水文监测

水文监测是指通过科学方法对自然界水的时空分布、变化规律进行监控、测量、分析以及预警等的一个复杂而全面的系统工程，是一门综合性学科。

水文监测由监测中心、通信网络、前端监测设备、测量设备四部分组成。

◆ 监测中心：由服务器、公网专线（或移动专线）、水文监测系统软件组成。

◆ 通信网络：GPRS/短消息/北斗卫星、Internet公网/移动专线。

◆ 前端监测设备：水文监测终端。

◆ 测量设备：雨量传感器、水位计、工业照相机或其它仪表变送器。

传感技术是指从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器（又称换能器）、信息处理和识别的规划设计、开发、制/建造、测试、应用及评价改进等活动。

数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

无线通信主要是指超短波及微波电台，采用DSP数字处理，软件可调，实现远距离数据传输的通信方式，北

京节点通有成熟的应用。

河流水量、水质、生态等信息，对于河流健康保护十分必要，卫星遥感、水情遥测等新技术层出不穷，则对建立新型水文监测制度与方法提供很好的契机与条件。

美国学者1997年就认识到，天然水流的流态为河流的恢复和保护提供了一个可以经受时间检验的“处方”。澳大利亚昆士兰省2000年通过了新的水法，科学家小组使用“基准量测法”来制定环境需水量。南非包含强制“保留水量”的新《水法》通过一年后，政府又发布了指导纲要，详细地说明了如何确定“保留水量”，如今许多南非科学家都忙于确定各大流域的各种用水量，包括生态用水量。而这与水文监测资料直接相关。科学家多年的研究，也使美国建立了准确的预报模型，能够准确预报未来一段时间内的降雨量，同时也能准确地预报这些降雨量将在哥伦比亚河流中形成多少流量，使各大河流在不筑大坝的情况下，防洪成为可能。而且，美国的若干机构都需要并参与哥伦比亚地区的降雨量和河流流量的预报，比如美国工程师兵团、哥伦比亚河流预报中心、美同天气预报河流预报中心、美国地质测量组织、美国自然资源保护中心、哥伦比亚河流管理公司、两北电力库等。 ^[1]

要实现现代水文管理模式，必须首先对现有的站网结构进行调整。然而，现有水文站网的规划方法尚不成熟，并与当前的治水思路不相适应。主要表现在我国大多数水文测站是20世纪60年代以前主要为防汛服务设立的，功能单一，设站目的和任务已经严重滞后。随着国民经济和社会的发展，现有站网结构和布局已不能适应水资源开发管理、生态环境建设、河道整治的需要，无法满足水资源优化配置的要求，同时也远远不能满足城市防洪和城市水资源管理的需要。因此，必须加强水文、水环境、水生态、水土保持、采砂、河道观测、灌溉试验、野外科学观测等监测站网规划，通过大数据分析弄清社会需求，适当增加站网密度，完善站网结构、实现各类监测站网的有机结合，提升站网整体功能。

水文站网调整依赖于水文巡测技术的提高，水文巡测技术是站网调整的前提。目前，我国水文观测成果均要求整编，对于驻守站，因测次较多，一般均可以满足整编定线的需要。然而开展巡测以后，因测次减少，尽管每次测验的精度有所提高，但不能控制水情变化的全过程，整编有一定的难度。20世纪70-80年代，开展的水位流量单值化分析，对解决部分地区的巡测资料整编起到了相当大的作用，但对于诸如受水利工程影响、河口感潮河段、滨湖地区的水文巡测资料的整编仍然未取得突破，严重限制了水文巡测资料的使用价值，制约了水文管理模式的改革，寻求对水文巡测资料的整编方法是水文所要解决的重点问题之一。^[2]

水文监测一般由信息采集、信息存储和信息传输等3个部分组成。水文信息通过传感器或人工方式获取后，以一定的方式记录和存储，一些需要实时水文信息的测站采取一定的方式传输到相关部门。

改革开放前，我国资料收集一般为人工方式，经过近十几年技术飞速发展，资料收集的自动化程度和现代化水平得到了极大提高。总的来说，水位和雨量收集的自动化程度要远远高于流量。一些流域和地区的水位和雨量信息已经具备了较高的自动化水平，其中的一些（如长江干流以及其主要支流出口处的所有水位、雨量项目）已经实现了采集、存储和传输的全程自动化。相对而言，流量、泥沙采集新技术和新仪器还不成熟，并无实质性的进步。

