推進新時代長江水文高質量發(fā)展體系建設構想

程 海 云

(長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

0 引 言

黨的十八大以來，習總書記提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水新思路，形成了科學嚴謹、邏輯嚴密的治水理論體系。水文是防洪抗旱、水資源保護、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復的重要支撐，圍繞水文站網現代化、水文監(jiān)測自動化、水文預報預警實時化、水文信息分析評價智能化、水文發(fā)展保障長效化等，規(guī)劃了“十四五”水文工作的總體目標。

隨著2021年3月1日《中華人民共和國長江保護法》的實施，流域內各行各業(yè)均對水文工作提出了更高的要求，為充分達到“十四五”總體工作目標，推動新階段水利高質量發(fā)展，水利部李國英部長率先提出了“數字孿生流域”的概念[1]，各大流域機構的水文部門對此進行了深入探索和研究[2-5]。長江水文歷經70余年的發(fā)展、創(chuàng)新與實踐[6]，在助力長江經濟帶高質量發(fā)展中發(fā)揮著無可替代的作用[7]。“十三五”期間，社會水文、綠色水文、智慧水文、和諧水文“四個水文”逐步推進[8]，在局部區(qū)域開展了“智慧水文”建設實踐[9]，在服務防汛測報、水利建設、水資源管理和水生態(tài)保護等工作中也取得了豐碩的成果[10]。在推進水文現代化進程中，適時地提出了“互聯網+水文監(jiān)測”的總體架構[11]。為進一步強化水文監(jiān)測預報預警支撐安瀾長江建設的作用，初步提出了“五大體系”的建設構想[12-13]。

近年來，長江水文監(jiān)測與預報技術取得長足進步，現已形成布局合理、功能齊全的水文監(jiān)測網絡，成熟、先進的水文監(jiān)測及洪水預報業(yè)務體系，并先后經受了2016，2017，2020年區(qū)域性和流域性大洪水的考驗[14-16]。面對流域不斷變化的外部環(huán)境，為滿足社會經濟發(fā)展越來越高的要求，長江水文仍需認清新形勢，立足新發(fā)展階段，踐行新發(fā)展理念，融入新發(fā)展格局，不斷提升水文能力和拓展水文服務。在推進數字孿生流域建設中，長江水文在站網體系、監(jiān)測體系、支撐體系、服務體系和保障體系等方面仍然存在一定的短板。本文基于長江水文多年的智慧積累，以不斷強化自身專業(yè)優(yōu)勢為依托，提出推進新時代長江水文高質量發(fā)展體系建設構想，詳細闡述了功能完備的綜合站網、透徹感知的立體監(jiān)測、智慧協同的專業(yè)支撐、優(yōu)質高效的信息服務和科學規(guī)范的管理保障等“五大體系”的內涵和要義，以期擴展長江水文對社會服務的范圍和領域，為中國“十四五”乃至第二個百年目標的實現做出更大的貢獻。

1 長江水文體系建設現狀

新中國成立以來，特別是改革開放以來，長江水文不斷發(fā)展，建成了與區(qū)域經濟和水利工程建設格局協調的基本水文站網，監(jiān)測要素已由水文監(jiān)測逐漸擴展至水環(huán)境、水生態(tài)等眾多要素的共同監(jiān)測，形成了多個類型產品服務的專業(yè)支撐體系，初步具備部門內協同、部門外互通、全社會共享的信息服務基礎，以及較為完善的管理保障體系。

(1) 長江流域已基本形成與區(qū)域經濟和水利工程建設相適應的水文站網體系。長江水文在重慶、武漢、南京、上海市等地設立了8個勘測局，負責水文監(jiān)測業(yè)務的具體實施。多年來在長江干流及重要支流已建成較完備的監(jiān)測網絡，截至2020年底，在長江干流及重要支流布設了431個水文監(jiān)測站點采集各類水文信息，并與流域內各省市水文、氣象及水庫管理等多個部門開展信息互聯互通，共享2.8萬余站點水雨情信息。初步建成集資料收集、水旱災害防御、水資源管理、水環(huán)境治理及水生態(tài)保護等功能為一體的監(jiān)測站網體系[12，17]。水情監(jiān)測站網建設尤為突出，接收流域15個省(市)部門的水情報汛站總數達3 000余處，預報覆蓋面積140萬km2以上，發(fā)布預報河段長達3 600 km以上。隨著經濟社會的發(fā)展和長江水情工情的變化，治江工作仍面臨一系列新情況、新問題，站網體系建設仍存在空間布局不均衡、功能不完善、互補性不強等不足。

(2) 長江水文已開展河流水、物質和生物通量的全要素監(jiān)測，實現了降雨、水位、流量及部分水質等要素的自動監(jiān)測。新中國成立初期，水位、雨量的采集基本采用人工觀測方式，流量要素的采集以浮標法或流速儀測速、流速面積法測定，基本上使用轉子流速儀。懸移質泥沙測驗采用橫式采樣器，泥沙處理時間長，效率極為低下。水質監(jiān)測分析實驗室僅配備有分光光度計等中小型儀器設備，僅具備監(jiān)測分析常規(guī)10余項水化學參數的能力[6]。在數十年的建設攻關下，水文監(jiān)測技術水平取得了長足的進步。全部水文測站的水位、雨量可自動采集、固態(tài)存貯和實時傳輸；解決了入海河口潮流量、泥沙監(jiān)測世界性整編難題，實現了水文纜道的流量、泥沙測驗自動化或半自動化；發(fā)明了OBS工作狀態(tài)檢測儀、OBS濁度計安裝支架，為懸移質泥沙的快速和實時在線監(jiān)測創(chuàng)造了條件，研發(fā)生產了新型沙質推移質采樣器并取得良好的應用效果；建成了13座水質自動監(jiān)測站，大大提升了水質常規(guī)、應急和在線實時監(jiān)測能力；開展了長江流域15個水生態(tài)監(jiān)測斷面的試點工作，首次實現了水文、水質、水生態(tài)同步監(jiān)測?；仡欓L江水文監(jiān)測大半個世紀的發(fā)展進程，仍存在泥沙、水質和水生態(tài)等部分要素監(jiān)測技術不成熟，各種要素監(jiān)測量程不夠、監(jiān)測過程不完整，地面站網對河流沿線及流域面上代表性不足等問題。

