彭華帆 程 亮 劉運(yùn)珊

(贛江上游水文水資源監(jiān)測(cè)中心，江西 贛州 341000)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，信息自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，為人們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)了極大的便利，促進(jìn)了社會(huì)發(fā)展與進(jìn)步[1]。將信息自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于水文測(cè)驗(yàn)中，逐步取代傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)，有利于加快構(gòu)建“駐巡結(jié)合、巡測(cè)優(yōu)先、測(cè)報(bào)自動(dòng)、應(yīng)急補(bǔ)充”的水文測(cè)驗(yàn)體系，推進(jìn)智慧監(jiān)管、智慧水文的建設(shè)。

1 水文測(cè)驗(yàn)中信息自動(dòng)化技術(shù)實(shí)踐的必要性

2020年，我國(guó)發(fā)生了1998年以來(lái)最嚴(yán)重的汛情。一是降雨總量偏多、時(shí)空分布集中，長(zhǎng)江中下游梅雨量達(dá)到753.8mm，為1961年以來(lái)最多。二是大江大河洪水多發(fā)、量級(jí)大，長(zhǎng)江發(fā)生流域性大洪水，其中上游發(fā)生特大洪水，三峽水庫(kù)出現(xiàn)建庫(kù)以來(lái)最大入庫(kù)流量75000m3/s；太湖發(fā)生歷史第3高水位的流域性大洪水。三是超警河流數(shù)量多、歷時(shí)長(zhǎng)，全國(guó)836條河流發(fā)生超警以上洪水，其中269條超保證、78條超歷史，綦江8h內(nèi)洪水漲幅高達(dá)10m[2]。在如此嚴(yán)重的汛情面前，水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性顯得尤為重要。水文信息自動(dòng)化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所有數(shù)據(jù)信息的電子化、網(wǎng)絡(luò)化生成，做到對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集、存貯、傳輸，水文部門(mén)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，可及時(shí)準(zhǔn)確地掌握水文情報(bào)預(yù)報(bào)信息，為當(dāng)?shù)胤篮闇p災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)[3]。目前，水文流量監(jiān)測(cè)普遍使用傳統(tǒng)測(cè)速儀施測(cè)，在洪水期作業(yè)存在測(cè)量困難、單次測(cè)驗(yàn)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)、人力投入較大、存在安全隱患、數(shù)據(jù)不能自動(dòng)傳輸?shù)葐?wèn)題[4]。傳統(tǒng)的方法難以有效、有序地開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，造成水文工作人員的工作效率降低，在監(jiān)測(cè)洪水或者特大洪水時(shí)很難滿足社會(huì)對(duì)水文的要求[5-7]。因此，十分有必要推進(jìn)傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)方式方法的技術(shù)創(chuàng)新，加強(qiáng)自動(dòng)化技術(shù)在水文測(cè)驗(yàn)中的實(shí)踐分析，為解決傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方式的弊端探索一條科學(xué)之路。

2 信息自動(dòng)化技術(shù)在水文測(cè)驗(yàn)中的具體實(shí)踐

2.1 SL流量計(jì)在線流量系統(tǒng)

窯下壩(二)水文站是章水區(qū)域代表站，近年來(lái)，受下游4.5km處的康陽(yáng)電站回水影響，水位流量關(guān)系紊亂，采用連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法定線推流，這種方法要求較多的流量測(cè)次以控制流量變化過(guò)程，任務(wù)繁重，時(shí)效性差。為減輕該站測(cè)驗(yàn)任務(wù)，探索新的測(cè)驗(yàn)手段，2009年4月，贛江上游水文水資源監(jiān)測(cè)中心引進(jìn)了一臺(tái)美國(guó)維賽公司(SonTek/YSI)研制的淘金者(Argonaut-SL500)水平型測(cè)量系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)SL流量計(jì))，用于窯下壩(二)站實(shí)時(shí)流量測(cè)驗(yàn)。該儀器是目前世界上較為先進(jìn)的實(shí)時(shí)流量測(cè)驗(yàn)儀器，其特點(diǎn)是能夠直接測(cè)出斷面的流速剖面和流量，測(cè)量時(shí)不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)速度快、精度高、信息化水平高、不受流向順逆限制、能測(cè)到長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)流量過(guò)程。選取窯下壩(二)站2018年流速儀37次實(shí)測(cè)流量與SL流量計(jì)所測(cè)流量進(jìn)行比測(cè)率定。率定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 窯下壩(二)站SL流量計(jì)法與流速儀流量測(cè)驗(yàn)法比測(cè)成果

