黑龍江省水文信息自動監測系統的構建與應用

董淑華

(黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 水文監測概述

1.1 水文監測

水文監測是指通過科學的方法對自然界中水的時空分布、變化規律進行監控和測量。根據研究對象不同，水文大體可劃分為海洋水文、陸地水文和地下水文。與此相適應，水文監測也大體劃分為海洋水文監測、地表水水文監測和地下水水文監測。由于不臨近海洋，黑龍江省水文監測只包括地表水和地下水監測兩部分。水文監測一般通過在不同的地點布設水文測站進行相關要素的監控和測量。

1.2 水文資料整編

水文測站通常需要進行長期不間斷的連續監測。監測獲得的原始資料篇幅浩繁且只有一份，有些資料在時間上是離散的，不能滿足使用要求，必須通過科學的方法，按照統一的標準和規格進行統計、分析、審核、查證，整理成系統、簡明的圖表并匯編成水文年鑒或其他形式，才能使用。

2 水文監測站網

2.1 水文監測站的分類

水文測站按目的和作用分為基本站、專用站和實驗站三大類[1]?；菊臼菫楣媚康模浗y一規劃設立，能獲取基本水文要素值多年變化資料的水文測站。專用站是為特定目的而設立的水文測站，監測年限由設立單位確定。實驗站是為深入研究某些專門問題而設立的水文測站，實驗完成可撤銷或轉為基本站。

根據監測要素的不同，水文測站一般分為雨量站、水位站、流量站、蒸發站、泥沙站、地下水監測站、水質站等[1]。雨量站一般只監測降水量；水位站一般只監測水位，少量水位站也監測降水量或河流冰情；流量站監測要素比較完整，一般包括降水量、水位、流量3大要素，根據需要部分流量站還監測蒸發量、含沙量、河流冰情等要素，一般情況下水文站通常指的是流量站。地下水監測站一般只監測地下水埋深(或水位)。水質站根據設站目的不同，常規監測項目最少9項，最多37項[2]。地表水水質監測站，一部分在水文站中增設水質監測項目，一部分單獨設站，地下水水質監測站全部在地下水監測站中增設水質監測項目。隨著水資源保護和合理的開發利用越來越重要，水文監測也擴展了監測范圍，建設了相當數量的水資源專用監測站，主要監測取用水戶的取用水水量和水質。

2.2 水文監測站網

絕大多數水文工作都要以水文測站收集到的資料作為分析研究的基礎，而水文資料需要通過一定年限的積累才能據以探求有關水文特性的規律，為此水文測站要求在需要資料的地點提前若干年設立才能滿足要求。而實際情況不可能在所有需要資料地點都超前設立水文測站，這就需要采用以水文測站組成的水文站網，使各類測站形成相互聯系的整體，以解決未曾設站地點的水文問題。水文站網對水文工作具有廣泛而深遠的影響，是水文信息采集系統的基礎平臺。水文站網的結構合理與否，決定水文的服務能力和服務水平，在一定程度上影響水文科學的進步和水文事業的發展。水文監測站網的分類，一般按監測要素分，如雨量監測站網、水位監測站網、流量監測站網等。

2.3 水文監測站網的發展

黑龍江省的水文監測，最早可追溯到1898年。當時的中東鐵路管理局新建濱洲線松花江鐵路大橋，在松花江哈爾濱江段布設水尺觀測水位，由此開啟了黑龍江水文發展史。1933年，為了滿足日本帝國主義長期霸占和資源掠奪的需要，偽滿洲國交通部理水司理水調查處進行了大規模的設站，1945年抗戰勝利后內戰爆發，站網全面癱瘓，所有測站全部停測。東北解放后，水文觀測開始全面恢復，1956年進行第一次水文站網規劃。通過10多年的努力基本完成了第一次水文站網規劃任務，為黑龍江省水文站網長期穩定發展打下了良好的基礎。進入20世紀80年代以來，由于水文投入不足，阻礙了水文事業的發展，水文站網出現了下滑的趨勢。但這個時期社會經濟迅速發展，水資源供需矛盾和水環境問題日益突出，地下水井網和水質站有了一定的發展，水文站網結構發生一定的變化。1998年嫩江、松花江大水后，國家加大了對水利的投入，水文事業也遇上前所未有的機遇，水文站網下滑的趨勢得到一定的遏制，雨量站網、水質站網有了一定程度的發展[3]。

2010年以來隨著國家對中小河流防洪減災的極大重視，黑龍江省水文也配套建設了大量的防汛專用水文測站(汛期監測)。2012年以來為最嚴格的水資源管理制度提供技術支撐，全省配套建設了大量水資源專用監測站。這些專用站的建設，極大地豐富了黑龍江省水文水資源站網功能。

截至到2016年底，全省共有水文站267處(基本站120處、專用站147處)，水位站154處(基本站50處、專用站104處)，雨量站1989處(基本站605處、專用站1384處)，蒸發站71處，泥沙站25處，水質站105處，水資源站905處，地下水站1255處[4]。基本形成了站類相對齊全、功能相對完整、分布相對合理的水文監測站網體系。