(3) 長江水文已形成水文監(jiān)測、河道測繪、水環(huán)境監(jiān)測、水文水資源分析、水文水情預報及水文自動測報等6類服務產品。① 逐漸形成了水文要素感知立體化、監(jiān)測自動化以及數據處理信息化的水文監(jiān)測體系。② 截至2016年7月，在長江干流及漢江干流布設有3 666個河道固定斷面，地形監(jiān)測范圍包括長約3 000 km的河道。開展了大量重點河段的水道地形、流速流向、分流分沙、河床演變及泥沙運動觀測，在觀測儀器研制和測繪方法方面取得了長足的進步，編制了中國第一部《水道觀測規(guī)范》。③ 在重慶、宜昌、荊州、襄陽、武漢、南京、上海市設立了7個水環(huán)境監(jiān)測中心，在攀枝花、宜賓市等地設有13個水環(huán)境監(jiān)測分中心，形成了實驗室信息管理系統(tǒng)(LIMS)，共配備液相色譜儀、氣質聯用儀、等離子發(fā)射光譜儀等高端大型儀器設備100余套，水質監(jiān)測項目擴充到120余項。④ 長期致力于流域規(guī)劃與水利水電工程設計的水文分析計算、流域水資源調查評價、水文水資源科學研究，完成了長江流域綜合規(guī)劃等國內外重要江河規(guī)劃及長江三峽等數十項國內外大中型水利水電工程的水文設計工作，承擔了長江流域及西南諸河水資源公報、長江流域跨省江河水量分配方案等工作，主編了《水利水電工程水文計算規(guī)范》《水利水電工程設計洪水計算規(guī)范》等。⑤ 堅持“水文氣象相結合，短、中、長期預報相結合，生產和科研相結合”的技術路線，著力構建高效實用的洪水預報業(yè)務體系，形成了耦合41座控制性水庫、42個蓄滯洪區(qū)、34個沿江主要控制站的全流域預報調度一體化模型，建成了一整套適合長江流域暴雨洪水特性的基于水文氣象耦合、短中長期預報相結合、多模型并行計算與水庫群調度一體化的洪水預報方案[18-19]。⑥ 自2002年開始，長江水文大規(guī)模開展水雨情信息數字化采集技術的建設與應用，至2005年7月1日，在全國率先實現了全流域118個中央報汛站水位、雨量的自動測報，至2010年底，在全國率先實現了流量的自動測報。

(4) 長江水文已建成以防汛抗旱、水資源管理及基本資料收集為目的的水文、河道、水質等各類業(yè)務數據庫。多年來，長江水文收集了流域較為完整的系列水文測驗資料近3.5萬站年，在數據采集、傳輸、整理、展示和應用全過程中，不斷應用和研發(fā)新技術、新方法、新平臺，提高數據的時效性、實用性和準確性。在數據整編方面經歷了手工記載到電算，再到整匯編在線化、可視化的發(fā)展歷程，至2018年，針對最嚴格水資源管理制度對水文整編時效性要求，長江水文運用物聯網、大數據等相關技術，升級完善了南方片《水文資料整匯編軟件》，實現了水文資料的實時整編，做到了“日清月結”，水文信息處理的時效性及精度大幅提升；在數據庫建設與管理方面，基于流域大型水利工程建設與運行管理，先后建成了《長江水文泥沙信息分析管理系統(tǒng)》《三峽水庫泥沙沖淤變化三維動態(tài)演示系統(tǒng)》《金沙江下游梯級水電站水文泥沙數據庫與信息管理系統(tǒng)》等，基本實現了觀測數據的智能化集成、管理、分析和成果展示等，但仍然存在信息孤島現象嚴重，共享平臺功能不足，數據服務內容較少等問題。

(5) 長江水文設立了完整的管理機構，創(chuàng)立了在全國水文界率先通過ISO質量管理體系認證的制度。為持續(xù)改進質量管理體系，長江水文2002～2018年先后出臺A至F共6個不斷改版的質量管理體系文件，并于2022年將F版的《質量管理體系》升級為《質量、環(huán)境和職業(yè)健康安全管理體系》，編制了《質量、環(huán)境和職業(yè)健康安全管理手冊》，規(guī)定了長江水文、環(huán)境和職業(yè)健康安全等三體系管理的方針、目標，確定了三體系管理的覆蓋范圍?！冻绦蛭募愤€進一步對手冊中的成文信息、人力資源、內部審核、管理評審、糾正措施、風險管控、六大產品(水文測驗、測繪、水環(huán)境監(jiān)測、水文氣象預報、水文水資源分析計算、水文自動測報)實現等控制過程和職責具體化。長江水文擁有一批較高水平的人才隊伍，為水文事業(yè)發(fā)展提供了人才和質量保障。

2 長江水文“五大體系”的建設構想

當前，中國已進入第二個百年的發(fā)展階段，“十四五”新征程逐步進入攻堅期。長江水文將一以貫之地深入貫徹領會“十六字”治水思路和“兩個堅持、三個轉變”防災減災新理念，堅持目標導向和問題導向，以“補短板、強支撐、優(yōu)服務”為工作主線，持續(xù)深化“四個水文”，著力推動“五大體系”建設，全面提升水文監(jiān)測預報預警能力和水文分析計算的數字化、智慧化水平，有力支撐“安瀾長江”建設，更好地推進中國水利事業(yè)的發(fā)展。長江水文“五大體系”建設的基本構成、內容、思路和主要目標及其邏輯關系如圖1所示。

