探究遙感技術(shù)在水文與水資源工程中的運(yùn)用

蘇亮宇

（博羅縣縣城東江大堤管理所，廣東惠州 516100）

0 引言

我國(guó)淡水資源總量約占全球的6%，居于世界第四位，盡管如此，我國(guó)人均水資源占有量水平只能達(dá)到世界人均的1/4，是世界范圍內(nèi)13 個(gè)水資源最貧乏的國(guó)家之一，因此，實(shí)現(xiàn)水資源利用率的有效提升可以為保障國(guó)計(jì)民生、推動(dòng)國(guó)家發(fā)展產(chǎn)生積極作用。近些年來(lái)，水文水資源領(lǐng)域中遙感技術(shù)應(yīng)用的深度和廣度均呈現(xiàn)出逐漸拓寬的局面，借助該技術(shù)，能夠有效監(jiān)測(cè)水文與水資源的變化情況，為水資源利用率的提升提供幫助。

1 小流域洪水監(jiān)測(cè)

在遙感技術(shù)應(yīng)用到水文與水資源工程中時(shí)，相關(guān)工作人員能夠在遙感技術(shù)的幫助下完成相應(yīng)區(qū)域內(nèi)水文資源信息和數(shù)據(jù)的采集，之后在水文模型中將完成采集的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入，從而獲取該區(qū)域的徑流預(yù)報(bào)信息。依托于遙感技術(shù)所采集到的水文信息的可靠性和準(zhǔn)確性處于較高層次，在這些信息和數(shù)據(jù)的幫助下，工作人員能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的土壤濕潤(rùn)度以及具體降水情況做到全方位的認(rèn)知和了解，這可以為工作人員評(píng)估區(qū)域內(nèi)徑流量的工作提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考，從而預(yù)測(cè)是否會(huì)出現(xiàn)洪水。就現(xiàn)階段遙感技術(shù)在水文與水資源工程中的實(shí)際應(yīng)用狀況來(lái)看，在監(jiān)測(cè)小流域洪水時(shí)所使用的遙感儀設(shè)備已經(jīng)具備著十分全面的功能，這種遙感儀設(shè)備的作業(yè)原理如圖1 所示。通常來(lái)說(shuō)，水位遙感儀的源動(dòng)力為太陽(yáng)能環(huán)保電池，同時(shí)與數(shù)據(jù)采集處理存儲(chǔ)器、無(wú)線接收和發(fā)射裝置、水位傳感裝置等進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，共同構(gòu)成了水位遙感儀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采集和傳輸區(qū)域內(nèi)徑流量的目的。

以水位監(jiān)測(cè)方式作為依據(jù)，針對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)方式，所使用的水位遙感儀也是不相同的，一般來(lái)說(shuō)，水位遙感儀可以被劃分為兩種。

（1）接觸水位監(jiān)測(cè)的浮子監(jiān)測(cè)式水位遙感儀，這種遙感儀設(shè)備在實(shí)際使用期間需要與水面接觸。其還可以被細(xì)分為兩種不同的水位遙感儀設(shè)備，分別是岸式監(jiān)測(cè)和島式監(jiān)測(cè)兩種[1]。首先，岸式遙感水位監(jiān)測(cè)儀在實(shí)際應(yīng)用期間主要是借助管道，將監(jiān)測(cè)井和河道連接到一起，從而使得這兩項(xiàng)內(nèi)容能夠在水平方向上保持相同的高度。在應(yīng)用岸式水位監(jiān)測(cè)儀時(shí)，工作人員可以使用對(duì)監(jiān)測(cè)井內(nèi)浮子高度進(jìn)行記錄的形式獲取到河道的水平面信息。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，岸式監(jiān)測(cè)的方式本身的安全性較高，工作人員在監(jiān)測(cè)水位時(shí)無(wú)須進(jìn)入監(jiān)測(cè)井中或者是河道中，并且操作難度也相對(duì)較低。岸式水位監(jiān)測(cè)如圖2 所示。其次，島式遙感水位監(jiān)測(cè)儀在實(shí)際使用時(shí)，監(jiān)測(cè)水位的工作人員需要進(jìn)入河道內(nèi)開展工作，同樣使用記錄豎井中浮子高度的形式獲取相應(yīng)的河道水位高度信息。在具體操作的過(guò)程中，需要確保棧橋和井臺(tái)連接位置的牢固性，以免出現(xiàn)意外事故。島式水位監(jiān)測(cè)如圖3 所示。

（2）不接觸水位的超聲波監(jiān)測(cè)式水位遙感儀，該種設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用期間不需要與水面進(jìn)行接觸。這種超聲波監(jiān)測(cè)方式在進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)的過(guò)程中通常是借助雷達(dá)或者是探頭向水面發(fā)射特定信號(hào)的形式，在發(fā)射之后水面還會(huì)將信號(hào)返回，工作人員可以以信號(hào)返回時(shí)間作為依據(jù)對(duì)水位的實(shí)際高度和變化情況進(jìn)行計(jì)算。不接觸水位的超聲波監(jiān)測(cè)方式在實(shí)際應(yīng)用期間需要在河道中進(jìn)行延伸支架的安裝，其實(shí)際應(yīng)用情況如圖4所示。

