寧夏季節(jié)性河流水文水資源信息化監(jiān)測的探索與思考

李曉花 馬永剛 杜 歷

(寧夏回族自治區(qū)水文水資源監(jiān)測預(yù)警中心，寧夏 銀川 750001)

水文水資源監(jiān)測是通過一定的技術(shù)手段和方式長期采集獲取各類水文要素?cái)?shù)據(jù)的技術(shù)體系，并對這些水文要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析和整編，為水資源的評價(jià)和合理開發(fā)利用，以及工程建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理運(yùn)行及防汛、抗旱等提供技術(shù)依據(jù)[1]。隨著信息化的快速發(fā)展，寧夏共設(shè)有水文監(jiān)測站點(diǎn)1858處，其中水文站174處(基本水文站39處、專用水文站135處)、水位站151處、雨量站927處、蒸發(fā)站21處、墑情站57處、地下水監(jiān)測站321處、水質(zhì)監(jiān)測斷面116處、定點(diǎn)洪水調(diào)查斷面46處、黃河視頻監(jiān)測站45處。現(xiàn)有水文站網(wǎng)中，雨量、水位已全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線監(jiān)測，引黃灌區(qū)17處干渠取水?dāng)嗝嬉褜?shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測全覆蓋，天然河道有4處已實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)在線監(jiān)測。寧夏水文監(jiān)測方式也逐步由傳統(tǒng)人工監(jiān)測逐步走向信息化、自動(dòng)化監(jiān)測的新時(shí)代。隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)建設(shè)、河湖長制管理、水旱災(zāi)害防御以及水利和經(jīng)濟(jì)社會(huì)對水文水資源監(jiān)測的需求越來越高，寧夏水文水資源信息化監(jiān)測依然存在一些短板與不足，還需要不斷創(chuàng)新思路，構(gòu)建人工監(jiān)測與自動(dòng)監(jiān)測相結(jié)合、相補(bǔ)充的多樣化智能化的水文水資源監(jiān)測體系[2]。

1 季節(jié)性河流水文水資源監(jiān)測短板分析

1.1 監(jiān)測斷面條件復(fù)雜

寧夏季節(jié)性河流水文監(jiān)測站網(wǎng)站點(diǎn)面廣線長，標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測斷面數(shù)量不多，很多河流監(jiān)測斷面沖淤變化劇烈、大部分排水溝監(jiān)測斷面溝底受水草叢生干擾影響監(jiān)測數(shù)據(jù)精度。

1.2 監(jiān)測采集端信息化程度較薄弱

雖然寧夏水文水資源信息化監(jiān)測有所發(fā)展，但從現(xiàn)狀水文水資源監(jiān)測站網(wǎng)體系來看，仍未實(shí)現(xiàn)全要素全業(yè)務(wù)全流程信息化監(jiān)測。大部分水文要素采集仍主要依靠人工現(xiàn)場操作常規(guī)儀器進(jìn)行，信息化程度較低，特別是高含沙量河流其泥沙等自動(dòng)在線監(jiān)測技術(shù)尚不成熟，已建信息化設(shè)備運(yùn)行維護(hù)經(jīng)費(fèi)緊缺等，嚴(yán)重制約水文水資源監(jiān)測采集端信息化發(fā)展。

1.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)云處理、云計(jì)算體系不完善

水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)云平臺集成、云計(jì)算是提升水文服務(wù)品質(zhì)的核心與關(guān)鍵，寧夏水文水資源數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)品模型化、定制化體系還未建立，一些水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析工作量大且存在重復(fù)性，水文數(shù)據(jù)服務(wù)共享及信息化管理體系仍不完善。

1.4 課題化、項(xiàng)目化監(jiān)測研究不充分

隨著水文水資源監(jiān)測服務(wù)領(lǐng)域不斷拓展，水利和經(jīng)濟(jì)社會(huì)對水文數(shù)據(jù)的需求更加靈活多樣，對數(shù)據(jù)處理的效率和質(zhì)量要求越來越高，僅以傳統(tǒng)的思維布局水文站網(wǎng)與監(jiān)測，常規(guī)手段開展監(jiān)測和數(shù)據(jù)服務(wù)，難以滿足水利和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對水文水資源數(shù)據(jù)的各類需求。

2 信息化監(jiān)測的思考與探索

寧夏面積不大，河流水網(wǎng)稀疏，大部分河流(溝道)洪水期流量陡漲陡落，每立方米含沙量高達(dá)幾百千克，而平水期流量非常小，水流清澈。河流(溝道)監(jiān)測斷面流量從平水期不足1m3/s到洪水期每秒成百上千立方米，河流水量量級變化較大，因此，水文水資源監(jiān)測情況復(fù)雜、難度較大。為全面高效提供水文數(shù)據(jù)服務(wù)，本文從測站布設(shè)、監(jiān)測模式、降水監(jiān)測格局、泥沙信息化監(jiān)測等方面進(jìn)行了探索，提出如下建議。

