黑龙江省水文信息自动监测系统的构建与应用

董淑华

(黑龙江省水文局，黑龙江 哈尔滨 150001)

1 水文监测概述

1.1 水文监测

水文监测是指通过科学的方法对自然界中水的时空分布、变化规律进行监控和测量。根据研究对象不同，水文大体可划分为海洋水文、陆地水文和地下水文。与此相适应，水文监测也大体划分为海洋水文监测、地表水水文监测和地下水水文监测。由于不临近海洋，黑龙江省水文监测只包括地表水和地下水监测两部分。水文监测一般通过在不同的地点布设水文测站进行相关要素的监控和测量。

1.2 水文资料整编

水文测站通常需要进行长期不间断的连续监测。监测获得的原始资料篇幅浩繁且只有一份，有些资料在时间上是离散的，不能满足使用要求，必须通过科学的方法，按照统一的标准和规格进行统计、分析、审核、查证，整理成系统、简明的图表并汇编成水文年鉴或其他形式，才能使用。

2 水文监测站网

2.1 水文监测站的分类

水文测站按目的和作用分为基本站、专用站和实验站三大类[1]。基本站是为公用目的，经统一规划设立，能获取基本水文要素值多年变化资料的水文测站。专用站是为特定目的而设立的水文测站，监测年限由设立单位确定。实验站是为深入研究某些专门问题而设立的水文测站，实验完成可撤销或转为基本站。

根据监测要素的不同，水文测站一般分为雨量站、水位站、流量站、蒸发站、泥沙站、地下水监测站、水质站等[1]。雨量站一般只监测降水量；水位站一般只监测水位，少量水位站也监测降水量或河流冰情；流量站监测要素比较完整，一般包括降水量、水位、流量3大要素，根据需要部分流量站还监测蒸发量、含沙量、河流冰情等要素，一般情况下水文站通常指的是流量站。地下水监测站一般只监测地下水埋深(或水位)。水质站根据设站目的不同，常规监测项目最少9项，最多37项[2]。地表水水质监测站，一部分在水文站中增设水质监测项目，一部分单独设站，地下水水质监测站全部在地下水监测站中增设水质监测项目。随着水资源保护和合理的开发利用越来越重要，水文监测也扩展了监测范围，建设了相当数量的水资源专用监测站，主要监测取用水户的取用水水量和水质。

2.2 水文监测站网

绝大多数水文工作都要以水文测站收集到的资料作为分析研究的基础，而水文资料需要通过一定年限的积累才能据以探求有关水文特性的规律，为此水文测站要求在需要资料的地点提前若干年设立才能满足要求。而实际情况不可能在所有需要资料地点都超前设立水文测站，这就需要采用以水文测站组成的水文站网，使各类测站形成相互联系的整体，以解决未曾设站地点的水文问题。水文站网对水文工作具有广泛而深远的影响，是水文信息采集系统的基础平台。水文站网的结构合理与否，决定水文的服务能力和服务水平，在一定程度上影响水文科学的进步和水文事业的发展。水文监测站网的分类，一般按监测要素分，如雨量监测站网、水位监测站网、流量监测站网等。

2.3 水文监测站网的发展

黑龙江省的水文监测，最早可追溯到1898年。当时的中东铁路管理局新建滨洲线松花江铁路大桥，在松花江哈尔滨江段布设水尺观测水位，由此开启了黑龙江水文发展史。1933年，为了满足日本帝国主义长期霸占和资源掠夺的需要，伪满洲国交通部理水司理水调查处进行了大规模的设站，1945年抗战胜利后内战爆发，站网全面瘫痪，所有测站全部停测。东北解放后，水文观测开始全面恢复，1956年进行第一次水文站网规划。通过10多年的努力基本完成了第一次水文站网规划任务，为黑龙江省水文站网长期稳定发展打下了良好的基础。进入20世纪80年代以来，由于水文投入不足，阻碍了水文事业的发展，水文站网出现了下滑的趋势。但这个时期社会经济迅速发展，水资源供需矛盾和水环境问题日益突出，地下水井网和水质站有了一定的发展，水文站网结构发生一定的变化。1998年嫩江、松花江大水后，国家加大了对水利的投入，水文事业也遇上前所未有的机遇，水文站网下滑的趋势得到一定的遏制，雨量站网、水质站网有了一定程度的发展[3]。

2010年以来随着国家对中小河流防洪减灾的极大重视，黑龙江省水文也配套建设了大量的防汛专用水文测站(汛期监测)。2012年以来为最严格的水资源管理制度提供技术支撑，全省配套建设了大量水资源专用监测站。这些专用站的建设，极大地丰富了黑龙江省水文水资源站网功能。

截至到2016年底，全省共有水文站267处(基本站120处、专用站147处)，水位站154处(基本站50处、专用站104处)，雨量站1989处(基本站605处、专用站1384处)，蒸发站71处，泥沙站25处，水质站105处，水资源站905处，地下水站1255处[4]。基本形成了站类相对齐全、功能相对完整、分布相对合理的水文监测站网体系。