表2 SL流量計(jì)指標(biāo)流量與流速儀實(shí)測(cè)流量分析成果

經(jīng)計(jì)算分析，該站的系統(tǒng)誤差為-0.3% ，總不確定度為9.2%(見(jiàn)表2)。對(duì)照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)均勻浮標(biāo)法單次流量測(cè)驗(yàn)允許誤差標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，系統(tǒng)誤差指標(biāo)允許范圍為-2%～1%，總不確定度誤差指標(biāo)為小于11%，該站系統(tǒng)誤差及總不確定度誤差均在規(guī)定范圍內(nèi)， SL流量計(jì)所測(cè)流量數(shù)據(jù)滿足國(guó)家二類(lèi)精度水文站浮標(biāo)法單次流量測(cè)驗(yàn)允許誤差的規(guī)定[8]。目前,窯下壩(二)水文站SL流量計(jì)在線流量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可應(yīng)用于資料整編。SL流量計(jì)在線測(cè)驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量的實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化測(cè)驗(yàn)，為推進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)改革提供有力的技術(shù)支撐。

2.2 雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)的應(yīng)用

雷達(dá)在線流量系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、RTU及數(shù)據(jù)接收處理查詢平臺(tái)三部分組成。由HR-20A雷達(dá)流速計(jì)記錄流速數(shù)據(jù)，RTU將流速數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸至總處理器，通過(guò)接受處理展示系統(tǒng)后以網(wǎng)頁(yè)形式提供數(shù)據(jù)查詢及下載。HR-20A 根據(jù)多普勒雷達(dá)測(cè)速原理，借用岸邊升桿、橋梁或其他合適的載體，儀器安裝在河道中泓位置，對(duì)水流的表面流速進(jìn)行測(cè)量[9]。截至2020年底，贛江上游水文水資源監(jiān)測(cè)中心已在全市26個(gè)站點(diǎn)安裝了雷達(dá)在線流量系統(tǒng)，劉運(yùn)珊等[9]對(duì)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)精度進(jìn)行了充分的分析研究，并對(duì)中心所安裝雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)的站點(diǎn)逐一比測(cè)率定，確定13站率定后的流量過(guò)程可用于防汛測(cè)報(bào)。但資料整編有待進(jìn)一步分析，確定5站需要更換安裝位置、5站缺少比測(cè)資料、1個(gè)站需要調(diào)整儀器參數(shù)、2個(gè)站需要災(zāi)后重建。加強(qiáng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)的具體實(shí)踐，積累雷達(dá)波在線測(cè)流技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流的技術(shù)的成熟應(yīng)用，將大大提高水文作業(yè)的科學(xué)時(shí)效性。

2.3 無(wú)人機(jī)測(cè)流技術(shù)