流量测验的载体有缆道、测船、水工建筑物、桥梁等。其中缆道、测船和桥梁作为传统流速仪法测流的施测载体，基本原理相同，只是根据不同的测站条件选择适用的载体形式，并且只能通过升级载体的机械自动化水平来达到半自动化测流；水工建筑物利用水工程的相关信息施测或推算流量，属于间接流量测验方式；1956年长江流域规划办公室（现长江水利委员会）在北碚站上架设了我国座机动水文缆道，缆道因其的成本较低，通用性较好且技术成熟，我国目前有一半的流量测验断面选择其作为主要测验方式，这些断面较多地分布在适合建造缆道的中小河流和河流的中上游地区。早期的桥测很多是修建水文专用测桥，20世纪七八十年代曾达到高峰，其后桥测方式逐渐减少。测船方式的成本较大，20世纪五六十年代，测船水文绞关、过河索吊船等技术取得了很大进展，因而这一段时期，水文测站采用船测法，特别是过河索吊船方式的较多。水工建筑物的使用条件很苛刻，只能应用在具备条件的地方，所占比例较小。流量测验基础设施和设备，绝大多数是在20世纪七八十年代配备完成的，二三十年来，很多设施经过了更新改造，自动化程度总体上有所提高，但在测验方式方面并没有大的改变。

流量的记录型式主要有自动测报、固态存储和人工观读。自动测报实际上是指流量测验从采集、存储到传输的一系列过程的自动化，目前只有极少数测站达到这一水平，固态存储均指流量信息采集后通过计算机等电子设备加以计算处理和记录存储。人工观读是传统和低的方式。

水文信息传输方式主要有PSTN、卫星、无线公网、电台、话传、人工数传等。PSTN通过程控电话拨号数模转换传输数据，理论上，有固定电话的测站配备调制解调器后均可以实现，成本也比较低，然而很多水文测站分布在人烟稀少的偏远农村，农网电话线路可致使数据传输出错，这是PSTN并不是很普及的主要原因。卫星传输是经过测站的卫星数据发射器传送、通过卫星转发的方式，目前长江流域普遍采用的卫星有海事卫星Inmarsat -C和我国自主研发的北斗卫星两种形式，卫星方式基本不受区域限制，但是通信费用相对较高。无线公网是通过移动服务提供商提供的2G (GSM)或2.5G (GPRS、CDMA)无线通信服务发送数字信息的传输方式，如常见的短信方式，该种方式只能在无线网络覆盖的地区使用。电台是通过超短波进行信息传输的方式，不需通信费用，但通信距离有限，且受地形影响。话传和人工数传都属于人工方式，不同的是话传是人工打电话，人工数传是人工发电报等，均属于较陈旧的工作方式。^[3]

用于水文测验的仪器设备主要包括巡测车、测量船，水位、雨量自记设备，流量泥沙测验设备。

巡测车配备了较齐全的水文测验设备，有常用测量仪器、救生衣、涉水测验服装、安装工具、ADCP等，有的巡测车上还配备机械臂，用于桥上测流。巡测车起到了我国水文站站房的部分作用，可形象地喻作“流动的水文站”。

测船的大小根据测站的水流特性配置，船长约4～6m，宽约2～3m，船体材质为不锈钢、玻璃钢、铝合金、橡胶等，通常安装有两个汽油发动机，功率约为200HP。船上无抛锚设备，配备的主要仪器设备有：易装卸的ADCP安装支架、差分GPS、激光测距仪、红外水温测量仪、小型电动水文绞车、救生衣等。

水位观测的仪器设备主要有气泡式、压力式、浮子式、非接触式雷达水位计等，用得较多的是压力式。用于检校水位自记仪测量误差的设备主要有悬垂式水尺，除此之外也有一般的直立式，还有为便于洪峰过后洪痕测量的洪峰水尺。

降水观测设备主要采用翻斗式雨量计，并具有固态存储记录和遥测实时远传的功能。

流量测验主要采用ADCP、H- ADCP及涉水测量的ADP (ADV)，极少测站采用转子式流速仪测流。ADCP的使用由各州水科学中心统一调度，1台ADCP可用于10～20个测站甚至更多测站的流量测验，使用效率很高。ADCP在投产前需进行严格的比测试验，以美国密苏里州水科学中心为例，ADCP在正式投产前，在不同水沙特性的测站，连续至少5～8年与流速仪法比测，测次多达200余次。在ADCP测流精度满足要求后，再在所有测站全面推广应用。^[2]