3 水文的自动监测

3.1 水文自动测报系统的发展

随着现代技术的飞速发展，水文监测由人工监测逐步过渡到自动监测便成为必然趋势。所谓水文自动测报系统是指由收集、传递和处理水文实时数据的各种传感器、控制器、通讯设备和计算机(含相应的专用软件)等装置组合而成的实现水文信息自动采集、自动传输、数字化存储的水文信息处理系统。

黑龙江省水文自动测报系统的普及，开始于2000年的国家防汛抗旱指挥系统，齐齐哈尔水情分中心示范区是当时全国20个示范区之一，实现了10处中央报汛站的自动测报。该系统基本上确定了全省自动测报系统的基本模式，也是同期建设但使用至今的为数不多的系统之一。在此基础上，从2003—2006年陆续建成了覆盖全省的水文自动测报系统。

2012年开始，依托中小河流水文监测系统建设工程，黑龙江省重新构建了水文自动测报系统，新建的1618处各类水文测站全部实现了自动测报[5-18]。依托2012年开始实施的水资源监控能力建设项目，全新建设了全省水资源监控体系，截至目前1110处取用水水量监测站全部实现了自动监测，17处重要地表饮用水水源地水质监测站实现了水质在线监测[19]。依托2015年开始建设的地下水监测工程，786处地下水监测站实现了埋深和水温自动监测，3处地下水监测站实现了水质自动监测[20-21]。

3.2 水文自动测报系统的分类

黑龙江省水文自动测报系统的拓扑结构为星型，工作体制为自报和应答兼容模式，中心站设在省水文局，各类水文测站为遥测终端站。通信环境较好的遥测站，通信信道采用GPRS，部分重要遥测站以北斗卫星为备份信道；通信环境不好的遥测站，以北斗卫星为通信信道。中心站配置接收设备和数据存储设备，完成数据接收和存储；遥测站以RTU(远程终端单元，内置测控软件)为核心，配置传感器、通信部件和太阳能供电系统，完成数据采集和传输。

黑龙江省所有的水文自动测报信息，由中心站接收平台统一接收，为方便使用，业务处理则根据业务性质和使用要求不同，分别开发了监测信息水位雨量处理系统、流量处理系统、视频监控系统、水资源处理系统(含水质处理系统)和地下水处理系统。

4 典型案例

水文是服务性公益事业，水文监测信息对水利行业的服务最直接。主要体现在以下两个方面。

4.1 为防汛抗旱减灾服务

通过实时水文情报和预报为水利防汛抗旱减灾服务。据统计2013年以来，黑龙江省水文局共接收并转发各类水雨情信息2480余万条，共产生暴雨预警5400余站次、大暴雨预警470余站次、河道站超警信息130余处。这些预警信息通过短信的方式直接通知到防汛相关负责人，各级防汛部门根据预警信息，能够在第一时间对防汛工作做出科学部署，及时转移人员，减少损失。同时，省水文局通过每日水情、水情简报、洪水态势图等形式为防汛相关部门提供水情情报服务。

2013年6月30日—7月4日，龙凤山水库流域出现了一次暴雨中心自上游向下游移动的降雨过程，得益于丰富的实时水雨情数据与及时准确的水文预报成果，防汛部门及时调整水库调度方案，保证了水库本身和下游防护对象的安全；2014年7月19日，克山县遭受1915年建县以来最严重的局地短时强降雨，并伴有大面积龙卷风，致使县内交通、通讯设施被冲毁，多处房屋倒塌，受灾人口61 850人、农田28 397.4 hm2。得益于及时的水雨情监测与预警，紧急转移2150人，无人员伤亡。据估算，2013年以来，全省中小河流预警预报累计减灾效益超过6亿元。

4.2 为水资源保护管理和水环境治理服务

黑龙江省已建成的1110处取用水水量自动监测点，对全省河道外许可水量的80%以上和全省总用水量的36%以上实现了取用水水量自动监测，其中1万亩以上灌区渠首取水全部实现自动监测；已建成的17处重要地表饮用水源地水质在线监测站，实现了全省供水人口20万人以上的地表水饮用水水源地水质在线监测全覆盖。

依据详实的水量和水质监测信息，目前黑龙江省可以实时掌握来水、取水、用水和排水动态，保证水资源管理的科学性和准确性，实现更精细化的水资源管理，为水资源公报、水资源简报中的用水总量、用水效率和水功能区水质达标率提供了重要的数据支撑。省水文局每年为水行政主管部门编制年度水资源公报、水资源管理年报，12期重点水域水质状况通报、6期水功能区水质状况简报，为各级政府水资源管理“三条红线”考核提供了详实的水文监测信息。

5 展 望

信息技术的飞速发展，为水文监测的技术进步带来了前所未有的发展空间，互联网+水文监测将会使水文行业发生革命性变化。

智能传感器和万物互联的物联网技术以及移动互联技术，将有效解决水文监测的技术瓶颈，使水文要素的采集和传输不再受时间和空间的约束。水文自动监测产生的海量数据通过大数据分析和云存储、云计算技术，将催生智能水文。