数字化在现代水文子系统中的应用

刘耀峰

（山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030002）

数字化在现代水文子系统中的应用

刘耀峰

（山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030002）

数字化是当今世界经济和社会发展的大趋势，数字化推动着全球产业分工深化和经济结构调整，重塑着全球经济竞争格局。将水利信息化定为水利优先发展的领域，早在2001年就确立了“以水利信息化带动水利现代化”的发展思路。近几年山西省水文局在信息化工作方面取得了长足的进步，但还需要做到与时俱进，不断创新，才能适应当前快速发展的水利事业。

数字化；跨越发展；山西水文

1 概述

水文事业是水利发展的前提性基础工作，水文为社会发展提供水信息安全保障，是防洪抗旱减灾不可替代的重要依据。随着经济建设的快速发展，当今社会赋予了水文事业更大责任，承担着为水资源的合理开发、优化配置、高效利用、可持续发展提供可靠的基础信息服务，为水利事业的进一步发展提供规划基础和管理信息。

当今时代，信息技术革命推动着科技数字化迅猛发展，从根本上改变着传统水文观测和数据分析、处理模式。水文工作要紧跟时代步伐，更好服务于社会稳定和经济建设，充分利用现代科技手段，持续不断地提高水文信息化、数字化发展。

2 山西水文数字化现状

2.1 站网数字化建设

截至2013年底，山西省水文局设有水文站69处，雨量站2 414处，墒情监测站71处，水质监测站135处，水文实验站2处，地下水动态监测站807处。进入21世纪，山西水文采用一系列数字化技术，推进站网建设快速发展。雨量观测全部采用固态存储技术，实现了数据的自动采集、存储、报汛；河道水位动态监测基本实现了自动观测；水质在线自动监测站从无到有，2011年在汾河静乐水文站建成第一个水质自动监测站；地下水动态自动监测站达到153处。在此基础上分别建成了水情数据中心、水质监测中心、地下水动态监测中心及其相应的分中心（市级）。

2.2 监测数字化

雨量监测。山西水文局从1995年开始建设具有自动存储功能的固态存储雨量站，雨量观测数据实现了自动观测、自动存储功能，降低了人为误差，也消除了人工观测难以避免的缺（漏）测，使雨量观测有了历史性飞跃。至2013年底全省雨量站全部实现了固态存储，雨量观测技术实现了质的飞跃。

流量监测。2013年汛期，山西水文局对观音堂、岢岚、圪洞等25个测站的测流设施进行改造提升时，推广应用山西水文局发明的无线遥控雷达波数字化测流系统（获国家专利），而且受到全国水文界关注并广泛引用。该系统在实际应用中具有以下优势：一是精确高效，采用电脑控制、无线遥控、自动测流，避免了人工测流在读数、记录、计算等方面人为出错的可能。测流时间仅占人工传统测流时间的1/5或更短，在数秒内即可计算、打印出流量成果；二是性能稳定，通过在不同施测断面、不同流速与流量、不同天气情况下的施测对比，可以满足《河道流量测验规范》要求；三是节省人力，由于仪器体积小、操作简便，可大大节省人力和减轻劳动强度，一般情况下一人即可完成流量施测。国内水文界认为测验理念来自基层经验，是人性化的设计、先进性的应用。之外，2011年开始采用多普勒剖面流速仪（ADCP），该仪器采用多普勒频移物理原理测量水流速度，在每个子断面垂线一点或多点测量流速和水深，得到断面平均流速和流量。

泥沙监测。2012年开始采用激光粒度仪进行泥沙颗粒分析，平均3min分析一个沙样，只需很少沙样即可，作业时间大幅缩短，测验精度大幅度提高。

地下水动态监测。2013年底时，设有地下水自动监测水位站153处，在各市水文分局建立了数据接收与处理平台。自动监测站每4 h自动采集与传输一次数据，分局接收到数据之后进行合理性审查，然后转发省局接收平台，完成数据入库工作。即将开始的国家地下水监测工程完成后，山西504处地下水监测站点全部实行数据的自动采集与传输，经检验后自动入库。

