黑龍江省水文信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

董淑華

(黑龍江省水文局，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 水文監(jiān)測(cè)概述

1.1 水文監(jiān)測(cè)

水文監(jiān)測(cè)是指通過科學(xué)的方法對(duì)自然界中水的時(shí)空分布、變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量。根據(jù)研究對(duì)象不同，水文大體可劃分為海洋水文、陸地水文和地下水文。與此相適應(yīng)，水文監(jiān)測(cè)也大體劃分為海洋水文監(jiān)測(cè)、地表水水文監(jiān)測(cè)和地下水水文監(jiān)測(cè)。由于不臨近海洋，黑龍江省水文監(jiān)測(cè)只包括地表水和地下水監(jiān)測(cè)兩部分。水文監(jiān)測(cè)一般通過在不同的地點(diǎn)布設(shè)水文測(cè)站進(jìn)行相關(guān)要素的監(jiān)控和測(cè)量。

1.2 水文資料整編

水文測(cè)站通常需要進(jìn)行長(zhǎng)期不間斷的連續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)獲得的原始資料篇幅浩繁且只有一份，有些資料在時(shí)間上是離散的，不能滿足使用要求，必須通過科學(xué)的方法，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、審核、查證，整理成系統(tǒng)、簡(jiǎn)明的圖表并匯編成水文年鑒或其他形式，才能使用。

2 水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)

2.1 水文監(jiān)測(cè)站的分類

水文測(cè)站按目的和作用分為基本站、專用站和實(shí)驗(yàn)站三大類[1]。基本站是為公用目的，經(jīng)統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)立，能獲取基本水文要素值多年變化資料的水文測(cè)站。專用站是為特定目的而設(shè)立的水文測(cè)站，監(jiān)測(cè)年限由設(shè)立單位確定。實(shí)驗(yàn)站是為深入研究某些專門問題而設(shè)立的水文測(cè)站，實(shí)驗(yàn)完成可撤銷或轉(zhuǎn)為基本站。

根據(jù)監(jiān)測(cè)要素的不同，水文測(cè)站一般分為雨量站、水位站、流量站、蒸發(fā)站、泥沙站、地下水監(jiān)測(cè)站、水質(zhì)站等[1]。雨量站一般只監(jiān)測(cè)降水量；水位站一般只監(jiān)測(cè)水位，少量水位站也監(jiān)測(cè)降水量或河流冰情；流量站監(jiān)測(cè)要素比較完整，一般包括降水量、水位、流量3大要素，根據(jù)需要部分流量站還監(jiān)測(cè)蒸發(fā)量、含沙量、河流冰情等要素，一般情況下水文站通常指的是流量站。地下水監(jiān)測(cè)站一般只監(jiān)測(cè)地下水埋深(或水位)。水質(zhì)站根據(jù)設(shè)站目的不同，常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目最少9項(xiàng)，最多37項(xiàng)[2]。地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站，一部分在水文站中增設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，一部分單獨(dú)設(shè)站，地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站全部在地下水監(jiān)測(cè)站中增設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。隨著水資源保護(hù)和合理的開發(fā)利用越來越重要，水文監(jiān)測(cè)也擴(kuò)展了監(jiān)測(cè)范圍，建設(shè)了相當(dāng)數(shù)量的水資源專用監(jiān)測(cè)站，主要監(jiān)測(cè)取用水戶的取用水水量和水質(zhì)。

2.2 水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)

絕大多數(shù)水文工作都要以水文測(cè)站收集到的資料作為分析研究的基礎(chǔ)，而水文資料需要通過一定年限的積累才能據(jù)以探求有關(guān)水文特性的規(guī)律，為此水文測(cè)站要求在需要資料的地點(diǎn)提前若干年設(shè)立才能滿足要求。而實(shí)際情況不可能在所有需要資料地點(diǎn)都超前設(shè)立水文測(cè)站，這就需要采用以水文測(cè)站組成的水文站網(wǎng)，使各類測(cè)站形成相互聯(lián)系的整體，以解決未曾設(shè)站地點(diǎn)的水文問題。水文站網(wǎng)對(duì)水文工作具有廣泛而深遠(yuǎn)的影響，是水文信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)。水文站網(wǎng)的結(jié)構(gòu)合理與否，決定水文的服務(wù)能力和服務(wù)水平，在一定程度上影響水文科學(xué)的進(jìn)步和水文事業(yè)的發(fā)展。水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的分類，一般按監(jiān)測(cè)要素分，如雨量監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、水位監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、流量監(jiān)測(cè)站網(wǎng)等。

