李敏欣,魯 祥
(河海大學(xué),南京 210098)
《中華人民共和國(guó)水文條例》中對(duì)水文監(jiān)測(cè)定義如下:是指通過(guò)水文站網(wǎng)對(duì)江河、湖泊、渠道、水庫(kù)的水位、流量、水質(zhì)、水溫、泥沙、冰情、水下地形和地下水資源,以及降水量、蒸發(fā)量、墑情、風(fēng)暴潮等實(shí)施監(jiān)測(cè),并進(jìn)行分析和計(jì)算的活動(dòng)。水文監(jiān)測(cè)是直接獲取各項(xiàng)水文數(shù)據(jù)的重要手段,是水文工作的數(shù)據(jù)源,是開(kāi)展水文服務(wù)的必要前提,是水利現(xiàn)代化建設(shè)的排頭兵。2016年水利部印發(fā)了《關(guān)于深化水文監(jiān)測(cè)改革指導(dǎo)意見(jiàn)》的通知,強(qiáng)調(diào)水文監(jiān)測(cè)是服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要基礎(chǔ)性工作,提出改革主要內(nèi)容是水文測(cè)驗(yàn)方式改革,改革重點(diǎn)工作是優(yōu)化測(cè)驗(yàn)方式,提高管理水平。新時(shí)期水利建設(shè)對(duì)水文監(jiān)測(cè)提出了更高要求,需要建立“駐巡結(jié)合、巡測(cè)優(yōu)先、測(cè)報(bào)自動(dòng)、應(yīng)急補(bǔ)充”的水文監(jiān)測(cè)新模式,為我國(guó)今后數(shù)年的水文監(jiān)測(cè)發(fā)展指明了方向。
當(dāng)前中國(guó)治水的主要矛盾已經(jīng)從人民群眾對(duì)除水害興水利的需求與水利工程能力不足的矛盾,轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗣袢罕妼?duì)水資源水生態(tài)水環(huán)境的需求與水利行業(yè)監(jiān)管能力不足的矛盾。水文監(jiān)測(cè)也要適應(yīng)這種轉(zhuǎn)變,針對(duì)這一矛盾,新模式下的水文監(jiān)測(cè)有其新的特點(diǎn)。
新形勢(shì)下,水利行業(yè)及社會(huì)各行業(yè)對(duì)水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求量大增,水文監(jiān)測(cè)的控制點(diǎn)和斷面數(shù)量大幅增加,完全依靠建設(shè)水文測(cè)站不現(xiàn)實(shí),通過(guò)大力發(fā)展巡測(cè)技術(shù)和系統(tǒng),可以較好的解決這一問(wèn)題。巡測(cè)的主要內(nèi)容有流(速)量、泥沙、水質(zhì)等水文要素,巡測(cè)可以通過(guò)巡測(cè)車(chē)或巡測(cè)船,配備針對(duì)性的水文監(jiān)測(cè)設(shè)備,有條件的可以配備通信設(shè)備將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到接受中心,供水文數(shù)據(jù)系統(tǒng)及時(shí)處理。
信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,為水文監(jiān)測(cè)技術(shù)智能化提供了可行性,使水文監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)用更實(shí)用、可靠、安全、簡(jiǎn)單。水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)包括自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)化傳感器、遙測(cè)終端機(jī),傳輸和處理實(shí)時(shí)水文信息的通信設(shè)備和接受處理裝置等設(shè)備,以及遠(yuǎn)程管理系統(tǒng),包括水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件等。自動(dòng)測(cè)報(bào)遠(yuǎn)程管理有利于發(fā)展檢測(cè)站點(diǎn)無(wú)人化,解放生產(chǎn)力。
中國(guó)是自然災(zāi)害頻繁的國(guó)家,突發(fā)性水災(zāi)害事件造成的損失巨大,如水庫(kù)出險(xiǎn)、堤防決口、堰塞湖、泥石流、突發(fā)性水污染等。水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)可以為政府面對(duì)這些突發(fā)事件時(shí)提供決策的依據(jù),提高響應(yīng)速度,降低災(zāi)害的損失。水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中常見(jiàn)的設(shè)備為免棱鏡全站儀、手持GPS、手持ADV、走航式ADCP、超聲測(cè)探儀、激光測(cè)距儀等,此外應(yīng)急監(jiān)測(cè)體系、應(yīng)急監(jiān)測(cè)保障機(jī)制、應(yīng)急監(jiān)測(cè)預(yù)案準(zhǔn)備等也對(duì)突發(fā)自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)效果起到重要作用。
經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放40a的建設(shè)發(fā)展,中國(guó)水文事業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,目前,共建設(shè)有各類(lèi)水文測(cè)站12.1萬(wàn)處,站網(wǎng)密度達(dá)到了中等發(fā)達(dá)國(guó)家水平,實(shí)現(xiàn)了對(duì)基本水文情勢(shì)的有效控制。2018年,全國(guó)水文系統(tǒng)報(bào)送各類(lèi)水雨情信息9.64億份,發(fā)布洪水預(yù)警835次,為科學(xué)防御水旱災(zāi)害提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。隨著中央逐步加大水文基本建設(shè)投資,水文能力建設(shè)持續(xù)加強(qiáng),水量、水質(zhì)、水生態(tài)監(jiān)測(cè)體系不斷完善,水文服務(wù)向縱深發(fā)展。水文監(jiān)測(cè)從對(duì)大江大河的控制延伸到重要中小河流全覆蓋,國(guó)控水功能區(qū)監(jiān)測(cè)覆蓋率達(dá)到90%,覆蓋全國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系初步形成。地下水監(jiān)測(cè)和土壤墑情監(jiān)測(cè)覆蓋范圍顯著拓展,基本建成覆蓋江河湖庫(kù)、總體布局合理、觀測(cè)項(xiàng)目齊全、整體功能較強(qiáng)的水文站網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系,實(shí)現(xiàn)了對(duì)基本水文情勢(shì)的有效控制。