圖1 長江水文“五大體系”建設框架Fig.1 Framework for the construction of "five systems" of hydrology in the Changjiang River

長江水文將以構建功能完備的綜合站網體系作為基礎，統(tǒng)籌流域與區(qū)域、兼顧專業(yè)與行業(yè)，立足水安全保障，建設功能齊全、布局合理、共享機制完善的現代化流域監(jiān)測站網體系。以建設透徹感知的立體監(jiān)測體系為關鍵，強化自主創(chuàng)新與新技術應用，深化多種監(jiān)測手段的互補耦合，提高感知能力、豐富感知內容，提供品質更好、時效更高、種類更多的數據資源。以建設智慧協同的專業(yè)支撐體系為核心，加強水文基礎規(guī)律研究，強化水文多專業(yè)協同，深化新一代數字技術應用，推進水文供給側結構性改革。以建設優(yōu)質高效的信息服務體系為根本，建設“一個大數據中心、一個綜合服務平臺、兩大服務門戶”，夯實水文發(fā)展基礎，為水利和經濟社會高質量發(fā)展提供泛在優(yōu)質的水文綜合服務。以建設科學規(guī)范的管理體系為保障，強化政治引領、深化內部管理、加強文化建設，統(tǒng)籌安全與發(fā)展，為推動水文高質量發(fā)展提供有力保障。

3 長江水文“五大體系”的建設目標

3.1 功能完備的綜合站網體系

“十四五”期間，以建設空間布局合理、站網功能齊全的現代化流域綜合站網體系為目的，重點加強建設流域西部及西南諸河、長江口等區(qū)域包含水網建設、水利工程、行政區(qū)界等功能的水文站網，整合流域與區(qū)域、專業(yè)與行業(yè)綜合站網，實現全要素信息共享。

3.1.1均衡完善全流域水文站網

(1) 加大流域西部及源頭區(qū)站網密度。長江流域西部及西南諸河站網密度較稀，僅達到世界氣象組織推薦的干旱區(qū)站網密度標準(5 000～20 000 km2/站)，以大中尺度空間控制為主，不能實現基本規(guī)律研究的全控制?！笆奈濉逼陂g，應加大流域西部以及西南諸河流域的站網密度，重點加大具有突發(fā)性和高死亡率的山區(qū)中小河流地區(qū)水文站網密度。近期，積極推進瀾滄江、雅江出境控制站建設，完善流域機構水文國界管理職能。

(2) 推進長江口綜合站網建設。盡管流域東、中部水文站網密度較高，但基本位于內河水系，為長江口地區(qū)風暴潮規(guī)律設立的基本水文站極為稀少，不利于河口地區(qū)防洪和經濟建設，還需大力擴展基本水文監(jiān)測站網，重點推進長江口風暴潮監(jiān)測預警中心建設，并按《長江保護法》要求，擴展監(jiān)測項目和預警范圍。

(3) 完善城市水文站網。隨著中國城市化進程的逐漸加快，城市防洪、水資源、水環(huán)境等問題逐漸顯現，然而因缺乏城市基本水文站網，甚至許多中小城市尚處于空白，導致中國對城市水文基本規(guī)律無法開展深入研究，不利于城市發(fā)展和安全，急需完善城市水文觀測體系。

(4) 完善行政邊界水文站網。河(湖)長制需不同類型的行政區(qū)界水文站用于流量、水質指標的核算，長江流域因面積大、河流多，尚未實現省界斷面水文站網全覆蓋，地區(qū)界、縣區(qū)界在各省之間分布極不均勻，不利于中國生態(tài)文明建設和最嚴格水資源管理制度的實施?！笆奈濉逼陂g，應建設完整的省界水文站網，不斷完善各類行政區(qū)界水文站網。

(5) 構建工程監(jiān)控站網體系。為水利工程設計建設所需，弄清工程所在地的水文規(guī)律，長江流域建設了較多工程水文專用站，隨著水利工程的建成，大都遷移甚至撤消，然而受水利工程影響，流域水文規(guī)律已發(fā)生重大變化，現有的水文站網已不足以覆蓋所有水利工程，不能全面掌控流域水文基本規(guī)律，應在原有為水利工程建設設立的水文站網基礎上，進一步補充完善水文站網體系。

為實現長江流域水文監(jiān)測網絡全覆蓋，應根據需求補缺項、擴范圍，優(yōu)化調整現有站網布局，實現流域水文站網與地方水文站網的協同配套。首先，可通過大量增設巡測斷面，建設在線測量設施，實現“測報自動，巡測率定”的模式；其次，充分利用現有的水利水電工程水情和調度系統(tǒng)，將所有水利水電工程視為“水文站”，通過對各種大壩溢流系數、電功率系統(tǒng)的率定，實現水文站網的擴充；再次，利用現有的空間遙感技術，在無水文測驗條件的地區(qū)增設“虛擬站”，重構水文序列并開展連續(xù)水文測驗工作。

3.1.2協同共享全要素綜合站網

(1) 增加基本水文站網監(jiān)測要素。基本水文站主要用于研究自然界水的時空分布、變化規(guī)律，開展水位、流量、泥沙、降水、水面蒸發(fā)、地下水、墑情、水質、水生生物、河道地形等主要水文要素的觀測。大量以防洪為主要目的的站網，以觀測降水、水位、流量項目居多，部分站點僅開展半年的觀測工作。因此，要充分考慮基本水文站點的地理位置，增加水資源管理、水資源保護、水生態(tài)保護、工程管理、河道管理、城市水文以及科學研究的監(jiān)測內容，在擴展監(jiān)測能力的基礎上，部分或全面地增加蒸發(fā)、泥沙、水質、水生態(tài)、水生境、地下水等要素觀測。

