水文基础测验设施的现状及数字水文展望

吕清华 姚珠晖

[摘           要]  现代高等职业教育中，创新型实践教学是培养合格大学生最重要的环节，其实践教学平台设施也需与时俱进、不断创新。主要介绍水文、水资源等专业在实践教学中，水文测验设施的现状以及对未来水文测验的发展方向，对数字化水文进行展望。

[关    键   词]  水文测验;数字水文;展望

[中图分类号]  P332                   [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2019）20-0220-02

一、水文测验设施目前现状

经过建国以后几十个国家对水文事业发展的投入，水文测验设施建设有了长足的提高，尤其是近十年，国家对水利投入逐年增加，作为水利一部分的水文事业，趁此发展机遇，加大设施设备的投入，不但改善了前几十年落下的设施设备在区域发展不均衡、技术含量低、科研与生产不结合没有形成生产力等落后面貌，还将专业人才和尖端科技手段引进水文行业。目前，所有尖端前沿科技手段在水文设施设备的应用中均有体现。但是，与发达国家比较我们还有很大的差距。目前，水文测验手段与设施设备的现状大致可以概括为以下两种情况。

（一）传统测验手段与现代测验方法结合

目前，水文系统的水文测验设施设备，大部分还是按照传统的水文测验模式进行。水位观测依然保留了人工观测对自动测报进行校核;降雨量、蒸发量观测也保留了人工观测段次以对自动测报系统进行校核;流量测验，主要是采用流速面积法计算流量，采用的仪器不外乎转子式流速仪、旋杯式流速仪;浮标法测流这种古老传统的测验方法依然在很多水文站得到保留应用、深水浮标、小浮标以及量水建筑物法也有存在的空间……

与此同时现代水文测验方法冲击着传统水文的设施设备。水位、雨量的固态存储方法以及数据远传、自动拍发水文情报的先进手段，改变了人工固守观测点的传统模式;多普勒超声波新的流量测验模式让我们水文职工个人耳目一新，打破了断面的概念，流量在线系统不但更新了流量测验方法而且正在挑战传统的整编模式，把水位─流量关系更新为时间─流量关系;计算机技术、网络技术、卫星通讯技术已经深入水文测验的每一个工作过程，使我们在世间和空间上面得到很大的自由，为防汛减灾决策争得了更多的时间。

（二）常规测验设施设备与尖端科技仪器并存

缆道、水位井、测轮、浮标、吊船索、测桥、经纬仪、水准仪、自己雨量计、蒸发皿、粒径计、天枰、横式采样器……，这些我们非常熟悉的水文测验设施设备正在被多普勒超声波流速剖面仪、固态雨量存储器、雷达水位计、压力式水位计、雷达流速仪、ADCP在线流量测验系统、雷达波在线流量测验系统、GPS全球定位系统、远红外测距仪、超声波测深仪、遥控电动船和三体船、移动式水质监测车所取代。

但是，新老设施设备共存现象是目前水文的现状，新的测验设备的引进使我们的检测范围扩大了，原来需要固守断面，现在，坐在办公室就能够对整个流域面上的观测站点进行遥测，采集数据，流量方面还可以根据水位和时间的变化进行招测，极大地方便水文数据的采集于传输，同时增加了信息量。

水文测验常规设施设备与尖端科技仪器并存的现象使水文职工需要更加开阔自己的视野，不断丰富自己的专业知识，这也是时代对我们提出的要求。

二、水文测验发展方向——数字水文（自动测报系统）

水文自动测报系统是应用遥感、通信、计算机和网络技术，完成流域内或者测区内固定及移动站点的降水量、蒸发量、水位、流量、含沙量、潮位、风速、风向和水质等水文气象要素以及水库闸门开度等数据的采集、传输、存储和处理的信息系统。水文自动测报系统水文信息网的重要组成部分。狭义地说，水文自动测报系统一般是指测区内的降水量、水位、流量（较规则断面的测站）、闸门开度等防汛信息的自动采集、传输存储和处理的信息系统。广义的水文自动测报系统除了上述信息的采集、传输、存储和处理以外，还包括采集到的信息的管理与应用以及通信网络等。

