寧夏季節性河流水文水資源信息化監測的探索與思考

李曉花 馬永剛 杜 歷

(寧夏回族自治區水文水資源監測預警中心，寧夏 銀川 750001)

水文水資源監測是通過一定的技術手段和方式長期采集獲取各類水文要素數據的技術體系，并對這些水文要素數據進行計算、分析和整編，為水資源的評價和合理開發利用，以及工程建設規劃、設計、施工、管理運行及防汛、抗旱等提供技術依據[1]。隨著信息化的快速發展，寧夏共設有水文監測站點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、蒸發站21處、墑情站57處、地下水監測站321處、水質監測斷面116處、定點洪水調查斷面46處、黃河視頻監測站45處。現有水文站網中，雨量、水位已全面實現自動在線監測，引黃灌區17處干渠取水斷面已實現流量在線監測全覆蓋，天然河道有4處已實現流量自動在線監測。寧夏水文監測方式也逐步由傳統人工監測逐步走向信息化、自動化監測的新時代。隨著黃河流域生態保護與高質量發展先行區建設、河湖長制管理、水旱災害防御以及水利和經濟社會對水文水資源監測的需求越來越高，寧夏水文水資源信息化監測依然存在一些短板與不足，還需要不斷創新思路，構建人工監測與自動監測相結合、相補充的多樣化智能化的水文水資源監測體系[2]。

1 季節性河流水文水資源監測短板分析

1.1 監測斷面條件復雜

寧夏季節性河流水文監測站網站點面廣線長，標準化監測斷面數量不多，很多河流監測斷面沖淤變化劇烈、大部分排水溝監測斷面溝底受水草叢生干擾影響監測數據精度。

1.2 監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測有所發展，但從現狀水文水資源監測站網體系來看，仍未實現全要素全業務全流程信息化監測。大部分水文要素采集仍主要依靠人工現場操作常規儀器進行，信息化程度較低，特別是高含沙量河流其泥沙等自動在線監測技術尚不成熟，已建信息化設備運行維護經費緊缺等，嚴重制約水文水資源監測采集端信息化發展。

1.3 監測數據云處理、云計算體系不完善

水文水資源監測數據云平臺集成、云計算是提升水文服務品質的核心與關鍵，寧夏水文水資源數據服務產品模型化、定制化體系還未建立，一些水文基礎數據分析工作量大且存在重復性，水文數據服務共享及信息化管理體系仍不完善。

1.4 課題化、項目化監測研究不充分

隨著水文水資源監測服務領域不斷拓展，水利和經濟社會對水文數據的需求更加靈活多樣，對數據處理的效率和質量要求越來越高，僅以傳統的思維布局水文站網與監測，常規手段開展監測和數據服務，難以滿足水利和經濟社會發展對水文水資源數據的各類需求。

2 信息化監測的思考與探索

寧夏面積不大，河流水網稀疏，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幾百千克，而平水期流量非常小，水流清澈。河流(溝道)監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，水文水資源監測情況復雜、難度較大。為全面高效提供水文數據服務，本文從測站布設、監測模式、降水監測格局、泥沙信息化監測等方面進行了探索，提出如下建議。

2.1 構建靈活機動的監測服務體系

近年來寧夏水文站網增長很快，水文站網已覆蓋主要河流、溝道等水體，但還沒有完全實現全要素監測信息化。

寧夏水資源匱乏，河網稀疏，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和信息化監測站網，投資巨大。建議今后在水文水資源監測站網規劃與拓展時綜合地域和流域實際，因地制宜地考慮水利和經濟社會的切實需求、技術成熟度、運維經費支撐保障能力等因素，穩步推進固定水文站網的擴充建設。

拓寬水文水資源監測服務體系建設創新思路，充分發揮資金、設施、人員和技術的最大效能，以監測與科研實驗為主要內容，打造信息化的多要素水文水資源監測移動實驗站，提升水文水資源監測的機動性，提高監測覆蓋面，不斷滿足社會各界對水文水資源監測數據的多樣化需求。同時要積極嘗試根據社會需求開展課題化、項目化、機動化的水文水資源監測數據采集服務模式，提高水文水資源信息化監測設備的重復利用率，豐富水文水資源監測形式，從而拓展水文水資源監測服務范圍，歷練培養水文人才隊伍，擴大水文社會影響力[3]。

2.2 探索分類施策的流量監測模式

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

2.2.1 平水期生態流量監測

寧夏季節性河流平水期流量系列資料是分析確定生態流量、水資源開發利用、推進水生態保護的重要數據支撐，所以平水期水文水資源監測數據十分關鍵。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，監測難度大，目前平水期的水文監測信息化程度不高。研究解決好季節性河流平水期生態流量監測信息化能力問題就顯得尤為重要。可在河流溝道中建設標準化復式斷面或儀器安裝平臺，消除儀器設備抗沖擊、防淤積等不利應用條件，采用聲學多普勒ADCP、電磁流量計等設備來解決復雜流態流量監測問題。

2.2.2 灌區取水口流量監測

灌區取水干渠流量監測斷面大部分為標準化斷面，水流條件相對較好，較容易實現流量信息化監測。可應用較成熟穩定的聲學多普勒ADCP、雷達流速儀、電磁流量計等信息化監測儀器，通過比測率定建立和優化算法模型參數，實現水量信息化監測數據采集傳輸。寧夏2020年引黃灌區17處干渠取水口斷面全部實現了自動在線監測(其中15處多垂線定點雷達自動在線、2處雙垂線定點ADCP自動在線)，重點是研究解決了含沙量、風向風力等不同影響因素下算法模型參數調整、過水斷面變化數據更新、云數據庫集成分析與數據實時共享服務等內容，提升了灌區水量監測數據質量、效率和數據傳輸的可靠性。