(2) 擴充專用水文站網功能。大量為特定對象服務的專用水文站，觀測要素有限，可充分利用位置特點擴充站網功能。如為水資源管理服務的省界斷面和水量分配河流的控制斷面，現階段僅觀測水位、流量，考慮到該類斷面部分位于生態(tài)敏感地區(qū)，良好的水質和水生態(tài)狀況是保護河流的必要條件，因此，除要求開展生態(tài)流量監(jiān)測需求外，要大力增加水質監(jiān)測項目，實現水質全要素監(jiān)測，同時，還需盡快擴展水生態(tài)監(jiān)測、水生境調查的能力。其他服務于防汛抗旱、采砂管理、水環(huán)境保護、水土保持、水生態(tài)保護、工程管理、河道管理的站網，也需進一步擴展各項功能。

(3) 增加長江口潮水位站網綜合功能。針對長江口地區(qū)的站點觀測項目大多為潮水位的實情，已遠遠不能滿足《長江保護法》第六十條加強對水、沙、鹽、潮灘、生物種群的綜合監(jiān)測的要求，不能為防止海水入侵和倒灌、維護長江口良好生態(tài)功能提供數據支撐，需開展潮流量、水環(huán)境、水生態(tài)、水生境等全要素的綜合監(jiān)測。

(4) 增加河(航)道站網的水文功能。為保障船泊航行安全，航道部門沿江設立了大量水位觀測站，配合航道測量以及5 a一次的長程水道地形測量，但相應的泥沙和水環(huán)境監(jiān)測站點稀少，監(jiān)測范圍也未實現全覆蓋。在增加河(航)道站網泥沙和水環(huán)境等水文功能外，重點加強長江上游干流、金沙江及重點水利工程水文及河道站網的泥沙監(jiān)測功能，在長江流域重點開采區(qū)上下游水文河道站點開展水生境調查，通過共享水土流失監(jiān)測站網信息，弄清不同空間尺度泥沙運動特點及其相互轉換的規(guī)律。

(5) 實現各行業(yè)站網功能互補。水文站網因主要服務于水利部門，無論從需求還是從技術實力，很難實現功能的全覆蓋。為了更全面為社會提供服務，需強化水文站網和氣象、生態(tài)環(huán)境、海洋等其他行業(yè)站網的協同配合，建立健全共建、共管、共享機制，實現各類服務功能要素的全覆蓋，以及全要素的綜合監(jiān)測。如何實現水文站網功能的全覆蓋，最重要的是要對標現有站網與需求，根據需求擴充現有站網的功能；其次是要加強現有水文站網擴展功能的監(jiān)測能力建設，逐步增加監(jiān)測項目；最后，要加大測站人員的技能培訓，重點是水生態(tài)監(jiān)測和水生境調查技能，使之達到開展增加功能監(jiān)測項目的能力。

3.2 透徹感知的立體監(jiān)測體系

“十四五”期間，以5G通信、物聯網、智能傳感器等新技術應用、提高監(jiān)測能力、豐富監(jiān)測內容為目的，重點創(chuàng)新流量、泥沙、水質等要素自動監(jiān)測技術，開展水生態(tài)、水生境監(jiān)測裝置研制，初步構建空天地一體的多種手段互補耦合監(jiān)測體系。

3.2.1完善全要素自動監(jiān)測

隨著科學技術的發(fā)展，在水通量監(jiān)測要素中，水位、雨量已全面實現數字化自動監(jiān)測；流量受河流特性影響，僅部分實現在線監(jiān)測。在物質通量監(jiān)測要素中，泥沙觀測的自動在線監(jiān)測技術尚不完善，仍采用最原始現場采樣實驗室測定的方式，需投入大量的人力物力，不滿足自動化的要求；水質因參數眾多，僅部分可在線監(jiān)測，絕大多數需采取水樣在實驗室測定。在生物通量監(jiān)測要素中，各種生態(tài)和生境要素均未實現自動在線監(jiān)測，有些甚至缺乏有效的監(jiān)測手段。因此，應在提高水位雨量自動測報設備可靠度的同時，盡快開展流量、泥沙、水質、生態(tài)自動監(jiān)測儀器的研發(fā)。

(1) 流量自動監(jiān)測。首先，大力開展基于聲學、視頻、雷達原理[20]的各類自動在線流速儀器的研發(fā)，實現主要流量自動在線測驗儀器的國產化，同時要加強各類新儀器的比測試驗，使其盡快達到實用要求；其次，針對長江水文位于大江大河的特點，研究多傳感器多線多點組合方式，實現河道全斷面流量在線監(jiān)測；開展流量監(jiān)測的水文測船等運輸載體的自動化、智能化設備研發(fā)，通過對水文測船定位控制、機械設備優(yōu)化、信號處理設計，實現水文測船的智能控制；通過對水文纜道絞車和動力控制，信號傳輸、接收、處理，水下儀器的優(yōu)化，實現水文纜道的智能控制。

(2) 泥沙監(jiān)測。一方面要著力研發(fā)泥沙現場自動監(jiān)測儀器，開展OBS、TES-91、LISST的比測試驗，研發(fā)基于量子點光譜的泥沙含量、級配及物質組成測量一體化設備，驗證同位素、光電、振動等物理測沙儀等儀器在長江不同河段的適用性，為實現懸移質泥沙的快速和實時在線監(jiān)測創(chuàng)造條件；另一方面開展流量、泥沙異步測量精度提升方法研究，以流量監(jiān)測自動化實現懸移質泥沙測量的自動化。同時，還需要開展推移質泥沙自動測量原理和裝置研究，力爭突破推移質在線測量的難題。