水文監(jiān)測(cè)方式不斷改進(jìn),基于超聲波、雷達(dá)、對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)、新裝備、新方法不斷應(yīng)用和推廣,聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)、電波流速儀、超聲波測(cè)深儀、全球定位系統(tǒng)(GPS)等大批水文先進(jìn)技術(shù)和儀器設(shè)備得到廣泛應(yīng)用,雷達(dá)測(cè)雨、無(wú)人機(jī)、遙感遙測(cè)等新技術(shù)應(yīng)用成果豐碩,水文監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化與信息化水平大幅提升。目前,水位、雨量已全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)報(bào),水文應(yīng)急響應(yīng)能力和應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)效性可靠性大幅提升,水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)體系初步形成。
在世界幾個(gè)主要國(guó)家中,發(fā)達(dá)國(guó)家的水文站網(wǎng)密度較大,遠(yuǎn)高于世界氣象組織推薦的容許最稀站網(wǎng)密度。大多數(shù)水文站配備自動(dòng)采集和自動(dòng)傳輸設(shè)備,自動(dòng)化程度高,水位、雨量等水文要素基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集、自動(dòng)測(cè)報(bào)。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)單個(gè)水文測(cè)站的時(shí)效性、準(zhǔn)確性要求不是太高,水文測(cè)員少,其流量、泥沙等均為巡測(cè)方式,1人或數(shù)人開(kāi)展某一區(qū)域較多水文測(cè)站的巡測(cè)工作。技術(shù)方面,發(fā)達(dá)國(guó)家大多通過(guò)水平式聲學(xué)多普勒流速儀、超聲時(shí)差法實(shí)現(xiàn)了流量實(shí)時(shí)在線側(cè)流或采用流量快速測(cè)驗(yàn)技術(shù)。美國(guó)目前以自動(dòng)化儀器采集和巡測(cè)相結(jié)合為主,大部分是只有一個(gè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)(DCPs)和1-3個(gè)水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn),大量水文站使用水平式ADCP進(jìn)行流量在線監(jiān)測(cè),或使用走航式ADCP施測(cè)流量。用于水文測(cè)驗(yàn)的巡測(cè)車(chē)、測(cè)量船功能強(qiáng)大,水位、雨量全部實(shí)行了自記、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)及傳輸,流量多采用ADCP(ADPADV)測(cè)驗(yàn),差分GPS、激光測(cè)距儀、紅外水溫測(cè)量?jī)x、壓力式自記水位儀為主,使用效率非常高。測(cè)沙設(shè)備主要有積深式、選點(diǎn)式、橫式、泵式等。在數(shù)據(jù)處理方面,意大利建立了覆蓋全國(guó)的實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)采集通信網(wǎng),90%以上的流域機(jī)構(gòu)所屬站網(wǎng)與中央系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng),進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。美國(guó)水文在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用以衛(wèi)星傳輸為主,其他方式為輔的傳輸數(shù)據(jù)方式,水文站將水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)傳輸給數(shù)據(jù)收集平臺(tái),由平臺(tái)自動(dòng)發(fā)送至地球同步環(huán)境衛(wèi)星(GOES),再傳送給地質(zhì)調(diào)查局總部的數(shù)據(jù)接收分析處理系統(tǒng)(DAPS)[1]。
近年來(lái)隨著水利部“大水文”戰(zhàn)略及出臺(tái)多項(xiàng)水文發(fā)展政策,水文監(jiān)測(cè)新技術(shù)、新設(shè)備、新方法不斷推出和應(yīng)用,如聲學(xué)多普勒流速儀(ADCP)、電波流速儀、超聲波測(cè)深儀、全球定位系統(tǒng)(GPS)、雷達(dá)測(cè)雨、無(wú)人機(jī)測(cè)流、遙感遙測(cè)、可視化3D監(jiān)測(cè)等,水文監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化與信息化水平大幅提升。建立高質(zhì)高效的水文監(jiān)測(cè)新模式,60%水文站開(kāi)展了巡測(cè),12%為巡駐結(jié)合。
2.2.1 遙感技術(shù)的應(yīng)用
對(duì)地表水流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)主要采用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù),如地基雷達(dá)監(jiān)測(cè)和航天航空雷達(dá)監(jiān)測(cè),前者布置在岸邊橋旁,通過(guò)該設(shè)備監(jiān)測(cè)過(guò)程中接收器和發(fā)射器之間的傳播差對(duì)流速進(jìn)行監(jiān)測(cè),后者主要結(jié)合遙感技術(shù)的特點(diǎn),對(duì)流速、水深等進(jìn)行監(jiān)測(cè),全方面了解水體的各種情況。由于該技術(shù)的優(yōu)勢(shì),其主要的應(yīng)用地區(qū)屬于人口稀少且氣候條件惡劣的高寒地區(qū)[2]。對(duì)地下水水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí),可以根據(jù)具體情況選擇人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)2種方法,2種監(jiān)測(cè)方法相比較而言,遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)質(zhì)量和效率較高,能夠全面的對(duì)地下水資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),避免出現(xiàn)遺漏的現(xiàn)象。