基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的測(cè)流系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)是使用了流速面積法，前提條件是通過(guò)圖紙或?qū)嵉乜辈爝x取監(jiān)測(cè)河流的均勻斷面[10]。無(wú)人機(jī)測(cè)流系統(tǒng)由兩部分組成：數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)處理端。數(shù)據(jù)采集端主要由大疆精靈 Phantom 4 RTK無(wú)人機(jī)搭載RTK模塊，1英寸傳感器、OcuSync圖傳系統(tǒng)，GSRTK航線規(guī)劃系統(tǒng)等部分組成。數(shù)據(jù)處理端由便攜式筆記本(或其他類(lèi)型計(jì)算機(jī))、視頻圖像識(shí)別系統(tǒng)等部分組成。無(wú)人機(jī)可在河道斷面指定垂線上開(kāi)展非接觸式測(cè)流，無(wú)人機(jī)定點(diǎn)懸停在某一垂線上方，通過(guò)它的視頻拍攝功能，錄制一段視頻用來(lái)記錄浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡及歷時(shí)；拍攝一張照片，運(yùn)用搭載的RTK模塊，定位無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度及CORS高程。飛行結(jié)束后，通過(guò)對(duì)視頻素材的處理，用所得軌跡長(zhǎng)度和歷時(shí)計(jì)算出垂線水面流速。再根據(jù)已獲得的斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算出流量。天然河道高洪期的河道具有水流流速快、含沙量高、漂浮物多等特點(diǎn)，極易造成儀器的損壞并造成人身安全問(wèn)題，加之天然河流的復(fù)雜的紊動(dòng)特性，難以利用點(diǎn)流速測(cè)量技術(shù)快速獲取流速或代價(jià)很高，導(dǎo)致流速儀法、走航ADCP法等傳統(tǒng)接觸式測(cè)流方案無(wú)法開(kāi)展布置或儀器不能正常施測(cè)。而無(wú)人機(jī)測(cè)流技術(shù)，利用非接觸式測(cè)水面浮標(biāo)流速的方法解決了以上難題。該測(cè)流方法具有迅速、安全和不受漂浮物影響的特點(diǎn)，對(duì)于高洪搶測(cè)洪峰是一種非常實(shí)用的方法。無(wú)人機(jī)測(cè)流與傳統(tǒng)測(cè)流方案對(duì)比，具有很多優(yōu)勢(shì):測(cè)流數(shù)據(jù)具有可追溯性，無(wú)人機(jī)拍攝的照片與錄像可以永久保存，作為數(shù)據(jù)來(lái)源的依據(jù)，也可以用來(lái)校對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；參與作業(yè)人員減少，以往的浮標(biāo)法需要大量的人員來(lái)協(xié)作完成，無(wú)人機(jī)測(cè)流只需1～2人就能完成。應(yīng)急搶測(cè)時(shí)效性高，無(wú)人機(jī)測(cè)流歷史短，操作方便，能很快測(cè)得洪峰；采用非接觸式測(cè)水面浮標(biāo)流速的方法，應(yīng)對(duì)特殊水情安全性高。

2.4 在線測(cè)流系統(tǒng)的選擇

SL流量計(jì)是利用超聲波多普勒頻移的物理原理來(lái)測(cè)量水流的速度。特別適用于受上下游水利工程影響，水位流量關(guān)系紊亂無(wú)法定線的水文站。應(yīng)用SL流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要將水下?lián)Q能器固定安裝在水面以下的某一個(gè)固定位置，以保證水平方向。安裝位置影響較大，在水位較低時(shí)，換能器極易裸露造成數(shù)據(jù)失真，而且SL流量計(jì)價(jià)格昂貴，維修成本高，所以目前安裝使用的測(cè)站相對(duì)較少。雷達(dá)波在線流量系統(tǒng)適用于測(cè)驗(yàn)河段順直、穩(wěn)定、水流集中的站點(diǎn)。系統(tǒng)采用全自動(dòng)無(wú)人值守方式實(shí)現(xiàn)全天候每5min實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)，具有非接觸、自動(dòng)化的特點(diǎn)，同時(shí)不受漂浮物、泥沙、水質(zhì)等的條件影響，適用于平時(shí)測(cè)驗(yàn)、高洪監(jiān)測(cè)及危險(xiǎn)水情測(cè)量等特殊環(huán)境。雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)采用的也是一種非接觸式測(cè)流設(shè)備，測(cè)流不受河道漂浮物、滾石等影響，適合高洪測(cè)驗(yàn)。但經(jīng)過(guò)日常比測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)影測(cè)驗(yàn)誤差的主要有以下幾個(gè)因素：

a.雷達(dá)流速儀測(cè)得的水面流速是水面單寬流速，不同水位級(jí)，儀器距離水面位置不同，所測(cè)單寬流速代表性不同。

b.0.3m/s以下的流速是雷達(dá)流速儀的盲區(qū)，對(duì)于0.3m/s以下流速其誤差較大,天然流態(tài)站流速大多呈線性關(guān)系，高低水均可使用雷達(dá)流速儀推流，但受水利工程影響、有回水等水位流速關(guān)系混亂的站則不適合用雷達(dá)流速儀推流。