(3) 水質監(jiān)測。一是加大水質在線監(jiān)測方法的研究力度，積極引進先進的儀器設備，進一步擴大自動監(jiān)測的參數數量；二是開展衛(wèi)星、無人機對懸浮物、葉綠素、油類等光譜特性與地面人工采樣比測分析，構建天空地一體的水質觀測網絡，提高水質監(jiān)測時效與質量。近期，積極推動丹江口庫區(qū)水質預報預警系統(tǒng)的建設，確保南水北調中線水源的安全。

(4) 生態(tài)監(jiān)測。依據水利部頒布的《生態(tài)流量監(jiān)測預警技術指南》，大力開展水生生物自動監(jiān)測技術研究，將水生生物監(jiān)測由形態(tài)監(jiān)測向eDNA監(jiān)測轉變，建立各類水生生物種群的基因庫，引進或開發(fā)水生生物數量、種群的自動監(jiān)測系統(tǒng)。針對水生生境監(jiān)測，可結合水文測站特性，制定標準的水生生境監(jiān)測種類和方法。

(5) 河道測繪。一方面研究無人機航測與水下地形自動結合測量方法，提高河道灘涂測量的效率；另一方面開展地面、水面三維掃描與水下機器人同步測量技術探索，實現陸地水下地形同步測量；再者，應開展基于多星源衛(wèi)星融合的觀測研究，突破衛(wèi)星水下地形測驗難題，加強河道測繪的時效性。

(6) 全要素自動集成。首先，大力開展各要素自動測量設備研發(fā)，加強各類新技術裝備的科學應用，研究全類型復雜河段的水文要素在線監(jiān)測最優(yōu)化方法，解決不同要素設備的不兼容問題；其次，研發(fā)基于網絡智能控制的降水、蒸發(fā)、水溫、水位、流量、泥沙等水文要素在線監(jiān)測成套設備；第三，充分利用5G等新基建賦能改造傳統(tǒng)技術，研制基于物聯網融合的水文全要素集成系統(tǒng)，解決海量數據匯集、遠程控制、實時并行處理等難題。

3.2.2實現全過程全量程監(jiān)測

(1) 水文全過程監(jiān)測，實時在線方式仍是最直接的手段。要充分應用先進的監(jiān)測設備，開展與站點特性匹配的比測試驗，研究與監(jiān)測數據匹配的計算方法，探索更為便捷、有效、融合的監(jiān)測方式。然而，對于尚未實現自動在線監(jiān)測的站點，需要著力開展水位流量單值化方法研究，通過水位的全過程監(jiān)測實現流量的全過程；開展異步測沙技術研究，由流量的全過程實現泥沙監(jiān)測的全過程；水質需要解決常規(guī)采樣實驗室化驗的測驗頻次問題，開展實驗室標準方法與衛(wèi)星或移動飛行器光譜分析的適用性研究，通過增加混合頻次實現全過程監(jiān)測；針對長江河道特點，要研究衛(wèi)星遙感與地面現場測量的配度，利用衛(wèi)星重訪規(guī)律較高的特點，提高對河道岸線監(jiān)測的過程控制。

(2) 水文全量程監(jiān)測，低高水水位、流量監(jiān)測是難點。應在系統(tǒng)分析測站特性，充分認識測驗河段水位、流速、泥沙等分布和變化規(guī)律的基礎上，針對高、中、低水的特性，從各監(jiān)測設備的測量原理(雷達波、超聲波、影像等)、安裝方式(點、多點、線、多線等)、流量合成計算模型(線性回歸、流速二維反演積分合成、深度學習等)等多方面合理選擇對應量程的監(jiān)測方式，最終通過量程接力的方式實現全量程自動監(jiān)測。開發(fā)能結合接觸式和非接觸式水位、流速等多要素儀器的通用觀測平臺，研發(fā)水位自記井防淤技術，研制抗干擾高精度的非接觸式水位計，開展無人立尺在極速漲落河段應急水位觀測技術的研究；針對大流量監(jiān)測，大力開展雷達槍、電子浮標等大流量測流設備引進開發(fā)，重點開展基于雷達、光學圖像、UHF等非接觸式流速儀的研制，開發(fā)相配套的軟件系統(tǒng)；針對小流量監(jiān)測，研究超聲波時差、H-ADCP等極低流速測量有效方法，研發(fā)微型ADCP、聲學點流速儀、超靈敏度機械流速儀，水工建筑物流量測驗和系數率定技術。針對泥沙監(jiān)測，開展特小含沙量監(jiān)測方法研究及儀器研發(fā)工作，實現對小含沙量測量技術的突破。

3.2.3突破空天地一體監(jiān)測瓶頸

長江流域片已形成了一定規(guī)模的地面水文站點，站點不可能無限加密，特別是長江源頭以及西南諸河流域，仍存在大量人類無法到達的區(qū)域，如何對這一部分開展水文監(jiān)測，補齊該區(qū)域基礎地理信息，是當前亟待解決的問題之一，構建空天地一體的透徹監(jiān)測網絡是最為有效的解決途徑。研究在近地空間的極軌衛(wèi)星、靜止衛(wèi)星、空間站，在對流層或平流層的探空氣球、多普勒雷達、探空飛機、無人機，以及在河流上布設大量各類地面站點，通過天基、空基、地面三大類平臺的多傳感器聯合觀測，解決監(jiān)測站點稀疏甚至西部無人區(qū)很難獲取區(qū)域完整信息的缺陷，開發(fā)能及時獲取水文科學中的降雨、土壤水分、徑流、蒸散發(fā)、水質、水域面積、岸線變化、水生態(tài)監(jiān)測等“線、面”信息的空天地一體化監(jiān)測網絡。

(1) 降水監(jiān)測。開發(fā)衛(wèi)星、多普勒雷達的測雨功能，研究空間與地面站網雨量耦合方法，提高雨量監(jiān)測的范圍和精度，為水文水資源預測預報模型提供高精度的數據來源。