水质监测。2011年建成了第一个水质自动监测站，一期工程实现了5参数（pH、浊度、溶解氧、电导率、水温）自动监测，二期工程增加了COD、氨氮2项，实现了7参数自动监测。

3 远程监测技术应用

3.1 水环境信息管理系统

山西省水环境信息管理系统是运用新技术和新手段，以标准化、网络化、空间化为主要特征，采用模块化设计，建成了省、市以及县级通用的水资源质量管理信息系统，能够作为水行政主管部门水资源管理决策支持系统的组成部分（对系统的不同用户设置了不同的访问和处理权限）。该系统的建成，有效提高了水资源质量管理的能力和数字化、信息化、现代化水平，为水资源规划、管理和决策提供了及时、准确的信息服务和先进有效的技术支持，增强了各级水行政主管部门的协调和组织能力，为“依法治水、科学管理”提供了新的管理手段。

3.2 地下水信息管理与应用服务系统

山西地下水是工农业生产、城市供水、人民生活的主要水源，长期超量开采及采煤对地下水的破坏，引起地面沉降和裂缝，泉水衰减、断流，水环境污染等诸多问题。目前山西地下水监测覆盖全省119个县（区、市），数据量大，业务分析过程繁琐复杂，常规的人工处理不能满足日益复杂的地下水业务要求和信息化迅速发展的形势。山西省地下水信息管理与应用服务系统的建设完成。系统实现了MIS、GIS和数据库的集成，建设在B/S模式下能够长期使用的地下水信息化平台。利用自动监测、通讯技术实现了自动监测数据的实时监测和管理，实现了对全省主要地区地下水监测数据的采集、传输、数据管理、分析、上报，同时也能自动生成地下水简报、通报等阶段性成果。该系统内容和架构成为国家地下水管理与应用服务系统的建设内容。

3.3 水情自动报汛系统

水情信息查询服务系统是从2007年开始建设，它是一套采用Web技术和GIS技术，以Web为运行平台，以《水情信息编码标准》和《山西省水情信息报汛规定》形成的水情信息为基础，以《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》形成的数据库为依据，紧密围绕水情服务主题的水情综合应用系统。水情信息包括雨量、流量、墒情、水库水情4组数据。按照既定要求，系统每10min定时采集一次水情信息，每条记录按固定格式读取。系统传输是基于GPRSMODEM与数据中心进行通信。其应用定位是防汛会商会议、汛期值班、信息发布与浏览等业务，共分为用户管理、电子地图操作与控制、水情查询、水情服务统计、图形保存、信息采集、制作与发布、系统维护等模块。系统的应用在时间上提供了最大的提前量，最大程度地减少了洪灾损失。同时在水资源利用等领域也显示出重要作用，采用数字信息对河、湖、库的水情进行遥测、传输、处理自动化，不仅是一套功能完善的防汛会商与水情值班系统，还是一个水情专题网站，在满足防汛会商与水情值班业务需要的同时，实现了水情信息的共享，从而能够为防汛、抗旱、减灾提供良好服务。

3.4 水文信息服务系统

山西水文信息服务系统是一个复杂的大型数据库应用系统。水文信息应用的基本方式之一是获取单站年表资料。由于水文信息具有多维特点，因此可通过站名（站码）、年份、表名3个维度要素的选择，获得唯一的表项资料。水文信息是一个典型的多维数据（MDD）结构，即在时间、地域、数据三维空间上分布。其中时间维是以年份为单位提供的资料搜索方式，使系统与传统的以《水文年鉴》为基础的资料保存与查阅体系相衔接。系统同时提供丰富的图像输出工具，用户可以在搜索得到的信息集合之上，只需点取X，Y轴坐标对应搜索结果中的相关数据字段，即可获得精美而生动、可标注数值的各种矢量化图像。工程技术人员翻阅《水文年鉴》的费力、费时现象只有在特殊情况下才会再现。