水文自动测报系统是重要的有效的非工程措施，但水文自动测报系统的建设本身也是一项工程，也需要按照工程建设的要求进行规划、设计、建设和管理。所谓非工程措施是相對于建筑水库、电站等大型土木工程而言。

（一）水文自动测报系统的组成

一个最基本的水文自动测报系统，至少由若干个遥测站和中心站（在国家防汛抗旱指挥系统工程中称为水情分中心）组成。一般情况下，水文自动测报系统包含4类站点，各类站点的功能如下。

1.遥测站

在遥测终端机控制下，自动完成被测参数的采集，将取得的数据经处理以后存入存储器（固态存储），并完成数据传输。遥测站的设备可以根据防汛的需要增加人工置数和超限主动加报等功能。

遥测站的主要设备有传感器（雨量、水位计、流速）、遥测终端机、通讯设备、电源、避雷设施等。数据存储记录可以在传感器部分也可以在遥测终端机内部，或者单独存在。

2.集合转发站

当报汛站的数量较多时，宜采用由集合转发站接受处理若干个遥测站的数据，再打包转发到分中心站，而另一部分站直接与分中心通信的模式。

集合转发站的设备组成类似于中心站，只是简单而已。一般包括计算机、中心控制器、通信设备和电源。集合转发站可以下载输出数据。

3.中继站

用于沟通无线通讯电路，以满足数据传输的需要。中继站只是为了沟通或加强通讯电路，对传输的数据不作任何处理。

实际上，卫星通信中的卫星。微波通信中的微波接力站，简单有线电话通信中的放大增音、中转机、光纤通信中的中继器，也都是“中继站”。但是，这些公共通信系统已经建成，或者有成熟的产品可以直接应用。构建水文自动测报系统时，只有超短波通信的中继站需要专门设计和构造。

4.中心站

主要完成各站遥测数据的适时收集、存储以及数据处理任务，并将所收集的实时数据报送给上级有关部门。中心站是系统的中枢。由于大系统往往由较小的系统网络购成的，可以将一个地区、一个省、一个大流域，甚至一个国家的所有水文遥测站归于一个“系统”。因此，“中心站”“分中心”的概念可大可小，在国家防汛指挥系统中，地区一级的系统中心被称为“分中心”。

分中心的设备主要有计算机系统、通讯设施、中心控制机、電源等。

（二）数字水文站基本情况及组成

数字水文站是利用先进的测流技术、水质实时监测技术、数据采集技术、视频监控技术、计算机网络技术等多种新技术集成的具有当前国内一流技术水平的“水文信息自动监测监控系统”。该系统采用分布式结构组成，能实现水文信息的实时自动采集、传输、处理入库、视频实时监控、流量自动测量和计算、水质自动测量和计算、远程数据和图像传输、水文站信息的WEB查询、水文资料的预整编等功能，实现了水文站信息采集的自动化、数字化、网络化。

按照目前水文站的情况，系统可由水位自动测报分系统、闸位自动监测分系统、气象多参数自动测报分系统、流量自动监测分系统、水质自动监测分系统、地下水位监测分系统、土壤含水量自动监测分系统、视频监视分系统、数据传输和数据处理分系统（中心控制系统）等内容进行组合而成。

（三）数字水文站采集的基本水文信息要素

（1）水位：多种形式的水位传感器;

（2）地下水：多种形式的地下水位传感器;

（3）流量：多种流量接口;

（4）水质：多种水质监测参数;

（5）土壤含水量：各层土壤含水量;

（6）沙量：输沙率、含沙量;

（7）气象参数：雨量、蒸发、湿度、温度、风速、风向、气压等;