(2) 水位、流量監(jiān)測。根據衛(wèi)星大數據的原理，研發(fā)利用歷史水面寬、衛(wèi)星測高數據重構水位系列的途徑；通過構建虛擬的水文站網，開展多星源耦合的水位、流量連續(xù)監(jiān)測技術研究。特別是對于突發(fā)事件，要實現水文全過程全量程監(jiān)測，應開展無人立尺在極速漲落河段水位觀測技術的研究，以及基于衛(wèi)星、移動飛行器的流量、地形快速測量方法的研究。通過引進或研制適應不同類型事件的應急監(jiān)測設備，進行雷達槍、電子浮標等大流量測流，以及微型ADCP、聲學點流速儀等小流量測流儀器的試驗研究，構建水文應急監(jiān)測的物質保障體系以及技術支撐體系

(3) 泥沙、水質監(jiān)測。通過衛(wèi)星、移動飛行器的光譜分析，開展相關懸移質含沙量、水質要素的連續(xù)監(jiān)測研究。

(4) 河道測繪。除用好常規(guī)衛(wèi)星定位功能外，可充分利用水位漲落與水面寬度或水域面積的關系，研究利用高精度衛(wèi)星遙感數據開展過往水道重構的方法，開發(fā)基于衛(wèi)星、移動飛行器的流量、地形快速測量技術，與水下機器人進行水陸空一體化全息測量。

(5) 空天地一體化觀測。① 要解決事件感知與多傳感器協同觀測與快速響應問題，將空天地觀測數據關聯共享，實現地面監(jiān)測的綜合、快速響應。② 將遙感技術與傳統(tǒng)地學方法相結合，建立涵蓋信息處理、解譯、分析、表述和應用的信息綜合應用技術，實現空天地數據的融合、同化與協同信息處理的快速、精確和全面，改變傳統(tǒng)的“以點帶面”信息處理模式。

3.3 智慧協同的專業(yè)支撐體系

“十四五”期間，立足于現有信息化基礎，借助物聯網、云計算、人工智能等信息化技術，以業(yè)務應用協同為導向，以數字化、網絡化、智能化為主線，以產品智能改造升級、水文業(yè)務拓展轉型為目的，重點開展傳統(tǒng)水文業(yè)務智慧賦能，推進算據、算法、算力建設，實現水文全業(yè)務鏈的在線協同，形成“測報算”一體的專業(yè)合力，構建水安全全要素預報、預警、預演、預案模擬業(yè)務平臺。

3.3.1提升水文產品智能水平

(1) 水文監(jiān)測。全力建設長江智慧水文監(jiān)測系統(tǒng)(WISH)。要充分應用移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等信息通信技術，建立包括全部水文監(jiān)測信息的采集、處理、審查、整編、發(fā)布及相應各項管理在內的唯一、清晰和完整的流程鏈，實現“互聯網+水文監(jiān)測+在線整編”的總體目標。通過深度融合新技術應用，提升水文監(jiān)測數據在站處理、資料整編、分析計算的自動化智能化水平；深化水文測站管理體制機制，完善站網管理體系，借助AI視頻賦能，構建巡測模式下的新型智能測站管理模式；開發(fā)智能巡測系統(tǒng)，實現基于在線地圖的巡測測次、路線智能推薦的水文測驗布置。

(2) 河道測繪。開發(fā)衛(wèi)星、移動飛行器遙感與河道泥沙觀測及地面河勢調查耦合的一體化河道岸線智能監(jiān)視系統(tǒng)，推動河道測量、制圖、入庫、管理的一體化系統(tǒng)建設，實現測繪工作鏈全過程的自動化、在線化，數據來源的現場化、唯一化，數據處理的智能化。進一步加快河道測繪的效率，將對長江河道岸線的監(jiān)測頻次由幾年一次縮短為幾天一次，逐漸實現對長江河道實時監(jiān)控。以穩(wěn)定、精確、專業(yè)定制化河道泥沙算法與預測模型為基礎，采用數據、算法、功能三級服務架構，構建數字孿生流域的數據底座，實現領導座艙式三維河道表現，并提供沉浸式河道瀏覽體驗，為河道水庫沖淤演變分析、水文泥沙預測、崩岸分析預測、水庫調度決策及堤防、岸線、采砂、航道管理提供決策依據。

(3) 水環(huán)境監(jiān)測。通過流域水質中心和7個水質分中心實驗室信息管理系統(tǒng)(LIMS)升級完善，將LIMS系統(tǒng)范圍延伸至分局水質實驗室，結合水質全要素監(jiān)測能力建設，實現全局水質數據的全設備、全要素、全過程的智能管理，開發(fā)水質數據的智能傳輸、率定、預警系統(tǒng)。同時，擴充水質要素的監(jiān)測范圍，開展水生態(tài)、水生境觀測技術研究。

(4) 水文水資源分析。在持續(xù)升級水文分析計算系統(tǒng)和實現計算成果智能報警、標準化輸出與在線校審的基礎上，開發(fā)智能水文水資源分析評價系統(tǒng)，通過關聯整合、資源索引、統(tǒng)一編碼、對象描述，實現水文分析與水資源評價的模塊化、智能化。

(5) 水文水情預報。開展“四預”能力建設，完善升級洪水預報調度系統(tǒng)，構建智能預報調度體系。在預報調度技術方面，研究基于大數據、人工智能的水文預報新方法、新模型，實現水文氣象預報技術創(chuàng)新；開展水文氣象數據融合研究，將降雨和水文數據標準化和網格化，提升短、中、長期預報精度；積極研究應用知識圖譜、人工智能等新技術，構建智能算法解決水文氣象異常數據檢測、歷史相似雨洪分析、預報產品自動生成、智能內容搜索等高復雜、多重復的傳統(tǒng)問題，提升效率和智能水平；開展水文數字流場建設，構建物理流域的數字水文映射，同步現實場景和連續(xù)不斷的各類信息數據，開發(fā)水文映射數字標準，實現流域水文全要素數字化和虛擬化、全狀態(tài)實時化和可視化。