3.5 河湖普查信息化

河湖普查是国务院第一次全国水利普查的主要任务，是其他水利专项普查的基础。近年来，随着3S等高新技术的发展和应用，使得采用统一普查标准、内容和技术手段，获得全面系统的河流湖泊基本特征信息成为可能。开发基于GIS（地理信息系统）的河流湖泊信息管理系统是水利信息化建设的要求，也是河湖开发治理长远发展的需要，开发河流湖泊信息管理系统对于实时掌握和了解全国范围内的河湖开发和治理情况，有针对性地制定河湖开发治理方案与对策具有重要的参考价值。河湖主要特征包括河流基本特征、所在流域水系的自然特征、水文特征、湖泊形态特征等。普查中，将这些河湖主要特征进行分析、提取、汇总，建立起全国范围内给定标准以上河流湖泊的主要特征数据库，以为全国河湖开发治理提供必要的数据和依据。河湖普查数据库不仅填补了水利发展史上的空白，也填补了地理、测绘发展史上的空白。

4 水文自动监测推动数字水文跨越发展

“数字水文”的建设，大大推进了水文事业现代化进程，数字水文实现了水文测报的跨越升级。

传统水文测报主要依靠人工观测，其信息可靠度差、劳动强度大。现代水文信息采集大量采用卫星遥测技术、自动水位计、电子水尺、声波水位计、雷达超声波技术等；仅泥沙测验即不断涌现出超声波测沙仪、激光测沙仪、振动测沙仪、光电测沙仪等，实现了泥沙测验自动化、数字化。

传统水文获取水文信息非常有限，且以断面的流量、水位为主。数字水文利用卫星云图、雷达测雨和地面雨量站观测等多源数据，产生多种时空分辨率的土壤水分和热状态的动态数字信息，不仅为防汛，也为抗旱提供及时、可靠的信息决策依据。数字水文作为数字地球的组成部分，将面对整个地球的空间，不再局限于有限的河道测站断面，水文信息采集将扩展到空间。

数字化、信息化为水文发展提供了强大动力，数字水文发展给水文信息勘测技术发展带来了巨大的推动作用，同时也为满足经济建设各行业、社会各部门的需求带来了测试方便，还在很大程度上增强了监测的准确性和预见性，标志着未来水文的发展方向。5 结论及建议

数字水文是信息时代的新生物，其以强劲的动力推动了当代水文技术、理论与应用的全面发展。在信息化水文大发展的背景下，提出了数字水库、数字水资源、数字流域、现代水文和大水利等诸多框架策略与新的理念。

水文系统数字化、信息化必将带来水文行业发展的新时代。如今，在提高水文信息的实时性、可视性、扩大水文信息应用领域诸多方面，取得了长效进步。随着水文领域各应用子系统的建设，必将全面推动水文基础设施的现代化建设，在现有条件下提供更全面、系统、快捷的优质服务，从而促进水文事业跨越发展，进入和谐水文的良性循环发展环境。

2017年“世界水日”“中国水周”宣传口号

1 纪念第二十五届“世界水日”第三十届“中国水周”

2 节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力

3 水是生存之本、文明之源、生态之基

4 创新、协调、绿色、开放、共享

5 落实绿色发展理念，全面推行河长制

6 水美城市，生态家园

7 河长制，河长治

8 践行绿色发展，建设生态家园

9 全面推进节水型社会建设，共建美丽家园

10 加强水资源保护，落实最严格水资源管理制度

11 依法划定河湖管理范围，严格水域岸线水生态空间管控

12 加强水环境治理，强化水环境质量目标管理

13 加强水生态修复，推进河湖生态修复和保护

14 搞好水土保持，护佑绿水青山

15 加强河湖执法监管，严厉打击涉河湖违法行为

16 加强河湖保护与管理，推进水生态文明建设

17 加强社会监督，凝聚河湖保护合力

18 加强依法治水管水，推进水利依法行政

19 科学防御水旱灾害，促进经济社会发展

20 加强农村水利工作，促进城乡协调发展

21 实行最严格水资源管理制度，建设国家级水生态文明城市…

P231.5

C

1004-7042（2017）03-0026-03

刘耀峰（1985－），男，2007年毕业于太原科技大学信息管理与信息系统专业，工程师。

2017-01-15；

2017-02-27