趙愛國

（湖南省衡陽市水文水資源勘測(cè)局 湖南衡陽 421000）

關(guān)于數(shù)字化水文水資源監(jiān)測(cè)模式探究

趙愛國

（湖南省衡陽市水文水資源勘測(cè)局 湖南衡陽 421000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化監(jiān)測(cè)模式的應(yīng)用日益廣泛，可以提高數(shù)字化水文水資源的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和實(shí)效性。這種監(jiān)測(cè)可以將傳統(tǒng)水文水資源要素的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方式變成信息采集分析，同時(shí)結(jié)合雨水情報(bào)，實(shí)現(xiàn)水文水資源的全面監(jiān)測(cè)目的，為人們的生產(chǎn)生活提供有效的信息。本文先對(duì)水文水資源監(jiān)測(cè)的必要性進(jìn)行了分析，然后對(duì)數(shù)字化水文水資源監(jiān)測(cè)模式的應(yīng)用進(jìn)行了深入分析，供相關(guān)人士參考。

數(shù)字化；水文水資源；監(jiān)測(cè)模式

1 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展推進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，而高新技術(shù)的應(yīng)用使得水資源利用效率有了大幅度的提高。水文處理工作的前沿單位——水文水資源監(jiān)測(cè)站，為了更好地滿足人們對(duì)高效便捷水資源的需求，積極運(yùn)用高新技術(shù)，將以往的一些水資源要素監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒉杉治鲞\(yùn)用整體數(shù)字化的實(shí)施過程，從而促使新技術(shù)和雨水情測(cè)報(bào)工作兩者有機(jī)結(jié)合，對(duì)于分析和預(yù)測(cè)水文情勢(shì)變化規(guī)律有著極其重要的作用。

2 水文水資源監(jiān)測(cè)的必要性

水文水資源監(jiān)測(cè)工作的主要目的是對(duì)水資源的質(zhì)量以及變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和質(zhì)量評(píng)估，該工作獲得的信息數(shù)據(jù)可以為國家和各級(jí)政府開發(fā)利用、管理與保護(hù)水資源提供科學(xué)依據(jù)。多年來，水文水資源工作為水資源開發(fā)利用、保護(hù)與管理提供了大量可靠、翔實(shí)的科學(xué)依據(jù)，發(fā)揮了不可替代的行業(yè)作用，取得了很大的成效。但是，水文水資源監(jiān)測(cè)工作發(fā)展還不平衡。當(dāng)前，洪澇災(zāi)害、水資源短缺、水環(huán)境惡化問題仍然是制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，特別是水資源短缺問題非常嚴(yán)峻。例如節(jié)水問題、對(duì)污水的控制處理、水資源的配置、水權(quán)水市場(chǎng)的建立等，沒有水資源監(jiān)測(cè)基本資料的支持是不行的。它是水資源管理、保護(hù)、配置、調(diào)度的技術(shù)保障，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)和水利工作發(fā)展對(duì)水文工作提出的新要求，是水文水資源監(jiān)測(cè)的延伸和拓展。

3 數(shù)字化水文水資源監(jiān)測(cè)模式概述

3.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

數(shù)字化水資源監(jiān)測(cè)站主要由水位遙測(cè)子系統(tǒng)、視頻監(jiān)視子系統(tǒng)、流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣象多參數(shù)自動(dòng)測(cè)報(bào)子系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)、信息查詢系統(tǒng)、中心控制子系統(tǒng)、洪水預(yù)警子系統(tǒng)這8個(gè)子系統(tǒng)組成，這些系統(tǒng)完成的對(duì)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理、發(fā)布等都是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制實(shí)施。在這8個(gè)子系統(tǒng)中，除去視頻和流量子系統(tǒng)外，其他所有的子系統(tǒng)都應(yīng)采用工業(yè)總線接入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的采集儀，而且現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)具有處理所有數(shù)據(jù)信息發(fā)布的功能。同時(shí)在站內(nèi)應(yīng)采用一種網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為核心的局域網(wǎng)作為監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息的處理平臺(tái)，根據(jù)一些建設(shè)方面的要求和目標(biāo)，系統(tǒng)主動(dòng)去完成流量、雨量、水溫、水位、氣溫、空氣濕度以及風(fēng)向和風(fēng)速等信號(hào)的數(shù)據(jù)采集工作，而且數(shù)據(jù)采集的終端需要在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。另外，系統(tǒng)所應(yīng)用的軟件也應(yīng)當(dāng)具有信息數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)上傳功能。

