關(guān)于數(shù)字化水文水資源監(jiān)測模式探究

趙愛國

（湖南省衡陽市水文水資源勘測局 湖南衡陽 421000）

關(guān)于數(shù)字化水文水資源監(jiān)測模式探究

趙愛國

（湖南省衡陽市水文水資源勘測局 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)測準確性和實效性。這種監(jiān)測可以將傳統(tǒng)水文水資源要素的監(jiān)測預(yù)報方式變成信息采集分析，同時結(jié)合雨水情報，實現(xiàn)水文水資源的全面監(jiān)測目的，為人們的生產(chǎn)生活提供有效的信息。本文先對水文水資源監(jiān)測的必要性進行了分析，然后對數(shù)字化水文水資源監(jiān)測模式的應(yīng)用進行了深入分析，供相關(guān)人士參考。

數(shù)字化；水文水資源；監(jiān)測模式

1 引言

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展推進了科學(xué)技術(shù)的進步，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)測站，為了更好地滿足人們對高效便捷水資源的需求，積極運用高新技術(shù)，將以往的一些水資源要素監(jiān)測預(yù)報方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒉杉治鲞\用整體數(shù)字化的實施過程，從而促使新技術(shù)和雨水情測報工作兩者有機結(jié)合，對于分析和預(yù)測水文情勢變化規(guī)律有著極其重要的作用。

2 水文水資源監(jiān)測的必要性

水文水資源監(jiān)測工作的主要目的是對水資源的質(zhì)量以及變化情況進行監(jiān)測和質(zhì)量評估，該工作獲得的信息數(shù)據(jù)可以為國家和各級政府開發(fā)利用、管理與保護水資源提供科學(xué)依據(jù)。多年來，水文水資源工作為水資源開發(fā)利用、保護與管理提供了大量可靠、翔實的科學(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)測工作發(fā)展還不平衡。當前，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經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，特別是水資源短缺問題非常嚴峻。例如節(jié)水問題、對污水的控制處理、水資源的配置、水權(quán)水市場的建立等，沒有水資源監(jiān)測基本資料的支持是不行的。它是水資源管理、保護、配置、調(diào)度的技術(shù)保障，是經(jīng)濟社會和水利工作發(fā)展對水文工作提出的新要求，是水文水資源監(jiān)測的延伸和拓展。

3 數(shù)字化水文水資源監(jiān)測模式概述

3.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

數(shù)字化水資源監(jiān)測站主要由水位遙測子系統(tǒng)、視頻監(jiān)視子系統(tǒng)、流量自動監(jiān)測系統(tǒng)、氣象多參數(shù)自動測報子系統(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個子系統(tǒng)組成，這些系統(tǒng)完成的對測驗數(shù)據(jù)的采集和處理、發(fā)布等都是由計算機自動化控制實施。在這8個子系統(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)場的計算機具有處理所有數(shù)據(jù)信息發(fā)布的功能。同時在站內(nèi)應(yīng)采用一種網(wǎng)絡(luò)交換機為核心的局域網(wǎng)作為監(jiān)測監(jiān)控信息的處理平臺，根據(jù)一些建設(shè)方面的要求和目標，系統(tǒng)主動去完成流量、雨量、水溫、水位、氣溫、空氣濕度以及風(fēng)向和風(fēng)速等信號的數(shù)據(jù)采集工作，而且數(shù)據(jù)采集的終端需要在計算機內(nèi)進行本地數(shù)據(jù)的存儲，并對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理。另外，系統(tǒng)所應(yīng)用的軟件也應(yīng)當具有信息數(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)測模式系統(tǒng)主要由氣象監(jiān)測儀器、通信網(wǎng)絡(luò)、水文監(jiān)測儀器以及監(jiān)測信息數(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，并自動將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)的形式存入用戶的本地數(shù)據(jù)庫中，而且還可以通過網(wǎng)絡(luò)的方式將其發(fā)送到遠程的控制中心，從而更好地進行解碼處理，以便以后進行數(shù)據(jù)查詢和結(jié)果輸出。

4 水資源監(jiān)測系統(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月進行了初驗，年底進行了終驗，并投入正式運行。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層為計算機局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過局域網(wǎng)連接服務(wù)器、接收處理計算機和查詢工作站，可在任何工作站上進行水文信息的實時查詢及管理。該數(shù)字化水文站結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.2 該數(shù)字化水文站運行分析

