水文站水情信息化建設(shè)探析

鄭玉峰，王永福，丁仕程

（河北省唐山水文勘測(cè)研究中心，河北 唐山 064100）

水文工作是一個(gè)傳統(tǒng)的行業(yè)，距今已有上千年歷史，是研究水體在地球不同空間位置的形成過(guò)程和運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的活動(dòng)。水文是水利建設(shè)的技術(shù)基石和尖兵，是防汛的耳目和參謀，是水資源管理和保護(hù)的前沿哨兵，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)步發(fā)展的基礎(chǔ)。水文工作連接著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，維系著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行，關(guān)系著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的成敗得失，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展必不可少的一項(xiàng)重要基本工作。在水文事業(yè)中，最基層的單位就是水文站。水文站承擔(dān)著水文工作最基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)，其工作質(zhì)量如何能直接影響著水文事業(yè)的發(fā)展。水文站主要是收集河流的各種水文要素如水位、流量、含沙量、降水量、蒸發(fā)量等進(jìn)行水情預(yù)報(bào)，為防汛抗旱、水利工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)、水資源合理開(kāi)發(fā)與利用以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供必不可少的科學(xué)依據(jù)。

當(dāng)前世界信息化發(fā)展日新月異，水文站水情信息化建設(shè)是未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)，是水文現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志。水文站水情信息化是基于微電子和數(shù)字化形式的新型技術(shù)，通過(guò)全面利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)構(gòu)建出信息交流平臺(tái)[1]，對(duì)水文信息進(jìn)行采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理和利用，提高水文信息資源實(shí)時(shí)共享水平。水文站水情信息化系統(tǒng)建成后能提供實(shí)時(shí)的水情信息和詳細(xì)的綜合分析成果，及時(shí)預(yù)警、預(yù)報(bào)洪水信息，為相關(guān)部門(mén)和各級(jí)政府準(zhǔn)確地?cái)M定和實(shí)施防汛方案提供技術(shù)支撐。

1 背景和現(xiàn)狀

面對(duì)嚴(yán)重、頻發(fā)的洪澇災(zāi)害，水文站精心組織、周密部署、密切監(jiān)測(cè)、滾動(dòng)預(yù)報(bào)，為各級(jí)政府決策部門(mén)提供了及時(shí)準(zhǔn)確的水文情報(bào)預(yù)報(bào)信息，為防汛工作的順利進(jìn)行作出了重要貢獻(xiàn)，發(fā)揮了其他行業(yè)無(wú)法替代的作用。隨著新時(shí)期治水思路的調(diào)整，為適應(yīng)水利發(fā)展和踐行大水文觀，面對(duì)水利工作的新形勢(shì)和新任務(wù)，發(fā)展水文信息化成為水利現(xiàn)代化建設(shè)的重要課題。為深入貫徹落實(shí)“以防為主、防重于搶、搶重于救、常備不懈”的防汛抗災(zāi)總方針，必須始終牢固堅(jiān)持踐行以人為本的核心價(jià)值觀，以有效維護(hù)和安全保障廣大基層人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全為第一要?jiǎng)?wù)，有效地準(zhǔn)確防范特大洪水所直接帶來(lái)的自然災(zāi)害。為此，水文站必須對(duì)河流進(jìn)行合理的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析，科學(xué)研制和應(yīng)用防洪安全預(yù)警系統(tǒng)，提出相應(yīng)的防洪保安對(duì)策，讓“智慧水文”藍(lán)圖早日變成實(shí)景。

當(dāng)前，河北省唐山地區(qū)的小定府莊水文站在水情信息化建設(shè)方面亟待改善，主要因?yàn)樗樾畔⑸婕暗臄?shù)據(jù)資料較多、對(duì)有些數(shù)據(jù)資源的收集較為困難。如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的信息傳輸和處理方式，必然會(huì)影響到數(shù)據(jù)信息的及時(shí)性和完整性。目前，該水文站能夠?qū)崟r(shí)、定時(shí)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)水情參數(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上、空間上提供水情信息的要求，但是提供的常規(guī)水情信息未經(jīng)過(guò)深層次的分析和加工，不能滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，所以必須建設(shè)水文站水情信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水情信息資源處理和共享，實(shí)時(shí)發(fā)布水情信息，滿(mǎn)足政府部門(mén)及時(shí)掌握準(zhǔn)確的水情信息和綜合分析成果的需要[2]。

2 任務(wù)和目標(biāo)

