高海拔江河源區(qū)水文監(jiān)測現(xiàn)狀與展望
——以青海省水文監(jiān)測站網(wǎng)為例

高 強(qiáng), 王淑芝, 劉得俊, 王 霖, 李祥坤, 何灼倫

(1.青海省水文水資源測報(bào)中心,青海 西寧 810000; 2.青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司,青海 西寧 810000)

水作為自然環(huán)境中最重要的資源要素,在生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著重要作用.高海拔地區(qū)是重要的江河源區(qū),低干擾保護(hù)下的自然屬性是氣候變化及其水文效應(yīng)的指示器.作為反映水生態(tài)文明最直接、最有效的手段,水文監(jiān)測工作承載著重要的任務(wù)和責(zé)任.筆者以青海省為例,分析目前水文工作中存在的問題,并提出解決辦法及建議,以期為高海拔地區(qū)水文工作的開展提供參考.

1 水文監(jiān)測現(xiàn)狀

1.1 水文站網(wǎng)的布設(shè)

截至2020年12月,青海省水文水資源測報(bào)中心下設(shè)基本水文站35處、專用水文站18處、基本水位站1處、專用水位站26處、獨(dú)立雨量站387處及地下水監(jiān)測站140處.監(jiān)測范圍涉及長江、黃河、瀾滄江和內(nèi)陸河4大流域,其中,大江大河和重要支流(流域面積大于3 000 km2)的水文監(jiān)測控制率為32.8%,有重點(diǎn)防洪任務(wù)中小河流(流域面積在200～3 000 km2)的水文監(jiān)測控制率為52.8%.各類監(jiān)測站點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)見表1,水文站網(wǎng)的分布圖略.

表1 各類監(jiān)測站點(diǎn)(按流域劃分) 處

1.2 水文要素監(jiān)測手段

1.2.1基本水文站 基本水文站主要通過全年駐測的方式進(jìn)行監(jiān)測,個(gè)別海拔高的站點(diǎn)以汛期駐測或巡測的方式進(jìn)行監(jiān)測.目前,青海省89%的基本水文站屬于全年駐測站;2處汛期駐測站分別是海拔為4 532 m的長江正源沱沱河站、海拔為3 450 m的大通河尕日得站,這2處站點(diǎn)的汛期(5—10月)通過駐測方式進(jìn)行監(jiān)測,非汛期(11月至翌年4月)停止監(jiān)測;2處全年巡測站分別是瀾滄江上的香達(dá)站、下拉秀站.

基本水文站的測報(bào)自動(dòng)化程度較低,以人工監(jiān)測和人工與自動(dòng)監(jiān)測相結(jié)合方式為主,主要測驗(yàn)項(xiàng)目有降水量、蒸發(fā)量、水位、流量、泥沙量.截至2020年12月,基本水文站的降水量、蒸發(fā)量、水位和流量的自動(dòng)化監(jiān)測占比分別為71%,13%,58%,23%,泥沙的自動(dòng)化監(jiān)測還未開展(表2).

表2 基本站主要測驗(yàn)項(xiàng)目監(jiān)測能力現(xiàn)狀

1.2.2專用水文站 近年來,共建設(shè)18處專用水文站,其中,13處為中小河流項(xiàng)目專用站,主要是提高山洪地質(zhì)災(zāi)害防治能力和防洪預(yù)警服務(wù)水平,要求在5—9月監(jiān)測,監(jiān)測方式為巡測;1處為南水北調(diào)西線工程專用站,監(jiān)測方式為常年駐測;3處為三江源生態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目專用站,其中,隆寶灘站的監(jiān)測方式為全年巡測;雁石坪和曲麻河站在汛期(5—10月)的監(jiān)測方式為巡測,在非汛期(11月至翌年4月)停止監(jiān)測;1處為青海湖生態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目專用站,即泉吉站,在汛期(5—10月)的監(jiān)測方式為巡測,在非汛期(11月至翌年4月)停止監(jiān)測.

1.3 潛在問題

青海省位于青藏高原的東北部,境內(nèi)的三江源與祁連山地區(qū)是我國淡水資源的重要補(bǔ)給地,擁有世界上最大面積的高寒草甸、高寒濕地、高寒灌叢和高寒森林等生態(tài)系統(tǒng),是國家重要的生態(tài)安全屏障[1].目前,水文工作中主要存在以下問題.