2.1 構(gòu)建靈活機(jī)動(dòng)的監(jiān)測服務(wù)體系

近年來寧夏水文站網(wǎng)增長很快，水文站網(wǎng)已覆蓋主要河流、溝道等水體，但還沒有完全實(shí)現(xiàn)全要素監(jiān)測信息化。

寧夏水資源匱乏，河網(wǎng)稀疏，有些河流溝道常年干涸無水，在無水河流溝道大范圍增建固定的水文站網(wǎng)和信息化監(jiān)測站網(wǎng)，投資巨大。建議今后在水文水資源監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃與拓展時(shí)綜合地域和流域?qū)嶋H，因地制宜地考慮水利和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的切實(shí)需求、技術(shù)成熟度、運(yùn)維經(jīng)費(fèi)支撐保障能力等因素，穩(wěn)步推進(jìn)固定水文站網(wǎng)的擴(kuò)充建設(shè)。

拓寬水文水資源監(jiān)測服務(wù)體系建設(shè)創(chuàng)新思路，充分發(fā)揮資金、設(shè)施、人員和技術(shù)的最大效能，以監(jiān)測與科研實(shí)驗(yàn)為主要內(nèi)容，打造信息化的多要素水文水資源監(jiān)測移動(dòng)實(shí)驗(yàn)站，提升水文水資源監(jiān)測的機(jī)動(dòng)性，提高監(jiān)測覆蓋面，不斷滿足社會(huì)各界對水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)的多樣化需求。同時(shí)要積極嘗試根據(jù)社會(huì)需求開展課題化、項(xiàng)目化、機(jī)動(dòng)化的水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)采集服務(wù)模式，提高水文水資源信息化監(jiān)測設(shè)備的重復(fù)利用率，豐富水文水資源監(jiān)測形式，從而拓展水文水資源監(jiān)測服務(wù)范圍，歷練培養(yǎng)水文人才隊(duì)伍，擴(kuò)大水文社會(huì)影響力[3]。

2.2 探索分類施策的流量監(jiān)測模式

寧夏河流(溝道)流量監(jiān)測影響因素較多，且點(diǎn)多面廣、類型繁多，技術(shù)要求和數(shù)據(jù)的需求都不盡相同，要積極探索研究“按需定級、分類施策、逐步推進(jìn)”的新方式以解決季節(jié)性河流流量信息化監(jiān)測問題。

2.2.1 平水期生態(tài)流量監(jiān)測

寧夏季節(jié)性河流平水期流量系列資料是分析確定生態(tài)流量、水資源開發(fā)利用、推進(jìn)水生態(tài)保護(hù)的重要數(shù)據(jù)支撐，所以平水期水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)十分關(guān)鍵。平水期大部分河流溝道流量在1m3/s以下，部分甚至在0.1m3/s以下，監(jiān)測難度大，目前平水期的水文監(jiān)測信息化程度不高。研究解決好季節(jié)性河流平水期生態(tài)流量監(jiān)測信息化能力問題就顯得尤為重要。可在河流溝道中建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)式斷面或儀器安裝平臺，消除儀器設(shè)備抗沖擊、防淤積等不利應(yīng)用條件，采用聲學(xué)多普勒ADCP、電磁流量計(jì)等設(shè)備來解決復(fù)雜流態(tài)流量監(jiān)測問題。

2.2.2 灌區(qū)取水口流量監(jiān)測

灌區(qū)取水干渠流量監(jiān)測斷面大部分為標(biāo)準(zhǔn)化斷面，水流條件相對較好，較容易實(shí)現(xiàn)流量信息化監(jiān)測。可應(yīng)用較成熟穩(wěn)定的聲學(xué)多普勒ADCP、雷達(dá)流速儀、電磁流量計(jì)等信息化監(jiān)測儀器，通過比測率定建立和優(yōu)化算法模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水量信息化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸。寧夏2020年引黃灌區(qū)17處干渠取水口斷面全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)在線監(jiān)測(其中15處多垂線定點(diǎn)雷達(dá)自動(dòng)在線、2處雙垂線定點(diǎn)ADCP自動(dòng)在線)，重點(diǎn)是研究解決了含沙量、風(fēng)向風(fēng)力等不同影響因素下算法模型參數(shù)調(diào)整、過水?dāng)嗝孀兓瘮?shù)據(jù)更新、云數(shù)據(jù)庫集成分析與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享服務(wù)等內(nèi)容，提升了灌區(qū)水量監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量、效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2.3 灌區(qū)排水溝流量監(jiān)測

