水文基礎測驗設施的現狀及數字水文展望

呂清華 姚珠暉

[摘? ? ? ? ? ?要]? 現代高等職業教育中，創新型實踐教學是培養合格大學生最重要的環節，其實踐教學平臺設施也需與時俱進、不斷創新。主要介紹水文、水資源等專業在實踐教學中，水文測驗設施的現狀以及對未來水文測驗的發展方向，對數字化水文進行展望。

[關? ? 鍵? ?詞]? 水文測驗;數字水文;展望

[中圖分類號]? P332? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）20-0220-02

一、水文測驗設施目前現狀

經過建國以后幾十個國家對水文事業發展的投入，水文測驗設施建設有了長足的提高，尤其是近十年，國家對水利投入逐年增加，作為水利一部分的水文事業，趁此發展機遇，加大設施設備的投入，不但改善了前幾十年落下的設施設備在區域發展不均衡、技術含量低、科研與生產不結合沒有形成生產力等落后面貌，還將專業人才和尖端科技手段引進水文行業。目前，所有尖端前沿科技手段在水文設施設備的應用中均有體現。但是，與發達國家比較我們還有很大的差距。目前，水文測驗手段與設施設備的現狀大致可以概括為以下兩種情況。

（一）傳統測驗手段與現代測驗方法結合

目前，水文系統的水文測驗設施設備，大部分還是按照傳統的水文測驗模式進行。水位觀測依然保留了人工觀測對自動測報進行校核;降雨量、蒸發量觀測也保留了人工觀測段次以對自動測報系統進行校核;流量測驗，主要是采用流速面積法計算流量，采用的儀器不外乎轉子式流速儀、旋杯式流速儀;浮標法測流這種古老傳統的測驗方法依然在很多水文站得到保留應用、深水浮標、小浮標以及量水建筑物法也有存在的空間……

與此同時現代水文測驗方法沖擊著傳統水文的設施設備。水位、雨量的固態存儲方法以及數據遠傳、自動拍發水文情報的先進手段，改變了人工固守觀測點的傳統模式;多普勒超聲波新的流量測驗模式讓我們水文職工個人耳目一新，打破了斷面的概念，流量在線系統不但更新了流量測驗方法而且正在挑戰傳統的整編模式，把水位─流量關系更新為時間─流量關系;計算機技術、網絡技術、衛星通訊技術已經深入水文測驗的每一個工作過程，使我們在世間和空間上面得到很大的自由，為防汛減災決策爭得了更多的時間。

（二）常規測驗設施設備與尖端科技儀器并存

纜道、水位井、測輪、浮標、吊船索、測橋、經緯儀、水準儀、自己雨量計、蒸發皿、粒徑計、天枰、橫式采樣器……，這些我們非常熟悉的水文測驗設施設備正在被多普勒超聲波流速剖面儀、固態雨量存儲器、雷達水位計、壓力式水位計、雷達流速儀、ADCP在線流量測驗系統、雷達波在線流量測驗系統、GPS全球定位系統、遠紅外測距儀、超聲波測深儀、遙控電動船和三體船、移動式水質監測車所取代。

但是，新老設施設備共存現象是目前水文的現狀，新的測驗設備的引進使我們的檢測范圍擴大了，原來需要固守斷面，現在，坐在辦公室就能夠對整個流域面上的觀測站點進行遙測，采集數據，流量方面還可以根據水位和時間的變化進行招測，極大地方便水文數據的采集于傳輸，同時增加了信息量。

水文測驗常規設施設備與尖端科技儀器并存的現象使水文職工需要更加開闊自己的視野，不斷豐富自己的專業知識，這也是時代對我們提出的要求。

二、水文測驗發展方向——數字水文（自動測報系統）

水文自動測報系統是應用遙感、通信、計算機和網絡技術，完成流域內或者測區內固定及移動站點的降水量、蒸發量、水位、流量、含沙量、潮位、風速、風向和水質等水文氣象要素以及水庫閘門開度等數據的采集、傳輸、存儲和處理的信息系統。水文自動測報系統水文信息網的重要組成部分。狹義地說，水文自動測報系統一般是指測區內的降水量、水位、流量（較規則斷面的測站）、閘門開度等防汛信息的自動采集、傳輸存儲和處理的信息系統。廣義的水文自動測報系統除了上述信息的采集、傳輸、存儲和處理以外，還包括采集到的信息的管理與應用以及通信網絡等。