1)水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不能滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求.當(dāng)前,經(jīng)濟(jì)社會(huì)已進(jìn)入快速發(fā)展階段,對水文工作提出新的、更高的要求.青海省的水文監(jiān)測工作,在服務(wù)水資源管理方面,存在地表水監(jiān)測能力較強(qiáng)、地下水監(jiān)測能力較弱,水量監(jiān)測能力較強(qiáng)、水質(zhì)監(jiān)測能力較弱,自然水循環(huán)監(jiān)測能力較強(qiáng)、社會(huì)水循環(huán)監(jiān)測能力較弱的特點(diǎn);在服務(wù)防汛抗旱方面,存在汛情監(jiān)測能力較強(qiáng)、旱情監(jiān)測能力較弱的特點(diǎn);在應(yīng)對突發(fā)水污染事件方面,存在應(yīng)對能力較弱的現(xiàn)象;在服務(wù)城市水安全、水生態(tài)與水環(huán)境安全和科學(xué)研究等方面,存在監(jiān)測體系不完善的問題.

2)水文站網(wǎng)的布設(shè)密度不能滿足生態(tài)保護(hù)的需要.青海省先后成立三江源、青海湖和祁連山3個(gè)重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)并建設(shè)三江源國家公園.從生態(tài)保護(hù)方面看,自然保護(hù)區(qū)內(nèi)流域面積處于1 000～1 500 km2的天然不斷流河流都應(yīng)進(jìn)行水文監(jiān)測,否則難以反映生態(tài)水文的演變.在青海湖、祁連山和三江源3個(gè)重要生態(tài)保護(hù)地,流域面積大于1 000 km2的河流分別有7,8,101條,已設(shè)水文(位)站的河流分別有3,5,11條,可看出三江源地區(qū)的水文監(jiān)測密度較低.

3)高海拔地區(qū)的季節(jié)性駐測不能反映氣候變化的水文效應(yīng).在青海省水文水資源測報(bào)中心所屬的35處基本水文站中,33處站點(diǎn)的監(jiān)測方式為全年駐測,占基本水文站的94%;有2處站點(diǎn)的監(jiān)測方式為汛期駐測、非汛期停測,占基本水文站的6%.在18處專用水文站中,監(jiān)測方式為全年駐測的有1處,占專用水文站的6%;在非汛期停止監(jiān)測且河道出現(xiàn)連底凍的站有8處,占專用水文站的44%;在非汛期停止監(jiān)測且河道暢流的站有9處,占專用水文站的50%.

研究顯示[2—4],在氣候變化的條件下,青藏高原徑流演變的結(jié)果對枯季徑流影響較大.大通河的水文分析結(jié)果顯示,21世紀(jì)以來枯水期的基本徑流相對于以往同時(shí)段的明顯增加,尤其在20世紀(jì)80年代增加明顯[5].在凍融期,受釋水作用和蒸發(fā)量增加的影響,不同海拔高度的水資源量變化不同.高海拔地區(qū)徑流過程的完整監(jiān)測,是未來水資源評(píng)價(jià)的主要依據(jù).目前,高海拔地區(qū)水文監(jiān)測站點(diǎn)稀少且缺乏對枯季徑流量的監(jiān)測,同時(shí)低海拔地區(qū)的不斷開發(fā),造成不能對氣候變化下水資源的演變進(jìn)行全面、系統(tǒng)的分析.

4)缺乏系統(tǒng)的水文規(guī)劃,從業(yè)人員技術(shù)儲(chǔ)備不足.高海拔地區(qū)屬于水文監(jiān)測技術(shù)相對落后的地區(qū).青海省已建成多個(gè)水文業(yè)務(wù)系統(tǒng),但各業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)分散,缺少全局性規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn),且系統(tǒng)之間兼容性差、共享和協(xié)同程度低.由于部分水文技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定、修訂工作滯后,不能跟上水文監(jiān)測工作改革的步伐,大大制約了先進(jìn)技術(shù)手段和儀器設(shè)備的推廣應(yīng)用.同時(shí),部分從業(yè)人員對現(xiàn)代化水文監(jiān)測手段的重要性認(rèn)識(shí)不足,習(xí)慣通過常規(guī)的纜車、纜道、人工、手工記載和計(jì)算等進(jìn)行監(jiān)測,雖然一些監(jiān)測站配備了先進(jìn)的監(jiān)測儀器,但往往因?yàn)楸O(jiān)測人員的技術(shù)儲(chǔ)備不足,新技術(shù)和新設(shè)備沒有真正發(fā)揮作用.