影響排水流量監(jiān)測數(shù)據(jù)因素較多。灌區(qū)排水溝道水系受地方溝道整治、人工濕地和塘壩建設(shè)等影響較大；灌區(qū)排水水資源再利用情況復(fù)雜；排水溝水文監(jiān)測斷面溝底水草叢生，嚴(yán)重影響流量監(jiān)測精度；排水溝監(jiān)測斷面水流變化復(fù)雜，易受黃河水位頂托影響，根據(jù)頂托的程度會(huì)出現(xiàn)壅水、順流、停滯、逆流等復(fù)雜的流態(tài)；排水溝監(jiān)測信息化程度較低，人工巡測經(jīng)費(fèi)成本較高。

根據(jù)灌區(qū)排水溝監(jiān)測存在的不同問題根源，思考通過排水溝水系調(diào)查與監(jiān)控管理解決排水水資源再利用問題；建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化量水?dāng)嗝娼鉀Q水草叢生影響監(jiān)測的問題；應(yīng)用聲學(xué)多普勒ADCP、電磁流量計(jì)等信息化監(jiān)測儀器解決復(fù)雜流態(tài)流量監(jiān)測問題，形成具備監(jiān)測不同流態(tài)狀態(tài)的灌區(qū)排水溝流量監(jiān)測技術(shù)。

2.2.4 基本站點(diǎn)洪水流量監(jiān)測

國家基本水文站資料系列較長，監(jiān)測數(shù)據(jù)是水文水資源分析研究的主要支撐，監(jiān)測精度要求比較高。要結(jié)合西北多沙季節(jié)性河流水文水資源監(jiān)測的實(shí)際需求，確定主要的研究方向，通過建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化斷面，引進(jìn)性能穩(wěn)定的定點(diǎn)雷達(dá)、視頻圖像識別等信息化監(jiān)測設(shè)備，開展同步比測精度分析，率定不同水體情況及風(fēng)向風(fēng)力等氣象條件下的算法模型參數(shù)，形成“自動(dòng)監(jiān)測為主、人工監(jiān)測校準(zhǔn)”的水文水資源監(jiān)測新模式，不斷提升流量自動(dòng)在線監(jiān)測精度與質(zhì)量，拓展水文技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域。

2.2.5 預(yù)警站點(diǎn)洪水流量監(jiān)測

僅承擔(dān)防洪預(yù)警類功能的河流(溝道)流量監(jiān)測站點(diǎn)，可適當(dāng)思維靠前，應(yīng)用“天空地”立體的智慧水文水資源監(jiān)測技術(shù)。天基預(yù)警，應(yīng)用導(dǎo)航衛(wèi)星定位及數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用遙感衛(wèi)星開展洪水演進(jìn)監(jiān)測和預(yù)警；空基巡察，根據(jù)應(yīng)急監(jiān)測需要，對未控地區(qū)采用無人機(jī)等平臺加載信息化監(jiān)測設(shè)備開展水文水資源監(jiān)測與巡察；陸基支撐，應(yīng)用雷達(dá)側(cè)掃、圖像識別等智慧水文水資源監(jiān)測技術(shù)來實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警，達(dá)到靈活高效地開展水文水資源信息化監(jiān)測預(yù)警服務(wù)。

2.3 建立點(diǎn)面結(jié)合的降水監(jiān)測格局

未來的智慧水文水資源監(jiān)測體系中的降水監(jiān)測應(yīng)當(dāng)是點(diǎn)面監(jiān)測結(jié)合、點(diǎn)面監(jiān)測互補(bǔ)、點(diǎn)面監(jiān)測共榮的發(fā)展態(tài)勢。一方面要把現(xiàn)有自動(dòng)雨量站信息化設(shè)備不斷升級，提升信息化監(jiān)測能力，形成長系列的雨量監(jiān)測資料，為開展水文水資源研究、防汛預(yù)警預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)支撐。另一方面，要積極探索建設(shè)高分辨區(qū)域面雨量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，為山洪易發(fā)區(qū)突發(fā)性暴雨洪水、重要城市防洪、流域生態(tài)降水等水文水資源監(jiān)測提供定量、及時(shí)的區(qū)域面雨量監(jiān)測信息，同時(shí)彌補(bǔ)單點(diǎn)雨量站監(jiān)測站網(wǎng)空白問題，解決高密度安裝點(diǎn)雨量站對生態(tài)環(huán)境影響的矛盾。