4.2.1 水位對比分析

圖1 數(shù)字化水文站結(jié)構(gòu)圖

（1）實時水位數(shù)據(jù)的對比分析

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

圖2 逐時水位值誤差對比分析圖

（2）日平均水位的對比分析

日平均水位的計算方法分為面積包圍法和算術(shù)平均法2種，當觀測時距相等時，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間為等時距，符合算術(shù)平均法水位計算要求，因此采用算術(shù)平均法計算（日平均水位計算以0～24時為1日）。對水位日表中人工觀測與自動采集的48次數(shù)據(jù)進行對比，絕對值差小于2cm的有46次，符合規(guī)范要求的占總測次數(shù)的95.83%；絕對值差大于2cm的2次中，最大的值差為3cm。逐日平均水位值誤差對比分析如圖3所示。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，雖然水位觀測數(shù)據(jù)存在誤差，但誤差與儀器本身因素及數(shù)據(jù)采集和人工觀測時間不完全一致有關(guān)系。根據(jù)分析結(jié)果，水位觀測隨機誤差在測驗范圍之內(nèi)，滿足測驗規(guī)范要求。

圖3 逐日水位值誤差對比分析圖

4.2.2 水溫資料對比分析

自動觀測日均值采用算術(shù)平均法計算，而人工只在每天8和20時進行觀測，根據(jù)規(guī)定，只將每日8時值作為日平均水溫，因此與自動觀測計算的結(jié)果存在一定的誤差，經(jīng)對比大部分誤差在1℃左右，與算法有很大的關(guān)系。為此將自動采集水溫日均值的計算方法改為與人工觀測日均值的計算方法一致，這樣可減小因計算方法不同造成的誤差。實時水溫數(shù)據(jù)的對比分析是將8和20時自動采集和人工觀測的水溫進行對比分析。水溫實時表中人工觀測與自動采集的96次對比觀測中，絕對值差小于0.2℃的有70次，占總測次數(shù)的72.92%；絕對值差小于0.4℃的有86次，占總測次數(shù)的90%。日平均水溫對比分析是將8時的自動采集和人工觀測位進行對比分析。在水溫日表中人工觀測與自動采集的48次對比觀測中，絕對值差小于0.2℃的有43次，絕對值差大于0.2℃的有5次，占總測次數(shù)的10.4%。根據(jù)對比分析結(jié)果，水溫觀測存在隨機誤差，也存在系統(tǒng)誤差，雖然基本測驗范圍之內(nèi)，但需進一步對采集儀器進行校驗，或通過修正測驗數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)誤差，以滿足測驗規(guī)范要求。

4.2.3 降水資料對比分析

根據(jù)該數(shù)字化水文站降水采集情況，降水每達到0.2mm，自動采集儀進行1次操作和記錄。降水量的統(tǒng)計只進行日值對照，人工觀測計算方法為以前日8時至次日8時降水量累加總和作為前1日觀測量；自動觀測計算方法是根據(jù)日時界劃分要求，將該日自動采集的雨量總和進行累加求得日降水量。根據(jù)連續(xù)人工觀測與自動采集的48次值進行對比分析，絕對值差小于0.2mm的有46次，符合規(guī)范要求的占總測次的95.83%。在絕對值差大于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，但是在有限的觀測次數(shù)中絕對誤差還是比較大的。由于儀器本身存在一定誤差，既存在隨機誤差，也存在系統(tǒng)誤差。因此需對雨量傳感器進行校驗，或通過修正測驗數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)誤差，以滿足測驗規(guī)范要求。

圖4 逐日降水量誤差對比分析圖

4.2.4 蒸發(fā)資料對比分析

蒸發(fā)量的統(tǒng)計只進行日值對照，人工觀測計算方法為，以前日8時至次日8時的蒸發(fā)值作為前1日觀測量，根據(jù)前日8時蒸發(fā)量觀測值減去次日8時蒸發(fā)量觀測值加上前日的降水量值為前日蒸發(fā)量值。自動采集計算方法是將不同時段的蒸發(fā)量進行累加求得。蒸發(fā)日表中連續(xù)人工觀測與自動采集的48次對比觀測中，絕對值差都小于0.2mm只有11次，占總測次數(shù)的23%；小于1.0mm的有43次，占總測次數(shù)的90%。蒸發(fā)觀測對比分析的絕對誤差比較大，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，既有隨機誤差，也有系統(tǒng)誤差。需進一步對采集儀器進行校驗，或通過修正測驗數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)誤差，以滿足測驗規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

數(shù)字化水文水資源監(jiān)測模式的應(yīng)用實現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)從自動采集、傳輸，到接收、處理、分析、信息服務(wù)于一體的自動化，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，同時也為提高水文自動監(jiān)測技術(shù)水平，實現(xiàn)水文現(xiàn)代化打下堅實的基礎(chǔ)。但還應(yīng)進一步研究分析氣象自動觀測中數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差的原因，為提高氣象自動觀測數(shù)據(jù)精度提供依據(jù)。

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P332

A

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與分析方面的工作。