2 自動(dòng)監(jiān)測效果

1)夏季降水量和蒸發(fā)量的自動(dòng)化監(jiān)測效果良好.根據(jù)《青海省水文儀器對比觀測分析規(guī)程(試行)》,自記雨量計(jì)對比觀測實(shí)驗(yàn)方法使用的條件:分辨率為0.1 mm(0.2 mm)的雨量計(jì),當(dāng)降雨強(qiáng)度在0.1～4.0 mm/min時(shí),排水量測量誤差小于等于10 mm,絕對誤差不超過±0.4 mm為合格;排水量大于10 mm時(shí),測量相對誤差不超過±4%為合格.日降水量的月、年合格率大于90%,5—9月最大日降水量、各月降水量及年總降水量誤差小于等于±0.4 mm或±4%.在有觀測降水量的34處基本水文站中,自2018年進(jìn)行調(diào)試對比監(jiān)測以來,對比監(jiān)測合格站點(diǎn)有24處,占71%,說明對比監(jiān)測合格站點(diǎn)的自記雨量計(jì)所采集數(shù)據(jù)是可靠的.分別在2019,2020年初對上一年調(diào)試對比監(jiān)測合格的儀器所監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回顧性分析,各站點(diǎn)所采集日降水量的月、年合格率大于90%,5—9月最大日降水量、各月降水量及年總降水量誤差小于等于±0.4 mm或±4%.說明調(diào)試對比監(jiān)測合格的自動(dòng)化監(jiān)測儀器的性能較穩(wěn)定,采集的數(shù)據(jù)精度高.另外,有10處站點(diǎn)目前處于儀器調(diào)試、故障排除和測量誤差分析階段.有387處獨(dú)立雨量站屬于中小河流項(xiàng)目,配置統(tǒng)一的自記雨量計(jì),該批設(shè)備在出廠階段已經(jīng)過率定,監(jiān)測數(shù)據(jù)滿足水文行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求.

根據(jù)《青海省水文儀器對比觀測分析規(guī)程(試行)》,自動(dòng)蒸發(fā)器對比監(jiān)測合格投入使用的條件:月、年蒸發(fā)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的合格率大于90%,月、一定時(shí)間段的蒸發(fā)量偏差不超過±10% .目前,自動(dòng)蒸發(fā)器配置8套,2018年進(jìn)入調(diào)試對比監(jiān)測階段,已有4套對比監(jiān)測數(shù)據(jù)合格,占50%,因此對比監(jiān)測合格的自動(dòng)蒸發(fā)器所采集數(shù)據(jù)是可靠的.分別在2019,2020年年初對上一年調(diào)試對比監(jiān)測合格的儀器所監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回顧性分析,各站點(diǎn)所采集月、年蒸發(fā)量的合格率大于90%,月、一定時(shí)間段的蒸發(fā)量偏差不超過±10%.說明經(jīng)調(diào)試對比監(jiān)測合格的自動(dòng)化監(jiān)測儀器的性能穩(wěn)定,數(shù)據(jù)的精度高.另外,4套儀器處于調(diào)試、故障排除和測量誤差分析階段.

由于青海地區(qū)的冬季寒冷漫長,且性能優(yōu)良的冬季降水量、蒸發(fā)量測定儀器匱乏,該地區(qū)冬季的降水量、蒸發(fā)量監(jiān)測仍以人工監(jiān)測為主.這是因?yàn)楦吆０螀^(qū)的冬季氣溫較低,固體降水及結(jié)冰制約了降水量、蒸發(fā)量的自動(dòng)化監(jiān)測.