2.3 水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的發(fā)展

黑龍江省的水文監(jiān)測(cè)，最早可追溯到1898年。當(dāng)時(shí)的中東鐵路管理局新建濱洲線松花江鐵路大橋，在松花江哈爾濱江段布設(shè)水尺觀測(cè)水位，由此開啟了黑龍江水文發(fā)展史。1933年，為了滿足日本帝國主義長(zhǎng)期霸占和資源掠奪的需要，偽滿洲國交通部理水司理水調(diào)查處進(jìn)行了大規(guī)模的設(shè)站，1945年抗戰(zhàn)勝利后內(nèi)戰(zhàn)爆發(fā)，站網(wǎng)全面癱瘓，所有測(cè)站全部停測(cè)。東北解放后，水文觀測(cè)開始全面恢復(fù)，1956年進(jìn)行第一次水文站網(wǎng)規(guī)劃。通過10多年的努力基本完成了第一次水文站網(wǎng)規(guī)劃任務(wù)，為黑龍江省水文站網(wǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，由于水文投入不足，阻礙了水文事業(yè)的發(fā)展，水文站網(wǎng)出現(xiàn)了下滑的趨勢(shì)。但這個(gè)時(shí)期社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，水資源供需矛盾和水環(huán)境問題日益突出，地下水井網(wǎng)和水質(zhì)站有了一定的發(fā)展，水文站網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化。1998年嫩江、松花江大水后，國家加大了對(duì)水利的投入，水文事業(yè)也遇上前所未有的機(jī)遇，水文站網(wǎng)下滑的趨勢(shì)得到一定的遏制，雨量站網(wǎng)、水質(zhì)站網(wǎng)有了一定程度的發(fā)展[3]。

2010年以來隨著國家對(duì)中小河流防洪減災(zāi)的極大重視，黑龍江省水文也配套建設(shè)了大量的防汛專用水文測(cè)站(汛期監(jiān)測(cè))。2012年以來為最嚴(yán)格的水資源管理制度提供技術(shù)支撐，全省配套建設(shè)了大量水資源專用監(jiān)測(cè)站。這些專用站的建設(shè)，極大地豐富了黑龍江省水文水資源站網(wǎng)功能。

截至到2016年底，全省共有水文站267處(基本站120處、專用站147處)，水位站154處(基本站50處、專用站104處)，雨量站1989處(基本站605處、專用站1384處)，蒸發(fā)站71處，泥沙站25處，水質(zhì)站105處，水資源站905處，地下水站1255處[4]。基本形成了站類相對(duì)齊全、功能相對(duì)完整、分布相對(duì)合理的水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)體系。

3 水文的自動(dòng)監(jiān)測(cè)

3.1 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展

隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，水文監(jiān)測(cè)由人工監(jiān)測(cè)逐步過渡到自動(dòng)監(jiān)測(cè)便成為必然趨勢(shì)。所謂水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是指由收集、傳遞和處理水文實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的各種傳感器、控制器、通訊設(shè)備和計(jì)算機(jī)(含相應(yīng)的專用軟件)等裝置組合而成的實(shí)現(xiàn)水文信息自動(dòng)采集、自動(dòng)傳輸、數(shù)字化存儲(chǔ)的水文信息處理系統(tǒng)。

黑龍江省水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的普及，開始于2000年的國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)，齊齊哈爾水情分中心示范區(qū)是當(dāng)時(shí)全國20個(gè)示范區(qū)之一，實(shí)現(xiàn)了10處中央報(bào)汛站的自動(dòng)測(cè)報(bào)。該系統(tǒng)基本上確定了全省自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的基本模式，也是同期建設(shè)但使用至今的為數(shù)不多的系統(tǒng)之一。在此基礎(chǔ)上，從2003—2006年陸續(xù)建成了覆蓋全省的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。

2012年開始，依托中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)工程，黑龍江省重新構(gòu)建了水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，新建的1618處各類水文測(cè)站全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)報(bào)[5-18]。依托2012年開始實(shí)施的水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目，全新建設(shè)了全省水資源監(jiān)控體系，截至目前1110處取用水水量監(jiān)測(cè)站全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)測(cè)，17處重要地表飲用水水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)[19]。依托2015年開始建設(shè)的地下水監(jiān)測(cè)工程，786處地下水監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)了埋深和水溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)，3處地下水監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)[20-21]。

3.2 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的分類

黑龍江省水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型，工作體制為自報(bào)和應(yīng)答兼容模式，中心站設(shè)在省水文局，各類水文測(cè)站為遙測(cè)終端站。通信環(huán)境較好的遙測(cè)站，通信信道采用GPRS，部分重要遙測(cè)站以北斗衛(wèi)星為備份信道；通信環(huán)境不好的遙測(cè)站，以北斗衛(wèi)星為通信信道。中心站配置接收設(shè)備和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，完成數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)；遙測(cè)站以RTU(遠(yuǎn)程終端單元，內(nèi)置測(cè)控軟件)為核心，配置傳感器、通信部件和太陽能供電系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集和傳輸。