(6) 水文自動測報。建立多要素多協議兼容的監(jiān)測數據接收處理系統(tǒng)，實現水文全要素在線監(jiān)測。研發(fā)以流量、泥沙監(jiān)測為重點的水文智能測報產品，開發(fā)全量程水文觀測平臺等成套技術裝備，實現多要素的智能在線監(jiān)測和全要素高精度智能儀器間協同監(jiān)測；構建基于物信融合的水文數據智能匯聚系統(tǒng)，實現水文測報要素一體化、數據處理與傳輸智能化，創(chuàng)新適應新形勢的監(jiān)測標準體系。

3.3.2擴展水文智慧服務領域

(1) 開發(fā)水資源管理與考核數據支撐體系，積極服務于最嚴格水資源管理。要從主要服務于防汛向兼顧各種要求轉變，研究中小流量自動監(jiān)測及精度評價技術、研發(fā)中小流量智能在線監(jiān)測平臺和設備、提升水工建筑物推流系數智能率定與自適應修正水平、開發(fā)流域地下水水位水質監(jiān)測和智能評價預警系統(tǒng)，通過區(qū)域水文大數據智能分析，為水資源考核指標的率定和考核數據的合理性分析提供數據支撐。

(2) 構建水生態(tài)智能監(jiān)測體系，響應生態(tài)文明建設。開展生態(tài)調度機制下枯水期和魚類產卵期生態(tài)流量、水生生物、河道生境智能監(jiān)測技術研究，研發(fā)水生生物、河流生境監(jiān)測評價相關技術，開發(fā)長江干流、重要支流和重要湖泊控制斷面生態(tài)流量智能監(jiān)控和預警系統(tǒng)；積極開展梯級水庫群生態(tài)實時預報調度方法研究，探索調度時機、調度次序、調度過程、調度效果監(jiān)測評價的智能化途徑，建立與生態(tài)調度高度一致的全要素監(jiān)測預警體系。

依托水文數字賦能，全面拓展水文服務領域。以現有水文六大產品為基礎，以全社會對水文需求為導向，通過深化大數據、人工智能等數字技術的融合應用，實現水文信息數字的產品化，開展水文深加工，開發(fā)質量更好、效率更高的水文專業(yè)產品，將水文服務延伸至更多行業(yè)或領域。

3.4 優(yōu)質高效的信息服務體系

“十四五”期間，以建立數據高效協同體制、形成堅實的數據底座、建設孿生流域為目的，重點建設長江水文大數據中心、水文綜合服務平臺及公眾服務門戶。

3.4.1建立高效業(yè)務協同體制

(1) 整合流域節(jié)點不同業(yè)務系統(tǒng)功能。通過擴展長江流域實時水雨情數據庫的應用范圍，全面整合國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)、國家流域水資源監(jiān)控系統(tǒng)、國家地下水監(jiān)測系統(tǒng)等在長江流域節(jié)點的功能，研制適應長江流域特點的全要素實時信息匯集平臺。開發(fā)衛(wèi)星、超短波、手機APP等多平臺融合，涵蓋水文站點、水庫群、水文管理部門等各種信息來源的共享以及交換系統(tǒng)。融合全國省界斷面水文水資源監(jiān)測信息系統(tǒng)和水文在線整編系統(tǒng)，實現水文監(jiān)測數據整編、傳輸、存儲、共享的實時化、一體化。基于物聯網技術，擴展長江流域防汛會商系統(tǒng)功能及使用范圍，充分吸收現場的水文測驗、水庫管理和電站調度人員的經驗，為防洪抗旱、水資源管理提供高質量服務保障。

(2) 構建行業(yè)間業(yè)務協作體制。組建長江流域水質監(jiān)測信息網，推進流域內水質實驗室LIMS系統(tǒng)建設，擴展現有平臺的共享數據種類，完善水文系統(tǒng)內水質參數的共享交換體制。在鞏固流域水文協作體制的基礎上，建立與各級氣象、生態(tài)環(huán)境、國土資源、應急保障部分的有效聯絡機制，實現行業(yè)間的信息共享流程。

3.4.2構建水文信息服務體系

(1) 一個中心。建設一個長江水文大數據中心，建立基礎、實時監(jiān)測、時空和信息場景等數據的集合，以及資源目錄、多級元數據、信息標識和知識圖譜等，實現水文信息資源的虛擬化組織，形成水文大數據環(huán)境。通過整合水文數據資源，建設流域水文數據底座，實現流域水文全要素數字化映射，建立全面支撐水文業(yè)務應用的大數據中心。通過構建包括多源異構的數據獲取、集成、存儲、信息挖掘與可視化等多個過程的大數據體系，以云計算架構為基礎建立水文信息資源統(tǒng)一組織與應用支撐平臺，完成長江水文數據資源目錄建設、數據服務發(fā)布和展示應用，提供數據智能計算、數據挖掘等服務。

(2) 一個平臺。建設長江水文綜合服務平臺，開展大數據信息平臺應用支撐與集成建設，以水文水利各業(yè)務領域數字化、智能化、智慧化為目標，以信息資源整合和高效利用、有序共享為重點，推進算據、算法、算力建設，提升網絡、計算、存儲保障能力，構建基于數據孿生技術模擬仿真平臺，支撐水文全要素預報、預警、預演、預案的模擬分析，建設長江水文綜合服務平臺，打造水文綜合服務引擎。