在具體使用遙感技術(shù)進(jìn)行小流域洪水監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，監(jiān)測(cè)單位可以與自身的具體條件作為依據(jù)，使用最適宜的水位監(jiān)測(cè)模式。在完成水位遙感儀的安裝之后，就可以正式啟動(dòng)，此時(shí)，儀器就可以采集河道水位的信息和數(shù)據(jù)，并在數(shù)字傳輸技術(shù)的幫助下將這些信息傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)單位的控制中心。在此之后，工作人員就可以依托于大數(shù)據(jù)處理軟件將全部數(shù)據(jù)加以分類、整合和處理，從而獲取到更加精準(zhǔn)的水資源變化數(shù)據(jù)，以此作為依據(jù)判定是否會(huì)出現(xiàn)洪水。具體來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行小流域洪水監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，遙感技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的作業(yè)流程共涉及以下3 點(diǎn)：①完成洪水預(yù)警體系的搭建。②整體并儲(chǔ)存監(jiān)測(cè)信息。③完成模型建設(shè)[2]。

2 水資源保護(hù)

水資源保護(hù)始終是水文與水資源工程中的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，在這項(xiàng)工作中，同樣需要遙感技術(shù)在其中發(fā)揮作用。

2.1 懸浮物

在判定某一水域的水質(zhì)時(shí)，懸浮物是其中的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)，水域中懸浮物的濃度也是水資源保護(hù)期間值得重視的內(nèi)容之一，如果監(jiān)測(cè)水域中懸浮物的濃度較大，其反射波段范圍也會(huì)表現(xiàn)出一種較大的局面，基于此，在將遙感技術(shù)應(yīng)用到水資源保護(hù)時(shí)，就可以通過(guò)反演模型的方法，獲取到懸浮物濃度的相關(guān)信息。

2.2 營(yíng)養(yǎng)化程度

通常情況下，藻類富集往往是判定水資源營(yíng)養(yǎng)化程度的關(guān)鍵指標(biāo)之一，藻類需要進(jìn)行光合作用，在這個(gè)過(guò)程中基本是通過(guò)葉綠素來(lái)完成的，這也就意味著藻類的光合作用與在陸地上生長(zhǎng)的植物所進(jìn)行的光合作用具備著相同的特征，遙感技術(shù)可以有效監(jiān)測(cè)相應(yīng)水域中的藻類數(shù)量，為工作人員展開處理提供相應(yīng)的依據(jù)。

2.3 水污染監(jiān)測(cè)

在監(jiān)測(cè)水域污染情況時(shí)，通常有兩種類型，分別是突然水污染和常規(guī)水污染兩種情況。在進(jìn)行常規(guī)水污染監(jiān)測(cè)時(shí)，如果水域已經(jīng)被污染，那么水體的相關(guān)指標(biāo)將會(huì)呈現(xiàn)出比較特殊的情況，例如顏色、透明度、密度以及溫度等均會(huì)出現(xiàn)變化，較之未被污染的水體相對(duì)更加獨(dú)特。在這種情況下，遙感技術(shù)在應(yīng)用到水體監(jiān)測(cè)的過(guò)程中就會(huì)使用反射率將水體的污染情況直觀地展示給監(jiān)測(cè)人員。不僅如此，該水域?qū)?yīng)的遙感圖像中也會(huì)出現(xiàn)色調(diào)、灰階紋理等形態(tài)的變化[3]。由此可見(jiàn)，依托于遙感技術(shù)，水域的污染源、污染范圍、污染濃度以及污染面積均可以被準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來(lái)，使得工作人員更加清晰地掌握污染的具體情況，與此同時(shí)，工作人員還能夠使用遙感技術(shù)持續(xù)跟進(jìn)監(jiān)測(cè)存在異常情況的數(shù)據(jù)。

3 降水量監(jiān)測(cè)