2.2.3 灌區排水溝流量監測

影響排水流量監測數據因素較多。灌區排水溝道水系受地方溝道整治、人工濕地和塘壩建設等影響較大；灌區排水水資源再利用情況復雜；排水溝水文監測斷面溝底水草叢生，嚴重影響流量監測精度；排水溝監測斷面水流變化復雜，易受黃河水位頂托影響，根據頂托的程度會出現壅水、順流、停滯、逆流等復雜的流態；排水溝監測信息化程度較低，人工巡測經費成本較高。

根據灌區排水溝監測存在的不同問題根源，思考通過排水溝水系調查與監控管理解決排水水資源再利用問題；建設標準化量水斷面解決水草叢生影響監測的問題；應用聲學多普勒ADCP、電磁流量計等信息化監測儀器解決復雜流態流量監測問題，形成具備監測不同流態狀態的灌區排水溝流量監測技術。

2.2.4 基本站點洪水流量監測

國家基本水文站資料系列較長，監測數據是水文水資源分析研究的主要支撐，監測精度要求比較高。要結合西北多沙季節性河流水文水資源監測的實際需求，確定主要的研究方向，通過建設標準化斷面，引進性能穩定的定點雷達、視頻圖像識別等信息化監測設備，開展同步比測精度分析，率定不同水體情況及風向風力等氣象條件下的算法模型參數，形成“自動監測為主、人工監測校準”的水文水資源監測新模式，不斷提升流量自動在線監測精度與質量，拓展水文技術服務領域。

2.2.5 預警站點洪水流量監測

僅承擔防洪預警類功能的河流(溝道)流量監測站點，可適當思維靠前，應用“天空地”立體的智慧水文水資源監測技術。天基預警，應用導航衛星定位及數據傳輸，應用遙感衛星開展洪水演進監測和預警；空基巡察，根據應急監測需要，對未控地區采用無人機等平臺加載信息化監測設備開展水文水資源監測與巡察；陸基支撐，應用雷達側掃、圖像識別等智慧水文水資源監測技術來實時監測預警，達到靈活高效地開展水文水資源信息化監測預警服務。

2.3 建立點面結合的降水監測格局

未來的智慧水文水資源監測體系中的降水監測應當是點面監測結合、點面監測互補、點面監測共榮的發展態勢。一方面要把現有自動雨量站信息化設備不斷升級，提升信息化監測能力，形成長系列的雨量監測資料，為開展水文水資源研究、防汛預警預報提供數據支撐。另一方面，要積極探索建設高分辨區域面雨量自動監測系統，為山洪易發區突發性暴雨洪水、重要城市防洪、流域生態降水等水文水資源監測提供定量、及時的區域面雨量監測信息，同時彌補單點雨量站監測站網空白問題，解決高密度安裝點雨量站對生態環境影響的矛盾。

2.4 創新泥沙信息化監測應用

寧夏中部地區原州區到同心縣，為黃土溝壑泥沙嚴重流失區，由于降水集中，土壤常年干燥，植被少，一次暴雨產生的水土流失相當嚴重，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，出現在1993年。寧夏同心縣以北的丘陵區，為風蝕為主的風沙干旱區，水蝕現象相應減少，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，出現在1982年。寧夏北部賀蘭山區由于大部分地區為石山林區，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，出現在1994年；汝箕溝水文站最大含沙量563kg/m3，出現在1997年；大武口溝水文站最大含沙量474kg/m3，出現在1991年。寧夏各河流溝道洪水期含沙量均較大。

國內泥沙監測設備普遍適用于含沙量較小的河流水系，目前含沙量達100kg/m3以上的泥沙信息化監測技術尚不成熟，應用不夠廣泛。寧夏河流溝道洪水期含沙量均在100kg/m3以上，為了實現泥沙自動在線監測，必須采取引進技術與自主創新相結合的方式，主動探索適應西北高含沙量河流自動監測的方式方法，從思路和技術上解決泥沙信息化監測問題。目前結合寧夏區域實際創新采用隨機自動取樣，非接觸式置換法處理計算含沙量的方式可實現泥沙自動在線監測，減少高泥沙河流水草漂浮物、泥石流對自動監測儀器的影響。

2.5 實踐基于大數據的智慧水文水資源應用體系

隨著水文信息化建設的不斷深入，數據信息量會越來越大，新的問題也會隨之而來，測控平臺繁雜問題，設備系統管控運維問題，監測數據接收匯集、數據分析處理應用問題，數據成果共享問題等將不斷出現。建立基于云平臺的水文水資源大數據分析服務平臺，分布式構建水文水資源監測數據池、數據倉，充分應用大數據、云計算技術，實現所有水文水資源監測數據、工況數據、運行維護數據的匯集、存儲、計算整編處理、質量管控、預警預報、分析研究、數據服務的水文水資源業務應用一體化，是發揮好水文水資源信息化監測服務作用的關鍵。

3 結 語

寧夏季節性河流水文水資源監測條件復雜，監測難度較大，本文重點研究解決寧夏河網稀疏、監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測信息化建設思路和監測質量提升問題，同時提出創新推動“固定站網信息化升級，機動監測靈活補充”的多樣化水文水資源監測體系，為今后拓展無常流水的空白區水文水資源監測提供參考，更好地為水旱災害防御、水資源開發與管理、河湖長制落實、水生態保護與治理，提供更加全面準確高效的水文水資源數據服務。