黑龍江省所有的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)信息，由中心站接收平臺(tái)統(tǒng)一接收，為方便使用，業(yè)務(wù)處理則根據(jù)業(yè)務(wù)性質(zhì)和使用要求不同，分別開發(fā)了監(jiān)測(cè)信息水位雨量處理系統(tǒng)、流量處理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水資源處理系統(tǒng)(含水質(zhì)處理系統(tǒng))和地下水處理系統(tǒng)。

4 典型案例

水文是服務(wù)性公益事業(yè)，水文監(jiān)測(cè)信息對(duì)水利行業(yè)的服務(wù)最直接。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

4.1 為防汛抗旱減災(zāi)服務(wù)

通過實(shí)時(shí)水文情報(bào)和預(yù)報(bào)為水利防汛抗旱減災(zāi)服務(wù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)2013年以來，黑龍江省水文局共接收并轉(zhuǎn)發(fā)各類水雨情信息2480余萬條，共產(chǎn)生暴雨預(yù)警5400余站次、大暴雨預(yù)警470余站次、河道站超警信息130余處。這些預(yù)警信息通過短信的方式直接通知到防汛相關(guān)負(fù)責(zé)人，各級(jí)防汛部門根據(jù)預(yù)警信息，能夠在第一時(shí)間對(duì)防汛工作做出科學(xué)部署，及時(shí)轉(zhuǎn)移人員，減少損失。同時(shí)，省水文局通過每日水情、水情簡(jiǎn)報(bào)、洪水態(tài)勢(shì)圖等形式為防汛相關(guān)部門提供水情情報(bào)服務(wù)。

2013年6月30日—7月4日，龍鳳山水庫流域出現(xiàn)了一次暴雨中心自上游向下游移動(dòng)的降雨過程，得益于豐富的實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)與及時(shí)準(zhǔn)確的水文預(yù)報(bào)成果，防汛部門及時(shí)調(diào)整水庫調(diào)度方案，保證了水庫本身和下游防護(hù)對(duì)象的安全；2014年7月19日，克山縣遭受1915年建縣以來最嚴(yán)重的局地短時(shí)強(qiáng)降雨，并伴有大面積龍卷風(fēng)，致使縣內(nèi)交通、通訊設(shè)施被沖毀，多處房屋倒塌，受災(zāi)人口61 850人、農(nóng)田28 397.4 hm2。得益于及時(shí)的水雨情監(jiān)測(cè)與預(yù)警，緊急轉(zhuǎn)移2150人，無人員傷亡。據(jù)估算，2013年以來，全省中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)累計(jì)減災(zāi)效益超過6億元。

4.2 為水資源保護(hù)管理和水環(huán)境治理服務(wù)

黑龍江省已建成的1110處取用水水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)全省河道外許可水量的80%以上和全省總用水量的36%以上實(shí)現(xiàn)了取用水水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)，其中1萬畝以上灌區(qū)渠首取水全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)；已建成的17處重要地表飲用水源地水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)了全省供水人口20萬人以上的地表水飲用水水源地水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)全覆蓋。

依據(jù)詳實(shí)的水量和水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息，目前黑龍江省可以實(shí)時(shí)掌握來水、取水、用水和排水動(dòng)態(tài)，保證水資源管理的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的水資源管理，為水資源公報(bào)、水資源簡(jiǎn)報(bào)中的用水總量、用水效率和水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。省水文局每年為水行政主管部門編制年度水資源公報(bào)、水資源管理年報(bào)，12期重點(diǎn)水域水質(zhì)狀況通報(bào)、6期水功能區(qū)水質(zhì)狀況簡(jiǎn)報(bào)，為各級(jí)政府水資源管理“三條紅線”考核提供了詳實(shí)的水文監(jiān)測(cè)信息。

5 展 望

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，為水文監(jiān)測(cè)的技術(shù)進(jìn)步帶來了前所未有的發(fā)展空間，互聯(lián)網(wǎng)+水文監(jiān)測(cè)將會(huì)使水文行業(yè)發(fā)生革命性變化。

智能傳感器和萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，將有效解決水文監(jiān)測(cè)的技術(shù)瓶頸，使水文要素的采集和傳輸不再受時(shí)間和空間的約束。水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)通過大數(shù)據(jù)分析和云存儲(chǔ)、云計(jì)算技術(shù)，將催生智能水文。