在監(jiān)測(cè)降雨量中應(yīng)用遙感技術(shù)能夠達(dá)成準(zhǔn)確率提高的目標(biāo)，正因如此，遙感技術(shù)在降雨量監(jiān)測(cè)中的使用非常廣泛。遙感技術(shù)的應(yīng)用在監(jiān)測(cè)降雨量時(shí)的原理主要為：通過(guò)在降雨點(diǎn)與云頂溫度間塑造關(guān)系的方式，并利用地面雨量站與衛(wèi)星數(shù)據(jù)間存在的偏差值進(jìn)行相應(yīng)的降雨量監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)降雨量的活動(dòng)中，航空飛機(jī)、氣象衛(wèi)星和雷達(dá)等科技手段的運(yùn)用次數(shù)均較多，能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)獲取和處理大量空間信息。在一般條件下，當(dāng)?shù)孛娼邓炅空镜膶?shí)際數(shù)量相對(duì)較少時(shí)，則需要利用雷達(dá)測(cè)量手段進(jìn)行局地降水預(yù)測(cè)。如果某一區(qū)域上空的云層厚度較大，在計(jì)算降水量時(shí)需要使用雷達(dá)技術(shù)和氣象衛(wèi)星技術(shù)相結(jié)合的形式。一般情況下，氣象衛(wèi)星在大面積降水量預(yù)報(bào)中往往更加適用，通常是借助微波輻射方法和綜合方法等實(shí)現(xiàn)降水量預(yù)報(bào)的目的?，F(xiàn)階段，遙感技術(shù)在監(jiān)測(cè)降水量時(shí)使用頻率較高的一種技術(shù)形式還包括航空飛機(jī)，在應(yīng)用時(shí)航空飛機(jī)需要深入云層內(nèi)部完成監(jiān)測(cè)，獲取到相應(yīng)的信息和數(shù)據(jù)，同時(shí)使用計(jì)算機(jī)設(shè)備對(duì)采集的云雨信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而為水文部門預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)降水量創(chuàng)造良好的支撐條件[4]。

4 蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)

使用物理方法轉(zhuǎn)化地表能量和質(zhì)量從而完成監(jiān)測(cè)的形式即為蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)。就現(xiàn)階段水文與水資源工程中監(jiān)測(cè)水域蒸發(fā)量的情況來(lái)看，衛(wèi)星是一種最常用的方式。在使用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)用次數(shù)較多的方法還包括能量余項(xiàng)法以及統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法等。在監(jiān)測(cè)一些復(fù)雜程度較高的水域的蒸發(fā)量時(shí)，還可以在衛(wèi)星的幫助下借助遙感信息模型完成相應(yīng)的蒸發(fā)量計(jì)算。在使用遙感信息模型計(jì)算的過(guò)程中，工作人員需要與水域的具體條件和環(huán)境以及模型的差異化特征作為依據(jù)，完成相應(yīng)的計(jì)算。不僅如此，遙感信息模型還可以被細(xì)分成多層模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)效果的提升。例如，一層遙感信息模型可以用于監(jiān)測(cè)地表上土壤和植被；二層遙感信息模型則可以用于監(jiān)測(cè)地表植被或者是地下和地上土壤熱量之間的存在的余熱，多層遙感信息模型則可以對(duì)多層土壤進(jìn)行更加細(xì)致且精準(zhǔn)的區(qū)分。現(xiàn)階段，就我國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，在監(jiān)測(cè)蒸發(fā)量時(shí)現(xiàn)代化程度較高的遙感信息模型為政務(wù)蒸騰計(jì)算機(jī)模型，該模型在實(shí)際應(yīng)用時(shí)能夠?qū)Φ孛鏃l件不均勻的區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)的蒸散計(jì)算[5]。

5 徑流量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

在測(cè)量和預(yù)報(bào)徑流量的過(guò)程中，依賴的信息一般來(lái)自于水文氣象臺(tái)站的信息和衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在工作實(shí)施階段，需要向水文模型中進(jìn)行主要數(shù)據(jù)的輸入，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算獲取到有關(guān)的數(shù)據(jù)資料。在水文和水資源工程中，衛(wèi)星遙感技術(shù)的運(yùn)用是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)徑流量的較為常用的手段，借助于衛(wèi)星遙感技術(shù)的綜合應(yīng)用，就可以對(duì)河道的徑流量作出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，這一目的單純使用遙感技術(shù)是無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)的。在對(duì)徑流量進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)時(shí)，遙感技術(shù)使用相關(guān)水系、植被、土壤以及地貌等因素，同時(shí)與該地區(qū)的土壤含水量、蒸發(fā)量以及降水量進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，完成對(duì)徑流量的綜合估算。通過(guò)遙感技術(shù)所采集到的全部信息需要使用計(jì)算機(jī)水文模型加以分析和處理，在此之后，水文單位就可以獲取到徑流量的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水文水資源監(jiān)測(cè)工作的良好開展是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)實(shí)現(xiàn)健康、長(zhǎng)久發(fā)展的重要基礎(chǔ)和必要前提，提升對(duì)水資源開發(fā)、利用和管理的重視程度能夠?yàn)樗呐c水資源工程落實(shí)質(zhì)量的強(qiáng)化創(chuàng)造良好環(huán)境。在此期間，還要注重多種新型科學(xué)技術(shù)的引進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新，從而與水文與水資源工程的發(fā)展需求進(jìn)一步滿足?？傮w來(lái)看，遙感技術(shù)在水文與水資源工程中的應(yīng)用可以為工作質(zhì)量的優(yōu)化和改善奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息和數(shù)據(jù)采集效率的提升。