，以及為以水定城、定人、定產(chǎn)提供強(qiáng)有力技術(shù)支撐。