2.2.2 ZigBee和GPRS技術(shù)的應(yīng)用
ZigBee技術(shù)在水文水資源監(jiān)測(cè)過(guò)程中可以根據(jù)其自身的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的短距離傳輸,而GPRS技術(shù)在水文水資源監(jiān)測(cè)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)距離傳輸,基于此,在水文水資源監(jiān)測(cè)中應(yīng)用以上2種先進(jìn)的技術(shù),在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),充分發(fā)揮2種技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),從而擴(kuò)大水文水資源的監(jiān)測(cè)范圍。此外,ZigBee技術(shù)屬于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù),在應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的費(fèi)用,因此在一定程度上降低了該技術(shù)應(yīng)用的成本,節(jié)約了水文監(jiān)測(cè)的成本。而GPES技術(shù)屬于網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),該技術(shù)只有在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中才會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的能量,所以從某種程度上講,降低了能源的消耗。總而言之,在水文水資源監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)用ZigBee和GPRS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間的監(jiān)測(cè),進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)效率和質(zhì)量[3]。
2.2.3 3S技術(shù)的應(yīng)用
3S技術(shù)將RS、GIS和GPS技術(shù)進(jìn)行了整合,將三大技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起,提高水文水資源監(jiān)測(cè)技術(shù)的整體質(zhì)量。在3S技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中:①通過(guò)RS對(duì)水資源地表信息進(jìn)行掃描,實(shí)現(xiàn)水資源遠(yuǎn)距離的監(jiān)測(cè);②通過(guò)GIS技術(shù)將搜集到關(guān)于水資源的相關(guān)信息內(nèi)容進(jìn)行整理分析,然后將整理結(jié)果上傳到計(jì)算機(jī)設(shè)備中,為工作人員提供依據(jù),使其能夠掌握水資源的地理信息;③通過(guò)GPS技術(shù)對(duì)水位資源的地理位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。3S技術(shù)的應(yīng)用為水文水資源監(jiān)測(cè)工作提供了一定的便利,提高了工作效率[5]。
1)通過(guò)信息技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)到的信息資料和最初的監(jiān)測(cè)資料的對(duì)比常出現(xiàn)差異,降低了對(duì)比結(jié)果的可信度,兩者也缺乏有效的整合技術(shù)手段,只能由工作人員對(duì)監(jiān)測(cè)資料中反應(yīng)出的問(wèn)題進(jìn)行逐一排查,增加了工作人員的工作量,降低了問(wèn)題排查的效率。水文資料整編、匯編的自動(dòng)化水平較低,整編的時(shí)效性、可靠性不夠。
2)傳統(tǒng)的水文監(jiān)測(cè)設(shè)備已不能滿(mǎn)足水文監(jiān)測(cè)新模式的應(yīng)用要求,急需相關(guān)部門(mén)的政策支持下積極引進(jìn)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)施,提高監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用的效果。
3)由于人類(lèi)活動(dòng)如水利設(shè)施的建造在一定程度上改變了河流狀況,使得水文要素不穩(wěn)定,影響了水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性,降低了監(jiān)測(cè)質(zhì)量。
4)由于科技發(fā)展的快速,更由于水文監(jiān)測(cè)新模式的涌現(xiàn),現(xiàn)代水文監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備和方法的更新?lián)Q代加快,需要相關(guān)監(jiān)測(cè)人員擁有較高的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和實(shí)踐操作能力,但現(xiàn)實(shí)中有不少工作人員達(dá)不到這一要求,由于對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用了解不深而導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況存在差異,降低了該技術(shù)應(yīng)用的效能。
針對(duì)上述水文監(jiān)測(cè)存在的問(wèn)題,文章給出的建議是:
1)加大監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的日常比對(duì)和分析,不過(guò)分依賴(lài)計(jì)算機(jī)技術(shù),需工作人員對(duì)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一核對(duì),提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的真實(shí)性和有效性。對(duì)水文資料采取及時(shí)整編,日清月結(jié),及時(shí)開(kāi)展上下游及相鄰測(cè)站水沙平平衡對(duì)照,簡(jiǎn)化流程提高效率。
2)通過(guò)政策的連續(xù)性、財(cái)政投入,并根據(jù)不同地區(qū)的具體需求,加快現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)設(shè)備的建設(shè),適應(yīng)水文監(jiān)測(cè)新模式,同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)施進(jìn)行定期的巡檢和維護(hù),保障水文監(jiān)測(cè)各項(xiàng)工作的高效開(kāi)展。
3)對(duì)水文監(jiān)測(cè)工作的方式進(jìn)行創(chuàng)新,根據(jù)相關(guān)人員對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析,了解不同地區(qū)水資源的具體應(yīng)用情況,制定針對(duì)性的解決方案,如跨地域調(diào)水工作,對(duì)水利工程的建設(shè)進(jìn)行有效的控制,降低人類(lèi)活動(dòng)給水文監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。
4)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)人員綜合素質(zhì)教育,提高他們的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)和水文監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用能力,如定期開(kāi)展專(zhuān)業(yè)講座和培訓(xùn)、提高監(jiān)測(cè)人員入職的考核標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)職業(yè)道德教育培養(yǎng)服務(wù)意識(shí)和責(zé)任感等。
信息化時(shí)代科技技術(shù)的發(fā)展速度不斷加快,在大水文及水文監(jiān)測(cè)新模式的背景下,為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì),水文監(jiān)測(cè)技術(shù)需要不斷的創(chuàng)新,因地制宜推進(jìn)流量自動(dòng)監(jiān)測(cè),開(kāi)展泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)用,推進(jìn)水文全要素的自動(dòng)監(jiān)測(cè),提高水文自動(dòng)化、智能化水平,從而滿(mǎn)足水利行業(yè)及全社會(huì)對(duì)水文監(jiān)測(cè)“尖兵”和“耳目”的要求?;诖?,在水文監(jiān)測(cè)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展中:①需要實(shí)現(xiàn)多種學(xué)科之間的綜合和交叉,將水文與信息技術(shù)系統(tǒng)、生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)等進(jìn)行有效的整合,如無(wú)人船及無(wú)人機(jī)的水質(zhì)與水生態(tài)快速監(jiān)測(cè)集成技術(shù)與設(shè)備,突發(fā)水污染事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)與快速處置設(shè)備,以藻類(lèi)、魚(yú)類(lèi)為關(guān)鍵指標(biāo)的湖庫(kù)水生態(tài)系統(tǒng)感知設(shè)備等;②不斷提高水文水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集能力和整理能力,結(jié)合氣象雷達(dá)、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和遙感衛(wèi)星的特點(diǎn),建立立體的水文水資源監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng),保證水文水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,提高預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)的能力和應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的能力基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式,研發(fā)集感知、仿真、診斷、預(yù)警、調(diào)控為一體的智能水網(wǎng)綜合服務(wù)云平臺(tái)和復(fù)雜含水層地下水補(bǔ)給預(yù)測(cè)預(yù)警與開(kāi)采調(diào)控平臺(tái);③為了提高大江大河洪水預(yù)報(bào)預(yù)警和防洪工程體系實(shí)時(shí)聯(lián)合調(diào)度能力,中小河流、山洪災(zāi)害、風(fēng)暴潮及其增水預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù),大范圍干旱及其災(zāi)害監(jiān)測(cè)分析和預(yù)測(cè)預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù),需要加快基于“天-空-地-水”多源信息的水旱災(zāi)害立體監(jiān)測(cè)和同化分析技術(shù),提升我國(guó)大江大河防洪減災(zāi)能力和調(diào)度決策水平。
在新時(shí)期水利建設(shè)貫徹節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力治水方針指導(dǎo)下,水文監(jiān)測(cè)也需要補(bǔ)短板,并適應(yīng)強(qiáng)監(jiān)管的水利改革發(fā)展總基調(diào),大力發(fā)展水文監(jiān)測(cè)技術(shù),全面提升水文監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化水平,以?xún)?yōu)質(zhì)的服務(wù)為水利和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供可靠支撐。