（8）闸位：闸门的开启高度;

（9）视频：监视图像。

（四）数字水文站网络拓扑结构

数字水文站分为三层网络结构，底层为传感器至数据采集平台之间，数据传输采用有线方式，传感器输出的信号主要有电压、电流、数字量、开关量、RS-485、SDI-12等形式;第二层为数据采集平台至接收处理计算机之间，数据传输采用有线、无线等方式，主要有RS-485、无线超短波、电话、GSM短信、GSM、GPRS、光纤等多种通讯形式;最上层为计算机局域网结构，通过局域网连接服务器和接收处理计算机及查询工作站，可在任何一台工作台上进行水文信息的实时查询及管理。以后随着水文站条件的完善，上级主管部门及相关部门可通过广域网来实时查询水文站的水文信息。

（五）各分系统结构及功能特点

数字水文站虽然有多种分系统组成，但信息采集之间又是互相有联系的。数字水文站中主要部分数据采集平台可以实现多种参数的采集、存储、传输功能。下面以水位、流量为例分项进行说明。

目前水文站需要测量的水位一般有1处以上，部分站可能有多处水位测量点。水位测量的设备目前主要有浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计、气泡式水位计、激光水位计、雷达水位计等几种，尤其是浮子式水位计占很大的比重。数据采集平台定时采集水位数据，经处理后通过多种通讯方式传送至中心控制室的接收处理计算机。

水位自动测报分系统设备主要由水位计、数据采集平台、通讯设备、天馈线、蓄电池、太阳能电池（或直流电源）等组成。

主要功能：

（1）定时实时采集水位数据（一般为5分钟/次）;

（2）具有软件消浪功能;

（3）带有5分钟水位数据存储的功能，便于进行水位数据校核;

（4）采集的数据实时发送至水文站中心控制室;

（5）可设水位、电压、故障报警功能;

（6）水位分辨率达到cm级，测量精度±2cm，完全满足规范要求。

流量测量是水文站的关键测量项目，但目前对于天然河流的流量自动测量的方法还不太多，对于有条件的地方首先考虑自动测流，如超声波时差法测流装置、H-ADCP测流装置、涵闸流量测量装置、泵站效率法测流等方法;对大多数水文站可以考虑采用先进的测流手段，借助少量的人力资源进行可靠的断面测流，如全自动缆道测流装置、走航式ADCP测流装置等。流量自动监测分系统把所有的测量数据由计算机通过通讯网络传送至中控室。对部分自动测流装置也可通过数据采集平台传送至中控室。

三、系统集成

由于各个水文站的具体情况不一样，监测的项目和内容也不一样，需要根据各个水文站具体情况来设计数字水文站的规模和总体结构，并把以上有关的分系统进行有机的结合和系统集成，从而形成一个具有自身特点的数字水文站。

根据水文站的具体要求，数字水文站的规模可大也可小，可以通过系统集成灵活方便地进行构架，并可在条件成熟时方便地增加监测内容。使用户在前期投入时不需要过多地考虑后期的扩充和完善，只需购置部分相关的仪器设备和测量传感器即可增加新的测量项目，操作人员只需进行简单的设置即可。

数字水文站中关键设备数据采集平台具有多种传感器接口，可实现一台仪器连接多台测量设备，尤其是RS-485接口可连接32台具有RS-485接口的传感器，一台数据采集平台都多可连接37台各种传感器设备。在数字水文站中虽然有多种分系统，但在实际系统集成时可能只需要较少的数据采集平台设备即可实现水文信息的自动采集、存储、传输等功能。中心控制分系统的规模也是可变的，最小的只需要一台计算机就行了，大一些的可配置专用服务器来实现数据的存储、管理等工作。

参考文献：

[1]林祚顶.水文现代化与水文新技术[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[2]周海英.水情遥测技术应用[J].水文水利自动化，2012（10）.