歷年來(lái)的防汛事故和應(yīng)急處置經(jīng)驗(yàn)表明，在有效抗擊洪水的情況下，非工程防洪措施對(duì)于防洪和搶險(xiǎn)救災(zāi)具有舉足輕重的作用，在確保廣大人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、盡量減少洪澇災(zāi)害損失方面都具有重要的意義。因此，迫切需要建立一個(gè)高效、可靠的水文站水情信息化系統(tǒng)。該系統(tǒng)建成后可以實(shí)現(xiàn)各種防汛信息的數(shù)字化和資源共享，對(duì)于相關(guān)的信息可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸，并對(duì)大量的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行綜合管理和分析處理，以提高洪水預(yù)報(bào)、防汛調(diào)度等工作的科學(xué)性、準(zhǔn)確性與及時(shí)性，使水文站的水情信息化建設(shè)進(jìn)入現(xiàn)代化管理時(shí)代。

2.1 任務(wù)

若在小定府莊水文站建設(shè)水文站水情信息化系統(tǒng)，則可以把所收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行合理整合，這種整合是按照科學(xué)性原則進(jìn)行的，方便管理和維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。當(dāng)下小定府莊水文站配備的新儀器和新設(shè)備收集的數(shù)據(jù)信息還沒(méi)有被直接利用，如果把這些數(shù)據(jù)信息直接接入水文站水情信息化系統(tǒng)，既可以減小人工操作出現(xiàn)的誤差，也可以解決時(shí)效性問(wèn)題，使工作人員對(duì)各種數(shù)據(jù)資源進(jìn)行及時(shí)、快速、高效處理，提高信息資源交流和共享效率。目前小定府莊水文數(shù)據(jù)還不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化分析、匯總和計(jì)算，更不能按照預(yù)期設(shè)定的格式將報(bào)表進(jìn)行輸出。小定府莊水文站水情信息化系統(tǒng)建成后，可以對(duì)水文信息資源進(jìn)行準(zhǔn)確搜索、加工和整理，增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息處理的高效性和時(shí)效性，確保信息的真實(shí)性和合理性；同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)水情工作的科學(xué)調(diào)度，確保在最短時(shí)間內(nèi)完成快速響應(yīng)，尤其在應(yīng)對(duì)突發(fā)問(wèn)題時(shí)可以明顯提升決策效率。

2.2 目標(biāo)

要想做好現(xiàn)代水利防汛工作，必須首先實(shí)現(xiàn)水情信息化建設(shè)工作，不斷提高水情信息數(shù)據(jù)的收集處理效率，利用先進(jìn)的信息化技術(shù)不斷提升水文防汛工作的質(zhì)量。小定府莊水文站水情信息化建設(shè)目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)水情監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、信息采集立體化、傳輸數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)處理智能化、分析預(yù)測(cè)專(zhuān)業(yè)化、管理決策規(guī)范化。小定府莊水文站配置的新儀器新設(shè)備能夠自動(dòng)測(cè)量和傳輸水文要素，確保控制徑流范圍內(nèi)的雨情和水情數(shù)據(jù)可以直接接入數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)確定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心時(shí)，結(jié)合所創(chuàng)建歷史數(shù)據(jù)和水文站基本數(shù)據(jù)，就能掌握任何地點(diǎn)的水情信息，并可分析出未來(lái)的變化趨勢(shì)。根據(jù)分析成果，水文站水情信息化系統(tǒng)就可以推演出未來(lái)的水情信息：洪峰什么時(shí)候出現(xiàn)、洪峰流量是多少、洪峰的持續(xù)時(shí)間以及洪水的淹沒(méi)范圍等。當(dāng)導(dǎo)出一份成果報(bào)告，就可以通過(guò)分析得出相應(yīng)的對(duì)策和建議，上報(bào)政府部門(mén)制定、實(shí)施精準(zhǔn)方案。

3 系統(tǒng)組成

隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水文站水情信息化技術(shù)打破了傳統(tǒng)水文技術(shù)的弊端，進(jìn)行了大量的創(chuàng)新和改進(jìn)工作。水文站水情信息化建設(shè)，從實(shí)質(zhì)上不斷優(yōu)化水文數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)手段扎實(shí)做好切合實(shí)際的水文信息基礎(chǔ)工作。結(jié)合小定府莊水文站水情信息化建設(shè)現(xiàn)狀，擬采取如下措施建設(shè)水文站水情信息化系統(tǒng)。

3.1 采集系統(tǒng)

建立實(shí)時(shí)水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)，必須采用國(guó)際上精度較高的雷達(dá)、ADCP 先進(jìn)儀器，依據(jù)遙感技術(shù)，從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)，從定性向定量，實(shí)現(xiàn)水情信息實(shí)時(shí)自動(dòng)采集。水文站的水情信息化系統(tǒng)建設(shè)的主要目標(biāo)就是在每一條河流上建立起雨量、水位、流量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用“3S”技術(shù)、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遙感遠(yuǎn)程技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及其他各類(lèi)傳感器的測(cè)量技術(shù)，把河流沿線(xiàn)連成一個(gè)整體，統(tǒng)一運(yùn)行、監(jiān)測(cè)和采集，以實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)信息采集管理。

3.2 接收處理系統(tǒng)

