信息自動化技術在水文測驗中的實踐與思考

彭華帆 程 亮 劉運珊

(贛江上游水文水資源監(jiān)測中心，江西 贛州 341000)

隨著我國科學技術的快速發(fā)展，信息自動化技術應運而生并廣泛應用于各個領域中，為人們的生產(chǎn)、生活帶來了極大的便利，促進了社會發(fā)展與進步[1]。將信息自動化技術應用于水文測驗中，逐步取代傳統(tǒng)水文測驗技術，有利于加快構建“駐巡結合、巡測優(yōu)先、測報自動、應急補充”的水文測驗體系，推進智慧監(jiān)管、智慧水文的建設。

1 水文測驗中信息自動化技術實踐的必要性

2020年，我國發(fā)生了1998年以來最嚴重的汛情。一是降雨總量偏多、時空分布集中，長江中下游梅雨量達到753.8mm，為1961年以來最多。二是大江大河洪水多發(fā)、量級大，長江發(fā)生流域性大洪水，其中上游發(fā)生特大洪水，三峽水庫出現(xiàn)建庫以來最大入庫流量75000m3/s；太湖發(fā)生歷史第3高水位的流域性大洪水。三是超警河流數(shù)量多、歷時長，全國836條河流發(fā)生超警以上洪水，其中269條超保證、78條超歷史，綦江8h內(nèi)洪水漲幅高達10m[2]。在如此嚴重的汛情面前，水文測驗數(shù)據(jù)的時效性、準確性顯得尤為重要。水文信息自動化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所有數(shù)據(jù)信息的電子化、網(wǎng)絡化生成，做到對數(shù)據(jù)的實時動態(tài)采集、存貯、傳輸，水文部門通過對數(shù)據(jù)的分析，可及時準確地掌握水文情報預報信息，為當?shù)胤篮闇p災提供科學依據(jù)[3]。目前，水文流量監(jiān)測普遍使用傳統(tǒng)測速儀施測，在洪水期作業(yè)存在測量困難、單次測驗耗時過長、人力投入較大、存在安全隱患、數(shù)據(jù)不能自動傳輸?shù)葐栴}[4]。傳統(tǒng)的方法難以有效、有序地開展監(jiān)測工作，造成水文工作人員的工作效率降低，在監(jiān)測洪水或者特大洪水時很難滿足社會對水文的要求[5-7]。因此，十分有必要推進傳統(tǒng)水文測驗方式方法的技術創(chuàng)新，加強自動化技術在水文測驗中的實踐分析，為解決傳統(tǒng)測驗方式的弊端探索一條科學之路。

2 信息自動化技術在水文測驗中的具體實踐

2.1 SL流量計在線流量系統(tǒng)

窯下壩(二)水文站是章水區(qū)域代表站，近年來，受下游4.5km處的康陽電站回水影響，水位流量關系紊亂，采用連實測流量過程線法定線推流，這種方法要求較多的流量測次以控制流量變化過程，任務繁重，時效性差。為減輕該站測驗任務，探索新的測驗手段，2009年4月，贛江上游水文水資源監(jiān)測中心引進了一臺美國維賽公司(SonTek/YSI)研制的淘金者(Argonaut-SL500)水平型測量系統(tǒng)(以下簡稱SL流量計)，用于窯下壩(二)站實時流量測驗。該儀器是目前世界上較為先進的實時流量測驗儀器，其特點是能夠直接測出斷面的流速剖面和流量，測量時不擾動流場、測驗速度快、精度高、信息化水平高、不受流向順逆限制、能測到長時間的連續(xù)流量過程。選取窯下壩(二)站2018年流速儀37次實測流量與SL流量計所測流量進行比測率定。率定結果見表1。

表1 窯下壩(二)站SL流量計法與流速儀流量測驗法比測成果

表2 SL流量計指標流量與流速儀實測流量分析成果

經(jīng)計算分析，該站的系統(tǒng)誤差為-0.3% ，總不確定度為9.2%(見表2)。對照《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179—2015)均勻浮標法單次流量測驗允許誤差標準的規(guī)定，系統(tǒng)誤差指標允許范圍為-2%～1%，總不確定度誤差指標為小于11%，該站系統(tǒng)誤差及總不確定度誤差均在規(guī)定范圍內(nèi)， SL流量計所測流量數(shù)據(jù)滿足國家二類精度水文站浮標法單次流量測驗允許誤差的規(guī)定[8]。目前,窯下壩(二)水文站SL流量計在線流量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可應用于資料整編。SL流量計在線測驗技術實現(xiàn)了對流量的實時化、自動化測驗，為推進水文測驗改革提供有力的技術支撐。