(3) 兩個門戶。建設長江水文公眾服務和專業(yè)服務門戶，為長江水文體系的迭代升級提供戰(zhàn)略指引，包括局內業(yè)務系統(tǒng)與普通用戶、局外單位與普通用戶等，實現不同級別用戶嚴格的權限控制；對外建立面向不同用戶和需求提供統(tǒng)一的公眾信息服務平臺，提供水文專業(yè)產品、軟件工具、模型算法及技術輸出等專業(yè)服務及發(fā)布、查詢、獲取、管理等功能，以集市門戶的方式，實現服務管理一體化、業(yè)務分析一體化、產品供給一體化，統(tǒng)一展現長江水文的數據、服務和軟件產品。

3.4.3完善水文社會服務形式

持續(xù)完善各類公報、通報產品。繼續(xù)通過出版物、網站、公眾服務號、APP等多種媒介，發(fā)布實時水情、重要汛情、預報預警等信息。積極開展各類為社會管理服務的公報、通報的編制和發(fā)布工作，繼續(xù)編制并出版《長江流域及西南諸河水資源公報》《長江泥沙公報》，協同編制出版《中國水資源公報》《中國河流泥沙公報》，力爭使用數據更權威準確。繼續(xù)為編制《全國生態(tài)流量監(jiān)測信息通報》《全國水資源監(jiān)測通報》提供準確的數據支撐，為最嚴格水資源制度考核提供依據。完善《長江流域水資源監(jiān)測通報》《長江流域生態(tài)流量監(jiān)測信息通報》《長江流域及西南諸河水資源中長期預報》的編制內容、體制，積極為流域管理提供更加全面的支撐。探索進一步擴大為水利中心工作服務的范圍及相應途徑，結合現已開展的河道巡查和衛(wèi)星遙感，充分利用長江水文的數據優(yōu)勢，探索開展《長江險工險段崩岸預警通報》《長江水質通報》的可能性，擴大長江水文的服務領域。

3.5 科學規(guī)范的管理保障體系

“十四五”期間，以保障水文高質量發(fā)展為目的，重點開展全方位精細化管理、科技創(chuàng)新工作，深化內部管理、加強文化建設，促進單位幸福感提升。

3.5.1管理服務的業(yè)務化

(1) 管理保障業(yè)務發(fā)展。① 促進黨建與業(yè)務的深度融合，以堅強的政治保障促進水文高質量發(fā)展，為推動高質量發(fā)展提供政治保障；② 保證制度有利于業(yè)務進步，通過加強管理創(chuàng)新、制訂精細化管理制度、強化執(zhí)行力度，促進管理與業(yè)務融合，完善績效考核、崗位聘用等激勵措施，激發(fā)單位職工積極性和創(chuàng)造性；③ 人才隊伍向業(yè)務傾斜，進一步優(yōu)化招聘制度，加快干部年輕化步伐，持續(xù)推進高層次人才培養(yǎng)，探索干部基層交流培養(yǎng)機制，為基層引進一批留得住的實用型人才。

(2) 管理以解決問題為目的。管理要在傳承和發(fā)揚現有好的做法的基礎上，針對新出現的問題，以問題為導向，開展測站空心化、駐巡結合的技術管理方式，勇于突破既有管理模式，有針對性地開展管理創(chuàng)新。

(3) 管理緊扣重點工作和關鍵環(huán)節(jié)。管理應重點服務于核心業(yè)務，如水文預報、水文測驗、河道觀測、水文水資源、水環(huán)境、自動測報等六大產品，以及數字孿生流域、智慧水文、“一站一策”和“重點示范站”等重點，抓工作短板和薄弱環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮好典型示范引領作用，以點帶面。

3.5.2管理程序的規(guī)范化

(1) 完善規(guī)章制度，做到制度管人。全面清理規(guī)章制度，及時修訂，查漏補缺，切實做到有章可循、有規(guī)可依。建立考核評價體系和問責制度，確保各項規(guī)章制度和規(guī)則要求落到實處，堅決克服形式主義。

(2) 強化ISO質量、環(huán)境和職業(yè)健康安全管理。細化作業(yè)文件，針對具體任務，制定科學嚴謹的工作程序、標準和流程，按程序運行，按標準落實，充分使用信息化建設成果，通過各類應用系統(tǒng)固化流程、提高效率。

(3) 完善崗位職責。結合具體工作流程，細化各類崗位的職責，明確邊緣性、交叉性工作分工，確保任務到人、責任到人，做到人人有擔子、個個有責任，構建各負其責、齊心協力的良好工作氛圍。

3.5.3強化文化和科技保障

(1) 強化文化建設，營造積極向上的發(fā)展氛圍。推進文明單位創(chuàng)建活動，大力宣傳先進人物和先進集體，推進水文示范站文化提升工程，打造長江水文品牌，推進水文化建設，讓干部職工有幸福感。

(2) 強化科技保障，提升發(fā)展動能。堅持技術立局，突出創(chuàng)新能力提升，開展省部級和長江委級科技創(chuàng)新平臺創(chuàng)建，加強與國內外科研院所交流，實現更多國家級和省部級科技獎勵成果落地開花。同時推進科技成果轉化，增強工作實效，讓干部職工體驗到科技自豪感。

4 結 語

水文是防洪抗旱、水資源保護、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復的基礎指標、信息支撐和科學依據，是經濟社會發(fā)展和流域綜合管理的基礎。本文通過梳理長江水文站網布設、監(jiān)測能力、專業(yè)支撐、信息共享以及管理體制等方面的發(fā)展歷程，提出了構建新時代長江水文綜合站網、立體監(jiān)測、專業(yè)支撐、信息服務和管理保障等五大體系的建設構想。“十四五”期間，將通過人工智能、大數據、物聯網等高新技術對傳統(tǒng)水文、水質、水生態(tài)、河道監(jiān)測手段和方式進行改造與更新，擴展水文服務領域，完善水文測報信息網絡和專業(yè)支撐體系，努力構建和發(fā)展長江水文“五大體系”，更好地為社會各方提供優(yōu)質的服務。