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)水文信息接收處理系統(tǒng)，快速準(zhǔn)確地收集雨水情信息，實(shí)現(xiàn)信息及時(shí)查詢(xún)、分析，為防汛調(diào)度提供寶貴時(shí)間。該系統(tǒng)還要根據(jù)區(qū)域內(nèi)河流的具體情況和特點(diǎn)，利用工程水文、城市水文、隨機(jī)水文、模糊水文、分形結(jié)合、灰色系統(tǒng)等技術(shù)，采用歷史洪水分析、槽蓄理論等方法，研究河流設(shè)計(jì)洪水包括洪峰、洪量及其洪水過(guò)程，并分析其成果的合理性。實(shí)時(shí)采取多變量洪水風(fēng)險(xiǎn)分析方法，根據(jù)“完全相關(guān)”與“獨(dú)立相互”2 種特殊情況，采用模糊集理論，建立2 個(gè)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)和組合的概率模型，從對(duì)不同事件進(jìn)行組合的概率理論出發(fā)，參照水文模型考慮洪峰、洪量及洪水過(guò)程，開(kāi)展詳盡的綜合防洪風(fēng)險(xiǎn)分析。基于洪水傳播、演進(jìn)及淹沒(méi)的模擬和對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)的全面分析，研究并提出對(duì)應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)洪水、不同邊界條件的防洪措施及建議，優(yōu)化防洪對(duì)策。

3.3 輸出系統(tǒng)

將實(shí)時(shí)采集的水情信息和經(jīng)過(guò)分析處理的數(shù)據(jù)，采用圖、表、聲等多種媒體輸出，使其直觀、形象、詳盡地呈現(xiàn)出來(lái)。由于水文信息量大、范圍廣、變化快，單純靠傳統(tǒng)的表格和文字方式來(lái)表述還不能滿(mǎn)足要求，需借助GIS（地理信息系統(tǒng)）和5G 技術(shù)傳輸，依據(jù)河流區(qū)域內(nèi)地形地貌分布，建立平面二維洪水?dāng)?shù)學(xué)模型，開(kāi)展不同邊界條件與不同標(biāo)準(zhǔn)洪水的二維數(shù)值模擬研究。模擬出洪水演進(jìn)及淹沒(méi)狀況（淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)深度、淹沒(méi)時(shí)間、淹沒(méi)過(guò)程等），編制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)圖，模擬出沙盤(pán)地形圖，讓洪水淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)深度、淹沒(méi)時(shí)間、淹沒(méi)過(guò)程等一目了然。根據(jù)河流流域情況研究洪水預(yù)報(bào)方案，建立洪水預(yù)報(bào)模型，并與洪水演進(jìn)及淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)模型耦合連接，開(kāi)發(fā)出防洪安全預(yù)警系統(tǒng)，為防洪安保提供決策依據(jù)。通過(guò)建立可視化會(huì)商系統(tǒng)，搭建高效率的信息化交流平臺(tái)，保證水情信息的準(zhǔn)確性、真實(shí)性、完整性，為決策提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字水文。

小定府莊水文站水情信息化系統(tǒng)就是將水文數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、管理系統(tǒng)和安全風(fēng)險(xiǎn)防范體系進(jìn)行有機(jī)組合，具有較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防范功能的整體性綜合系統(tǒng)。該業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)容豐富、直觀形象、易于操作，有利于相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)了解到洪水狀況，盡早作出判斷，科學(xué)地研究制定出防洪安全預(yù)警方案和相應(yīng)的防洪安保對(duì)策。

4 前景展望

綜上，河北省唐山地區(qū)的小定府莊水文站水情信息化系統(tǒng)建成后能夠迅速準(zhǔn)確地完成對(duì)水情、雨情等各種防汛相關(guān)信息的采集、傳輸、儲(chǔ)存和利用，靈活地以圖、文、聲、像等多種方式對(duì)各類(lèi)防汛現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息和防災(zāi)預(yù)測(cè)信息進(jìn)行查詢(xún)。通過(guò)對(duì)洪水預(yù)報(bào)、河道洪水演算、防洪工程系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度、洪水災(zāi)害評(píng)價(jià)、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等的仿真計(jì)算、監(jiān)控分析，及時(shí)準(zhǔn)確地作出洪水預(yù)報(bào)，提高洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和預(yù)見(jiàn)性，實(shí)時(shí)制定并研究選擇防洪措施。小定府莊水文站水情信息化系統(tǒng)的應(yīng)用，使當(dāng)?shù)氐姆姥垂ぷ饔山?jīng)驗(yàn)防汛向科學(xué)迎汛轉(zhuǎn)變。該系統(tǒng)全面提升了水文站的信息采集、傳輸、處理、展示和管理能力，為防汛決策與調(diào)度指揮工作提供了全方位的技術(shù)支撐，大大提高了防汛決策和調(diào)度指揮工作的正確性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性，從而保證了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。