3.2 系統(tǒng)的組成元素

水資源監(jiān)測(cè)模式系統(tǒng)主要由氣象監(jiān)測(cè)儀器、通信網(wǎng)絡(luò)、水文監(jiān)測(cè)儀器以及監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)中心等組成。這些組成元素能夠有效地采集雨量、氣溫、濕度、風(fēng)度蒸發(fā)量以及濕度等信號(hào)，并自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)的形式存入用戶的本地?cái)?shù)據(jù)庫中，而且還可以通過網(wǎng)絡(luò)的方式將其發(fā)送到遠(yuǎn)程的控制中心，從而更好地進(jìn)行解碼處理，以便以后進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和結(jié)果輸出。

4 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用分析——以某數(shù)字化水文站為例

4.1 該數(shù)字化水文站組成

某數(shù)字化水文站于2009年7月安裝調(diào)試完成，8月進(jìn)行了初驗(yàn)，年底進(jìn)行了終驗(yàn)，并投入正式運(yùn)行。該數(shù)字化水文站分為4層體系結(jié)構(gòu)，底層為數(shù)據(jù)采集層，利用各種傳感器將所需數(shù)據(jù)采集至前端RTU中，數(shù)據(jù)傳輸采用有線方式；第2層為數(shù)據(jù)傳輸層，將前端RTU采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字化處理后，通過多種通訊方式傳輸至網(wǎng)絡(luò)，主要有RS-485、無線超短波、光纖等多種通訊形式；第3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、接收處理計(jì)算機(jī)和查詢工作站，可在任何工作站上進(jìn)行水文信息的實(shí)時(shí)查詢及管理。該數(shù)字化水文站結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.2 該數(shù)字化水文站運(yùn)行分析

4.2.1 水位對(duì)比分析

圖1 數(shù)字化水文站結(jié)構(gòu)圖

（1）實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)的對(duì)比分析是將8和20時(shí)自動(dòng)采集與人工觀測(cè)的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。本次對(duì)比選取人工觀測(cè)與自動(dòng)采集的96次數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，其中絕對(duì)值差小于2cm的有93次，占總測(cè)次數(shù)的96.875%；絕對(duì)值差大于2cm的有3次，其中最大的差值為4cm。逐時(shí)水位值誤差對(duì)比分析如圖2所示。

圖2 逐時(shí)水位值誤差對(duì)比分析圖

（2）日平均水位的對(duì)比分析

日平均水位的計(jì)算方法分為面積包圍法和算術(shù)平均法2種，當(dāng)觀測(cè)時(shí)距相等時(shí)，可采用算術(shù)平均法代替面積包圍法。由于在該站水位采集時(shí)間為等時(shí)距，符合算術(shù)平均法水位計(jì)算要求，因此采用算術(shù)平均法計(jì)算（日平均水位計(jì)算以0～24時(shí)為1日）。對(duì)水位日表中人工觀測(cè)與自動(dòng)采集的48次數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，絕對(duì)值差小于2cm的有46次，符合規(guī)范要求的占總測(cè)次數(shù)的95.83%；絕對(duì)值差大于2cm的2次中，最大的值差為3cm。逐日平均水位值誤差對(duì)比分析如圖3所示。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，雖然水位觀測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差，但誤差與儀器本身因素及數(shù)據(jù)采集和人工觀測(cè)時(shí)間不完全一致有關(guān)系。根據(jù)分析結(jié)果，水位觀測(cè)隨機(jī)誤差在測(cè)驗(yàn)范圍之內(nèi)，滿足測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。

圖3 逐日水位值誤差對(duì)比分析圖

4.2.2 水溫資料對(duì)比分析

自動(dòng)觀測(cè)日均值采用算術(shù)平均法計(jì)算，而人工只在每天8和20時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)規(guī)定，只將每日8時(shí)值作為日平均水溫，因此與自動(dòng)觀測(cè)計(jì)算的結(jié)果存在一定的誤差，經(jīng)對(duì)比大部分誤差在1℃左右，與算法有很大的關(guān)系。為此將自動(dòng)采集水溫日均值的計(jì)算方法改為與人工觀測(cè)日均值的計(jì)算方法一致，這樣可減小因計(jì)算方法不同造成的誤差。實(shí)時(shí)水溫?cái)?shù)據(jù)的對(duì)比分析是將8和20時(shí)自動(dòng)采集和人工觀測(cè)的水溫進(jìn)行對(duì)比分析。水溫實(shí)時(shí)表中人工觀測(cè)與自動(dòng)采集的96次對(duì)比觀測(cè)中，絕對(duì)值差小于0.2℃的有70次，占總測(cè)次數(shù)的72.92%；絕對(duì)值差小于0.4℃的有86次，占總測(cè)次數(shù)的90%。日平均水溫對(duì)比分析是將8時(shí)的自動(dòng)采集和人工觀測(cè)位進(jìn)行對(duì)比分析。在水溫日表中人工觀測(cè)與自動(dòng)采集的48次對(duì)比觀測(cè)中，絕對(duì)值差小于0.2℃的有43次，絕對(duì)值差大于0.2℃的有5次，占總測(cè)次數(shù)的10.4%。根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果，水溫觀測(cè)存在隨機(jī)誤差，也存在系統(tǒng)誤差，雖然基本測(cè)驗(yàn)范圍之內(nèi)，但需進(jìn)一步對(duì)采集儀器進(jìn)行校驗(yàn)，或通過修正測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)誤差，以滿足測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。