水文自動測報系統是重要的有效的非工程措施，但水文自動測報系統的建設本身也是一項工程，也需要按照工程建設的要求進行規劃、設計、建設和管理。所謂非工程措施是相對于建筑水庫、電站等大型土木工程而言。

（一）水文自動測報系統的組成

一個最基本的水文自動測報系統，至少由若干個遙測站和中心站（在國家防汛抗旱指揮系統工程中稱為水情分中心）組成。一般情況下，水文自動測報系統包含4類站點，各類站點的功能如下。

1.遙測站

在遙測終端機控制下，自動完成被測參數的采集，將取得的數據經處理以后存入存儲器（固態存儲），并完成數據傳輸。遙測站的設備可以根據防汛的需要增加人工置數和超限主動加報等功能。

遙測站的主要設備有傳感器（雨量、水位計、流速）、遙測終端機、通訊設備、電源、避雷設施等。數據存儲記錄可以在傳感器部分也可以在遙測終端機內部，或者單獨存在。

2.集合轉發站

當報汛站的數量較多時，宜采用由集合轉發站接受處理若干個遙測站的數據，再打包轉發到分中心站，而另一部分站直接與分中心通信的模式。

集合轉發站的設備組成類似于中心站，只是簡單而已。一般包括計算機、中心控制器、通信設備和電源。集合轉發站可以下載輸出數據。

3.中繼站

用于溝通無線通訊電路，以滿足數據傳輸的需要。中繼站只是為了溝通或加強通訊電路，對傳輸的數據不作任何處理。

實際上，衛星通信中的衛星。微波通信中的微波接力站，簡單有線電話通信中的放大增音、中轉機、光纖通信中的中繼器，也都是“中繼站”。但是，這些公共通信系統已經建成，或者有成熟的產品可以直接應用。構建水文自動測報系統時，只有超短波通信的中繼站需要專門設計和構造。

4.中心站

主要完成各站遙測數據的適時收集、存儲以及數據處理任務，并將所收集的實時數據報送給上級有關部門。中心站是系統的中樞。由于大系統往往由較小的系統網絡購成的，可以將一個地區、一個省、一個大流域，甚至一個國家的所有水文遙測站歸于一個“系統”。因此，“中心站”“分中心”的概念可大可小，在國家防汛指揮系統中，地區一級的系統中心被稱為“分中心”。

分中心的設備主要有計算機系統、通訊設施、中心控制機、電源等。

（二）數字水文站基本情況及組成

數字水文站是利用先進的測流技術、水質實時監測技術、數據采集技術、視頻監控技術、計算機網絡技術等多種新技術集成的具有當前國內一流技術水平的“水文信息自動監測監控系統”。該系統采用分布式結構組成，能實現水文信息的實時自動采集、傳輸、處理入庫、視頻實時監控、流量自動測量和計算、水質自動測量和計算、遠程數據和圖像傳輸、水文站信息的WEB查詢、水文資料的預整編等功能，實現了水文站信息采集的自動化、數字化、網絡化。

按照目前水文站的情況，系統可由水位自動測報分系統、閘位自動監測分系統、氣象多參數自動測報分系統、流量自動監測分系統、水質自動監測分系統、地下水位監測分系統、土壤含水量自動監測分系統、視頻監視分系統、數據傳輸和數據處理分系統（中心控制系統）等內容進行組合而成。

（三）數字水文站采集的基本水文信息要素

（1）水位：多種形式的水位傳感器;

（2）地下水：多種形式的地下水位傳感器;

（3）流量：多種流量接口;

（4）水質：多種水質監測參數;

（5）土壤含水量：各層土壤含水量;

（6）沙量：輸沙率、含沙量;

（7）氣象參數：雨量、蒸發、濕度、溫度、風速、風向、氣壓等;