2.2 雷達波在線測流系統(tǒng)的應用

雷達在線流量系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、RTU及數(shù)據(jù)接收處理查詢平臺三部分組成。由HR-20A雷達流速計記錄流速數(shù)據(jù)，RTU將流速數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸至總處理器，通過接受處理展示系統(tǒng)后以網(wǎng)頁形式提供數(shù)據(jù)查詢及下載。HR-20A 根據(jù)多普勒雷達測速原理，借用岸邊升桿、橋梁或其他合適的載體，儀器安裝在河道中泓位置，對水流的表面流速進行測量[9]。截至2020年底，贛江上游水文水資源監(jiān)測中心已在全市26個站點安裝了雷達在線流量系統(tǒng)，劉運珊等[9]對雷達波在線測流系統(tǒng)的測驗精度進行了充分的分析研究，并對中心所安裝雷達波在線測流系統(tǒng)的站點逐一比測率定，確定13站率定后的流量過程可用于防汛測報。但資料整編有待進一步分析，確定5站需要更換安裝位置、5站缺少比測資料、1個站需要調(diào)整儀器參數(shù)、2個站需要災后重建。加強雷達波在線測流系統(tǒng)的具體實踐，積累雷達波在線測流技術經(jīng)驗，推動雷達波在線測流的技術的成熟應用，將大大提高水文作業(yè)的科學時效性。

2.3 無人機測流技術

基于無人機平臺的測流系統(tǒng)其實質(zhì)是使用了流速面積法，前提條件是通過圖紙或?qū)嵉乜辈爝x取監(jiān)測河流的均勻斷面[10]。無人機測流系統(tǒng)由兩部分組成：數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)處理端。數(shù)據(jù)采集端主要由大疆精靈 Phantom 4 RTK無人機搭載RTK模塊，1英寸傳感器、OcuSync圖傳系統(tǒng)，GSRTK航線規(guī)劃系統(tǒng)等部分組成。數(shù)據(jù)處理端由便攜式筆記本(或其他類型計算機)、視頻圖像識別系統(tǒng)等部分組成。無人機可在河道斷面指定垂線上開展非接觸式測流，無人機定點懸停在某一垂線上方，通過它的視頻拍攝功能，錄制一段視頻用來記錄浮標運動軌跡及歷時；拍攝一張照片，運用搭載的RTK模塊，定位無人機的經(jīng)緯度及CORS高程。飛行結束后，通過對視頻素材的處理，用所得軌跡長度和歷時計算出垂線水面流速。再根據(jù)已獲得的斷面數(shù)據(jù)，計算出流量。天然河道高洪期的河道具有水流流速快、含沙量高、漂浮物多等特點，極易造成儀器的損壞并造成人身安全問題，加之天然河流的復雜的紊動特性，難以利用點流速測量技術快速獲取流速或代價很高，導致流速儀法、走航ADCP法等傳統(tǒng)接觸式測流方案無法開展布置或儀器不能正常施測。而無人機測流技術，利用非接觸式測水面浮標流速的方法解決了以上難題。該測流方法具有迅速、安全和不受漂浮物影響的特點，對于高洪搶測洪峰是一種非常實用的方法。無人機測流與傳統(tǒng)測流方案對比，具有很多優(yōu)勢:測流數(shù)據(jù)具有可追溯性，無人機拍攝的照片與錄像可以永久保存，作為數(shù)據(jù)來源的依據(jù)，也可以用來校對數(shù)據(jù)的準確性；參與作業(yè)人員減少，以往的浮標法需要大量的人員來協(xié)作完成，無人機測流只需1～2人就能完成。應急搶測時效性高，無人機測流歷史短，操作方便，能很快測得洪峰；采用非接觸式測水面浮標流速的方法，應對特殊水情安全性高。