4.2.3 降水資料對(duì)比分析

根據(jù)該數(shù)字化水文站降水采集情況，降水每達(dá)到0.2mm，自動(dòng)采集儀進(jìn)行1次操作和記錄。降水量的統(tǒng)計(jì)只進(jìn)行日值對(duì)照，人工觀測(cè)計(jì)算方法為以前日8時(shí)至次日8時(shí)降水量累加總和作為前1日觀測(cè)量；自動(dòng)觀測(cè)計(jì)算方法是根據(jù)日時(shí)界劃分要求，將該日自動(dòng)采集的雨量總和進(jìn)行累加求得日降水量。根據(jù)連續(xù)人工觀測(cè)與自動(dòng)采集的48次值進(jìn)行對(duì)比分析，絕對(duì)值差小于0.2mm的有46次，符合規(guī)范要求的占總測(cè)次的95.83%。在絕對(duì)值差大于0.2mm的2次中最大的差值為0.6mm，另1次為0.3mm。逐日降水量誤差對(duì)比分析如圖4所示。由于該數(shù)字化水文站處于干旱的塔里木盆地，降水量少，雖然總的精度較高，但是在有限的觀測(cè)次數(shù)中絕對(duì)誤差還是比較大的。由于儀器本身存在一定誤差，既存在隨機(jī)誤差，也存在系統(tǒng)誤差。因此需對(duì)雨量傳感器進(jìn)行校驗(yàn)，或通過修正測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)誤差，以滿足測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。

圖4 逐日降水量誤差對(duì)比分析圖

4.2.4 蒸發(fā)資料對(duì)比分析

蒸發(fā)量的統(tǒng)計(jì)只進(jìn)行日值對(duì)照，人工觀測(cè)計(jì)算方法為，以前日8時(shí)至次日8時(shí)的蒸發(fā)值作為前1日觀測(cè)量，根據(jù)前日8時(shí)蒸發(fā)量觀測(cè)值減去次日8時(shí)蒸發(fā)量觀測(cè)值加上前日的降水量值為前日蒸發(fā)量值。自動(dòng)采集計(jì)算方法是將不同時(shí)段的蒸發(fā)量進(jìn)行累加求得。蒸發(fā)日表中連續(xù)人工觀測(cè)與自動(dòng)采集的48次對(duì)比觀測(cè)中，絕對(duì)值差都小于0.2mm只有11次，占總測(cè)次數(shù)的23%；小于1.0mm的有43次，占總測(cè)次數(shù)的90%。蒸發(fā)觀測(cè)對(duì)比分析的絕對(duì)誤差比較大，主要原因是儀器采用稱重方式讀取數(shù)據(jù)，本身存在一定誤差，既有隨機(jī)誤差，也有系統(tǒng)誤差。需進(jìn)一步對(duì)采集儀器進(jìn)行校驗(yàn)，或通過修正測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)誤差，以滿足測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

數(shù)字化水文水資源監(jiān)測(cè)模式的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)從自動(dòng)采集、傳輸，到接收、處理、分析、信息服務(wù)于一體的自動(dòng)化，提高了水文站的工作效率，全面提升了水文信息處理能力和服務(wù)水平，為今后數(shù)字化水文站建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為提高水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但還應(yīng)進(jìn)一步研究分析氣象自動(dòng)觀測(cè)中數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差的原因，為提高氣象自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)精度提供依據(jù)。

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[2]黃福培.數(shù)字化集成水文測(cè)報(bào)站的研究與應(yīng)用[J].華東科技：學(xué)術(shù)版，2015（8）：175.

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1004-7344（2016）04-0128-02

2015-12-16

趙愛國（1974-），男，工程師，本科，主要從事水文水資源勘測(cè)與分析方面的工作。