（8）閘位：閘門的開啟高度;

（9）視頻：監視圖像。

（四）數字水文站網絡拓撲結構

數字水文站分為三層網絡結構，底層為傳感器至數據采集平臺之間，數據傳輸采用有線方式，傳感器輸出的信號主要有電壓、電流、數字量、開關量、RS-485、SDI-12等形式;第二層為數據采集平臺至接收處理計算機之間，數據傳輸采用有線、無線等方式，主要有RS-485、無線超短波、電話、GSM短信、GSM、GPRS、光纖等多種通訊形式;最上層為計算機局域網結構，通過局域網連接服務器和接收處理計算機及查詢工作站，可在任何一臺工作臺上進行水文信息的實時查詢及管理。以后隨著水文站條件的完善，上級主管部門及相關部門可通過廣域網來實時查詢水文站的水文信息。

（五）各分系統結構及功能特點

數字水文站雖然有多種分系統組成，但信息采集之間又是互相有聯系的。數字水文站中主要部分數據采集平臺可以實現多種參數的采集、存儲、傳輸功能。下面以水位、流量為例分項進行說明。

目前水文站需要測量的水位一般有1處以上，部分站可能有多處水位測量點。水位測量的設備目前主要有浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計、氣泡式水位計、激光水位計、雷達水位計等幾種，尤其是浮子式水位計占很大的比重。數據采集平臺定時采集水位數據，經處理后通過多種通訊方式傳送至中心控制室的接收處理計算機。

水位自動測報分系統設備主要由水位計、數據采集平臺、通訊設備、天饋線、蓄電池、太陽能電池（或直流電源）等組成。

主要功能：

（1）定時實時采集水位數據（一般為5分鐘/次）;

（2）具有軟件消浪功能;

（3）帶有5分鐘水位數據存儲的功能，便于進行水位數據校核;

（4）采集的數據實時發送至水文站中心控制室;

（5）可設水位、電壓、故障報警功能;

（6）水位分辨率達到cm級，測量精度±2cm，完全滿足規范要求。

流量測量是水文站的關鍵測量項目，但目前對于天然河流的流量自動測量的方法還不太多，對于有條件的地方首先考慮自動測流，如超聲波時差法測流裝置、H-ADCP測流裝置、涵閘流量測量裝置、泵站效率法測流等方法;對大多數水文站可以考慮采用先進的測流手段，借助少量的人力資源進行可靠的斷面測流，如全自動纜道測流裝置、走航式ADCP測流裝置等。流量自動監測分系統把所有的測量數據由計算機通過通訊網絡傳送至中控室。對部分自動測流裝置也可通過數據采集平臺傳送至中控室。

三、系統集成

由于各個水文站的具體情況不一樣，監測的項目和內容也不一樣，需要根據各個水文站具體情況來設計數字水文站的規模和總體結構，并把以上有關的分系統進行有機的結合和系統集成，從而形成一個具有自身特點的數字水文站。

根據水文站的具體要求，數字水文站的規模可大也可小，可以通過系統集成靈活方便地進行構架，并可在條件成熟時方便地增加監測內容。使用戶在前期投入時不需要過多地考慮后期的擴充和完善，只需購置部分相關的儀器設備和測量傳感器即可增加新的測量項目，操作人員只需進行簡單的設置即可。

數字水文站中關鍵設備數據采集平臺具有多種傳感器接口，可實現一臺儀器連接多臺測量設備，尤其是RS-485接口可連接32臺具有RS-485接口的傳感器，一臺數據采集平臺都多可連接37臺各種傳感器設備。在數字水文站中雖然有多種分系統，但在實際系統集成時可能只需要較少的數據采集平臺設備即可實現水文信息的自動采集、存儲、傳輸等功能。中心控制分系統的規模也是可變的，最小的只需要一臺計算機就行了，大一些的可配置專用服務器來實現數據的存儲、管理等工作。

參考文獻：

[1]林祚頂.水文現代化與水文新技術[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[2]周海英.水情遙測技術應用[J].水文水利自動化，2012（10）.