2.4 在線測流系統(tǒng)的選擇

SL流量計是利用超聲波多普勒頻移的物理原理來測量水流的速度。特別適用于受上下游水利工程影響，水位流量關系紊亂無法定線的水文站。應用SL流量計實時監(jiān)測時，需要將水下?lián)Q能器固定安裝在水面以下的某一個固定位置，以保證水平方向。安裝位置影響較大，在水位較低時，換能器極易裸露造成數(shù)據(jù)失真，而且SL流量計價格昂貴，維修成本高，所以目前安裝使用的測站相對較少。雷達波在線流量系統(tǒng)適用于測驗河段順直、穩(wěn)定、水流集中的站點。系統(tǒng)采用全自動無人值守方式實現(xiàn)全天候每5min實時流量監(jiān)測，具有非接觸、自動化的特點，同時不受漂浮物、泥沙、水質(zhì)等的條件影響，適用于平時測驗、高洪監(jiān)測及危險水情測量等特殊環(huán)境。雷達波在線測流系統(tǒng)采用的也是一種非接觸式測流設備，測流不受河道漂浮物、滾石等影響，適合高洪測驗。但經(jīng)過日常比測分析，發(fā)現(xiàn)影測驗誤差的主要有以下幾個因素：

a.雷達流速儀測得的水面流速是水面單寬流速，不同水位級，儀器距離水面位置不同，所測單寬流速代表性不同。

b.0.3m/s以下的流速是雷達流速儀的盲區(qū)，對于0.3m/s以下流速其誤差較大,天然流態(tài)站流速大多呈線性關系，高低水均可使用雷達流速儀推流，但受水利工程影響、有回水等水位流速關系混亂的站則不適合用雷達流速儀推流。

c.降雨對雷達流速計的流速影響很大，常出現(xiàn)突出點。因此,在這些情況下，特別是暴雨時期，雷達流速儀誤差增大。

d.雷達流速儀水平安裝角度與數(shù)據(jù)準確性有很大關聯(lián)，當流速計與水流方向呈斜角時應做偏角修正，但實際工作中因偏角難以準確測定而并未修正,影響了站點數(shù)據(jù)準確性。因此，在水文測驗中需根據(jù)測站特性選擇合適的在線測流系統(tǒng)。

3 提升水文測驗信息化水平

3.1 重視專業(yè)人才的培養(yǎng)

近年來，水文部門加大信息化建設力度，購置先進儀器、建立信息化平臺、應用諸多信息自動化技術等。但是由于專業(yè)人才數(shù)量相對缺乏，致使技術運用成效不高。特別是操作人員，能完全熟練掌握各項信息技術的較少，難以將設備功能完全發(fā)揮，甚至操作過程出現(xiàn)失誤，影響水文測驗資料結果。因此，為保障測驗資料質(zhì)量，除了需要積極引入自動化技術，還需加大專業(yè)人才的培養(yǎng)力度，只有專業(yè)的人才能將信息自動化技術合理運用。加大專業(yè)人才的培養(yǎng)力度，首先需結合自動化技術的實際運用情況，對水文建設人才需求展開分析，合理引進人才。其次，需針對水文工作中的分工不同，分別確定培養(yǎng)方案，對現(xiàn)有人才加以培養(yǎng)。最后，通過舉行應急演練、技能比賽等活動，強化實操能力，營造良好的培訓氛圍。

3.2 加強水文測驗資料成果的比測分析

各種信息自動化技術的使用，大大提高了水文工作的效率，但作為新儀器新技術，還需與傳統(tǒng)的技術手段進行比測分析，畢竟傳統(tǒng)的技術手段已應用多年，積累了大量的系列資料和使用經(jīng)驗，加強水文測驗資料成果的比測分析，論證信息自動化技術的綜合精度，有利于歷史資料延續(xù)，為今后信息自動化技術的發(fā)展應用提供依據(jù)。

3.3 提升信息自動化技術的創(chuàng)新能力

為提高水文信息自動化水平，在日常水文工作中，要高度重視對技術的創(chuàng)新開發(fā)，積極引進信息自動化技術，同時鼓勵水文工作者在平時的工作中多思考，多學習，要堅持以創(chuàng)新的思維突破瓶頸制約，不斷提升自身科研水平。通過不斷創(chuàng)新，不僅能簡化水文工作流程，減少基層人員工作強度，更能降低人為誤差、提高數(shù)據(jù)準確性，實現(xiàn)水文工作信息化、智能化。

4 結 語

水文是水利工作的基礎和先導，是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展不可缺少的基礎性公益事業(yè)。水文作為防汛抗旱的尖兵耳目，高效及時提供水文數(shù)據(jù)是社會對水文行業(yè)提出的更高要求。將信息自動化技術應用于水文測驗中，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，以增強水文測報和信息服務能力為目標，讓水文更好地為社會經(jīng)濟發(fā)展服務。