2)水位、汛期流量自動(dòng)化監(jiān)測結(jié)果良好.青海省使用的水位、流量自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備僅能自動(dòng)監(jiān)測水位和水面流速,而斷面平均流速及大斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)仍需人工采集,且自動(dòng)化監(jiān)測僅適用于斷面較穩(wěn)定的監(jiān)測站.青海省瀾滄江流域的香達(dá)站和下拉秀站采用水位、流量自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備,同步監(jiān)測用走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)進(jìn)行現(xiàn)場流量校準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果見圖1,線上流量Q1與實(shí)測流量Q2的誤差基本在5%內(nèi),個(gè)別偏離點(diǎn)誤差不超過10%.

圖1 實(shí)測流量與線上流量的關(guān)系

3)不能自動(dòng)化監(jiān)測泥沙的含量.高原地區(qū)河流坡降大,具有洪水暴漲暴落、斷面沖淤變化劇烈、水流湍急及漂浮物多等特點(diǎn)[6].目前的泥沙自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備有2類,一類是需先率定關(guān)系系數(shù),另一類是可直接進(jìn)行監(jiān)測,這兩類自動(dòng)監(jiān)測儀器在含沙量較小時(shí)測量的精度較低.對于青海省河流中泥沙量的測定,自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備一年中絕大部分時(shí)間無法使用,僅適用于洪水期的監(jiān)測.《水利部辦公廳關(guān)于發(fā)布水文測報(bào)新技術(shù)裝備推廣目錄的通知》中推薦的泥沙量監(jiān)測設(shè)備僅有1種,但尚無在高海拔地區(qū)應(yīng)用的示例,還需進(jìn)行適用性分析.

3 水文監(jiān)測展望

1)優(yōu)化監(jiān)測方式、手段和要素.構(gòu)建“空天地一體化”監(jiān)測網(wǎng)絡(luò).在監(jiān)測方式上,以駐測為主,并向駐測、巡測、遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)查、應(yīng)急和航空航天遙感監(jiān)測相結(jié)合的多方式、多層次的水文監(jiān)測發(fā)展;在監(jiān)測手段上,逐步淘汰落后、低效的人工觀測設(shè)備,使用聲光電等自動(dòng)化、智能化、現(xiàn)代化的儀器設(shè)備監(jiān)測;在監(jiān)測要素上,從常規(guī)的水位、雨量、流量和水質(zhì)等監(jiān)測,向地下水、土壤水、生態(tài)水和城市用水等多要素監(jiān)測項(xiàng)目拓展.

“空天地一體化”監(jiān)測主要通過遙感數(shù)據(jù)反演獲取可靠的水文數(shù)據(jù),并與地面水文觀測站數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充和融合,實(shí)現(xiàn)對徑流量、降水量、水位、水域面積、蓄水量、水下地形和水質(zhì)等的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測.同時(shí)以構(gòu)建“空天地一體化”的水文監(jiān)測體系為目標(biāo),加大遙感、視頻等先進(jìn)技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用范圍,拓展監(jiān)測空間,改變目前水文信息采集主要依靠地面水文站網(wǎng)的格局[7].

2)轉(zhuǎn)變監(jiān)測站建設(shè)方式,加強(qiáng)自動(dòng)監(jiān)測力度.在高海拔、環(huán)境惡劣地區(qū),提高水文測報(bào)自動(dòng)化水平迫在眉睫,刻不容緩.目前,新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用為水文監(jiān)測手段的提升創(chuàng)造了條件,便捷的公路網(wǎng)為水文監(jiān)測模式的變革提供了便利條件,移動(dòng)通信、光纖通信、衛(wèi)星通信等為水文通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和信息傳輸提供了堅(jiān)實(shí)的支撐.通過配置先進(jìn)的水文監(jiān)測新儀器、新設(shè)備,完全可實(shí)現(xiàn)水文要素的自動(dòng)在線監(jiān)測.對于新建站點(diǎn),按巡測、自動(dòng)站的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測報(bào)和無人值守,且僅作為獲取數(shù)據(jù)的監(jiān)測單元,而不作為管理單元.單站土建規(guī)模及大型監(jiān)測設(shè)施要嚴(yán)格控制.對于改建的水文監(jiān)測站,要注重技術(shù)手段的創(chuàng)新,淘汰落后的監(jiān)測設(shè)備.在水文現(xiàn)代化建設(shè)儀器設(shè)備的配置中,充分結(jié)合監(jiān)測站的特點(diǎn)和水文行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),密切跟蹤水文監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向,充分掌握設(shè)施設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性.同時(shí),加強(qiáng)已投入使用儀器的分析總結(jié)工作,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并分析各儀器的優(yōu)缺點(diǎn)及有效數(shù)據(jù)的范圍.