2.4 創(chuàng)新泥沙信息化監(jiān)測應(yīng)用

寧夏中部地區(qū)原州區(qū)到同心縣，為黃土溝壑泥沙嚴(yán)重流失區(qū)，由于降水集中，土壤常年干燥，植被少，一次暴雨產(chǎn)生的水土流失相當(dāng)嚴(yán)重，多年平均含沙量在100～400kg/m3，蒲河流域安家川河代表站米家川水文站最大含沙量1030kg/m3，出現(xiàn)在1993年。寧夏同心縣以北的丘陵區(qū)，為風(fēng)蝕為主的風(fēng)沙干旱區(qū)，水蝕現(xiàn)象相應(yīng)減少，多年平均含沙量在200～300kg/m3。清水河下游泉眼山水文站最大含沙量1160kg/m3，出現(xiàn)在1982年。寧夏北部賀蘭山區(qū)由于大部分地區(qū)為石山林區(qū)，土層較薄，水蝕較小，賀蘭山東麓代表站蘇峪口水文站最大含沙量724kg/m3，出現(xiàn)在1994年；汝箕溝水文站最大含沙量563kg/m3，出現(xiàn)在1997年；大武口溝水文站最大含沙量474kg/m3，出現(xiàn)在1991年。寧夏各河流溝道洪水期含沙量均較大。

國內(nèi)泥沙監(jiān)測設(shè)備普遍適用于含沙量較小的河流水系，目前含沙量達(dá)100kg/m3以上的泥沙信息化監(jiān)測技術(shù)尚不成熟，應(yīng)用不夠廣泛。寧夏河流溝道洪水期含沙量均在100kg/m3以上，為了實(shí)現(xiàn)泥沙自動(dòng)在線監(jiān)測，必須采取引進(jìn)技術(shù)與自主創(chuàng)新相結(jié)合的方式，主動(dòng)探索適應(yīng)西北高含沙量河流自動(dòng)監(jiān)測的方式方法，從思路和技術(shù)上解決泥沙信息化監(jiān)測問題。目前結(jié)合寧夏區(qū)域?qū)嶋H創(chuàng)新采用隨機(jī)自動(dòng)取樣，非接觸式置換法處理計(jì)算含沙量的方式可實(shí)現(xiàn)泥沙自動(dòng)在線監(jiān)測，減少高泥沙河流水草漂浮物、泥石流對自動(dòng)監(jiān)測儀器的影響。

2.5 實(shí)踐基于大數(shù)據(jù)的智慧水文水資源應(yīng)用體系

隨著水文信息化建設(shè)的不斷深入，數(shù)據(jù)信息量會(huì)越來越大，新的問題也會(huì)隨之而來，測控平臺繁雜問題，設(shè)備系統(tǒng)管控運(yùn)維問題，監(jiān)測數(shù)據(jù)接收匯集、數(shù)據(jù)分析處理應(yīng)用問題，數(shù)據(jù)成果共享問題等將不斷出現(xiàn)。建立基于云平臺的水文水資源大數(shù)據(jù)分析服務(wù)平臺，分布式構(gòu)建水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)池、數(shù)據(jù)倉，充分應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)所有水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)、運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)的匯集、存儲(chǔ)、計(jì)算整編處理、質(zhì)量管控、預(yù)警預(yù)報(bào)、分析研究、數(shù)據(jù)服務(wù)的水文水資源業(yè)務(wù)應(yīng)用一體化，是發(fā)揮好水文水資源信息化監(jiān)測服務(wù)作用的關(guān)鍵。

3 結(jié) 語

寧夏季節(jié)性河流水文水資源監(jiān)測條件復(fù)雜，監(jiān)測難度較大，本文重點(diǎn)研究解決寧夏河網(wǎng)稀疏、監(jiān)測斷面沖淤變化劇烈、水草干擾、泥沙含量大等因素影響下的水文水資源監(jiān)測信息化建設(shè)思路和監(jiān)測質(zhì)量提升問題，同時(shí)提出創(chuàng)新推動(dòng)“固定站網(wǎng)信息化升級，機(jī)動(dòng)監(jiān)測靈活補(bǔ)充”的多樣化水文水資源監(jiān)測體系，為今后拓展無常流水的空白區(qū)水文水資源監(jiān)測提供參考，更好地為水旱災(zāi)害防御、水資源開發(fā)與管理、河湖長制落實(shí)、水生態(tài)保護(hù)與治理，提供更加全面準(zhǔn)確高效的水文水資源數(shù)據(jù)服務(wù)。