c.降雨對(duì)雷達(dá)流速計(jì)的流速影響很大，常出現(xiàn)突出點(diǎn)。因此,在這些情況下，特別是暴雨時(shí)期，雷達(dá)流速儀誤差增大。

d.雷達(dá)流速儀水平安裝角度與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有很大關(guān)聯(lián)，當(dāng)流速計(jì)與水流方向呈斜角時(shí)應(yīng)做偏角修正，但實(shí)際工作中因偏角難以準(zhǔn)確測(cè)定而并未修正,影響了站點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。因此，在水文測(cè)驗(yàn)中需根據(jù)測(cè)站特性選擇合適的在線測(cè)流系統(tǒng)。

3 提升水文測(cè)驗(yàn)信息化水平

3.1 重視專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)

近年來(lái)，水文部門(mén)加大信息化建設(shè)力度，購(gòu)置先進(jìn)儀器、建立信息化平臺(tái)、應(yīng)用諸多信息自動(dòng)化技術(shù)等。但是由于專(zhuān)業(yè)人才數(shù)量相對(duì)缺乏，致使技術(shù)運(yùn)用成效不高。特別是操作人員，能完全熟練掌握各項(xiàng)信息技術(shù)的較少，難以將設(shè)備功能完全發(fā)揮，甚至操作過(guò)程出現(xiàn)失誤，影響水文測(cè)驗(yàn)資料結(jié)果。因此，為保障測(cè)驗(yàn)資料質(zhì)量，除了需要積極引入自動(dòng)化技術(shù)，還需加大專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)力度，只有專(zhuān)業(yè)的人才能將信息自動(dòng)化技術(shù)合理運(yùn)用。加大專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)力度，首先需結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用情況，對(duì)水文建設(shè)人才需求展開(kāi)分析，合理引進(jìn)人才。其次，需針對(duì)水文工作中的分工不同，分別確定培養(yǎng)方案，對(duì)現(xiàn)有人才加以培養(yǎng)。最后，通過(guò)舉行應(yīng)急演練、技能比賽等活動(dòng)，強(qiáng)化實(shí)操能力，營(yíng)造良好的培訓(xùn)氛圍。

3.2 加強(qiáng)水文測(cè)驗(yàn)資料成果的比測(cè)分析

各種信息自動(dòng)化技術(shù)的使用，大大提高了水文工作的效率，但作為新儀器新技術(shù)，還需與傳統(tǒng)的技術(shù)手段進(jìn)行比測(cè)分析，畢竟傳統(tǒng)的技術(shù)手段已應(yīng)用多年，積累了大量的系列資料和使用經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)水文測(cè)驗(yàn)資料成果的比測(cè)分析，論證信息自動(dòng)化技術(shù)的綜合精度，有利于歷史資料延續(xù)，為今后信息自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用提供依據(jù)。

3.3 提升信息自動(dòng)化技術(shù)的創(chuàng)新能力

為提高水文信息自動(dòng)化水平，在日常水文工作中，要高度重視對(duì)技術(shù)的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，積極引進(jìn)信息自動(dòng)化技術(shù)，同時(shí)鼓勵(lì)水文工作者在平時(shí)的工作中多思考，多學(xué)習(xí)，要堅(jiān)持以創(chuàng)新的思維突破瓶頸制約，不斷提升自身科研水平。通過(guò)不斷創(chuàng)新，不僅能簡(jiǎn)化水文工作流程，減少基層人員工作強(qiáng)度，更能降低人為誤差、提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)水文工作信息化、智能化。

4 結(jié) 語(yǔ)

水文是水利工作的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展不可缺少的基礎(chǔ)性公益事業(yè)。水文作為防汛抗旱的尖兵耳目，高效及時(shí)提供水文數(shù)據(jù)是社會(huì)對(duì)水文行業(yè)提出的更高要求。將信息自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于水文測(cè)驗(yàn)中，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，以增強(qiáng)水文測(cè)報(bào)和信息服務(wù)能力為目標(biāo)，讓水文更好地為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。