3)根據(jù)水文要素差異,科學(xué)配備自動(dòng)設(shè)施.每種儀器都有其適用性,要從某一要素、某一階段逐步開展水文現(xiàn)代化工作.降水量、蒸發(fā)量監(jiān)測應(yīng)根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求,改建或新建標(biāo)準(zhǔn)化觀測場.在非冰期配備自動(dòng)觀測設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對所有監(jiān)測站降水量和蒸發(fā)量的自動(dòng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸.在冰期,以人工觀測為主,加強(qiáng)新儀器設(shè)備的選型、調(diào)研和對比監(jiān)測工作,爭取早日實(shí)現(xiàn)對降水量、蒸發(fā)量的全年自動(dòng)監(jiān)測及其數(shù)據(jù)傳輸.

水位監(jiān)測設(shè)備按人工、自動(dòng)監(jiān)測各1套的原則進(jìn)行配置,且人工監(jiān)測設(shè)備作為自動(dòng)觀測設(shè)備的日常校核和應(yīng)急補(bǔ)充.對于河道較寬且主流擺動(dòng)頻繁的監(jiān)測站,配置視頻水位監(jiān)測系統(tǒng);對于河道較窄且主流擺動(dòng)頻繁的監(jiān)測站,安裝雷達(dá)式水位計(jì),并制作支架,根據(jù)主流量位置,隨時(shí)調(diào)整探頭位置;對于斷面穩(wěn)定、沖淤變化較小的河流,安裝雷達(dá)式或氣泡式水位計(jì).

各站流量監(jiān)測設(shè)施應(yīng)配備2套,分別針對中低、中高水位且做到有效銜接.對于斷面較穩(wěn)定的監(jiān)測站,通過配置自動(dòng)監(jiān)測流速設(shè)備,同時(shí)配置流量(大斷面)監(jiān)測設(shè)備,用于自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備的率定及大斷面的數(shù)據(jù)測量工作;對于斷面不穩(wěn)定的監(jiān)測站,不宜只配置自動(dòng)監(jiān)測流速的設(shè)備,應(yīng)優(yōu)先采用走航式ADCP或全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng).根據(jù)青海省的河流特點(diǎn),因部分監(jiān)測站的流量監(jiān)測仍依賴?yán)|道纜車,故纜道纜車監(jiān)測設(shè)備還不能完全取消.

青海省一年中大部分時(shí)間河流的泥沙量較小,泥沙量的自動(dòng)化監(jiān)測存在技術(shù)問題,應(yīng)密切關(guān)注新儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢,且對于滿足工作需要的自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備及時(shí)開展調(diào)研、選型和對比監(jiān)測工作.同時(shí),根據(jù)監(jiān)測站特性及水文行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,適當(dāng)減少人工監(jiān)測次數(shù)或?qū)ΡO(jiān)測方案進(jìn)行調(diào)整.

4) 加強(qiáng)系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè),提升綜合業(yè)務(wù)能力.水文監(jiān)測現(xiàn)代化離不開一個(gè)涵蓋各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用且全面、兼容、智能的綜合服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)[8],青海省應(yīng)因地制宜、實(shí)事求是、多方面深入分析論證及多方籌措資金.平臺(tái)建設(shè)、人才隊(duì)伍建設(shè)是確保水文設(shè)施正常運(yùn)行,充分發(fā)揮建設(shè)成效的重要措施.優(yōu)化人才隊(duì)伍結(jié)構(gòu)、提高人才隊(duì)伍整體素質(zhì)是當(dāng)前水文人才隊(duì)伍建設(shè)的首要任務(wù).同時(shí),要加大基層水文工作者的業(yè)務(wù)培訓(xùn)力度,為先進(jìn)儀器設(shè)備和技術(shù)手段的推廣應(yīng)用創(chuàng)造條件.