3 水文的自動監測

3.1 水文自動測報系統的發展

隨著現代技術的飛速發展，水文監測由人工監測逐步過渡到自動監測便成為必然趨勢。所謂水文自動測報系統是指由收集、傳遞和處理水文實時數據的各種傳感器、控制器、通訊設備和計算機(含相應的專用軟件)等裝置組合而成的實現水文信息自動采集、自動傳輸、數字化存儲的水文信息處理系統。

黑龍江省水文自動測報系統的普及，開始于2000年的國家防汛抗旱指揮系統，齊齊哈爾水情分中心示范區是當時全國20個示范區之一，實現了10處中央報汛站的自動測報。該系統基本上確定了全省自動測報系統的基本模式，也是同期建設但使用至今的為數不多的系統之一。在此基礎上，從2003—2006年陸續建成了覆蓋全省的水文自動測報系統。

2012年開始，依托中小河流水文監測系統建設工程，黑龍江省重新構建了水文自動測報系統，新建的1618處各類水文測站全部實現了自動測報[5-18]。依托2012年開始實施的水資源監控能力建設項目，全新建設了全省水資源監控體系，截至目前1110處取用水水量監測站全部實現了自動監測，17處重要地表飲用水水源地水質監測站實現了水質在線監測[19]。依托2015年開始建設的地下水監測工程，786處地下水監測站實現了埋深和水溫自動監測，3處地下水監測站實現了水質自動監測[20-21]。

3.2 水文自動測報系統的分類

黑龍江省水文自動測報系統的拓撲結構為星型，工作體制為自報和應答兼容模式，中心站設在省水文局，各類水文測站為遙測終端站。通信環境較好的遙測站，通信信道采用GPRS，部分重要遙測站以北斗衛星為備份信道；通信環境不好的遙測站，以北斗衛星為通信信道。中心站配置接收設備和數據存儲設備，完成數據接收和存儲；遙測站以RTU(遠程終端單元，內置測控軟件)為核心，配置傳感器、通信部件和太陽能供電系統，完成數據采集和傳輸。

黑龍江省所有的水文自動測報信息，由中心站接收平臺統一接收，為方便使用，業務處理則根據業務性質和使用要求不同，分別開發了監測信息水位雨量處理系統、流量處理系統、視頻監控系統、水資源處理系統(含水質處理系統)和地下水處理系統。

4 典型案例

水文是服務性公益事業，水文監測信息對水利行業的服務最直接。主要體現在以下兩個方面。

4.1 為防汛抗旱減災服務

通過實時水文情報和預報為水利防汛抗旱減災服務。據統計2013年以來，黑龍江省水文局共接收并轉發各類水雨情信息2480余萬條，共產生暴雨預警5400余站次、大暴雨預警470余站次、河道站超警信息130余處。這些預警信息通過短信的方式直接通知到防汛相關負責人，各級防汛部門根據預警信息，能夠在第一時間對防汛工作做出科學部署，及時轉移人員，減少損失。同時，省水文局通過每日水情、水情簡報、洪水態勢圖等形式為防汛相關部門提供水情情報服務。

2013年6月30日—7月4日，龍鳳山水庫流域出現了一次暴雨中心自上游向下游移動的降雨過程，得益于豐富的實時水雨情數據與及時準確的水文預報成果，防汛部門及時調整水庫調度方案，保證了水庫本身和下游防護對象的安全；2014年7月19日，克山縣遭受1915年建縣以來最嚴重的局地短時強降雨，并伴有大面積龍卷風，致使縣內交通、通訊設施被沖毀，多處房屋倒塌，受災人口61 850人、農田28 397.4 hm2。得益于及時的水雨情監測與預警，緊急轉移2150人，無人員傷亡。據估算，2013年以來，全省中小河流預警預報累計減災效益超過6億元。

4.2 為水資源保護管理和水環境治理服務

黑龍江省已建成的1110處取用水水量自動監測點，對全省河道外許可水量的80%以上和全省總用水量的36%以上實現了取用水水量自動監測，其中1萬畝以上灌區渠首取水全部實現自動監測；已建成的17處重要地表飲用水源地水質在線監測站，實現了全省供水人口20萬人以上的地表水飲用水水源地水質在線監測全覆蓋。

依據詳實的水量和水質監測信息，目前黑龍江省可以實時掌握來水、取水、用水和排水動態，保證水資源管理的科學性和準確性，實現更精細化的水資源管理，為水資源公報、水資源簡報中的用水總量、用水效率和水功能區水質達標率提供了重要的數據支撐。省水文局每年為水行政主管部門編制年度水資源公報、水資源管理年報，12期重點水域水質狀況通報、6期水功能區水質狀況簡報，為各級政府水資源管理“三條紅線”考核提供了詳實的水文監測信息。

5 展 望

信息技術的飛速發展，為水文監測的技術進步帶來了前所未有的發展空間，互聯網+水文監測將會使水文行業發生革命性變化。

智能傳感器和萬物互聯的物聯網技術以及移動互聯技術，將有效解決水文監測的技術瓶頸，使水文要素的采集和傳輸不再受時間和空間的約束。水文自動監測產生的海量數據通過大數據分析和云存儲、云計算技術，將催生智能水文。