阿克苏地区水文监测能力现状及升级改造思路探讨

张昌俊

(新疆阿克苏水文勘测局，新疆 阿克苏 843000)

1 阿克苏地区水资源概况

阿克苏地区是新疆水资源最为丰富的地区之一。境内共有冰川1 298条,面积为4 098 km2、储水量约2 154×108m3。高山冰川、天山积雪是地表河水的主要补给源泉,区内主要有阿克苏河、渭干河、塔里木河三大水系及大小155条河流和8个湖泊。地表水年径流量133.4×108m3。虽然地表水资源比较丰富，但是由于地表水径流年内分配极不均匀，春秋季径流仅占全年径流量的10%左右，导致多年来春旱频频发生，严重影响了地区经济的发展和社会的稳定和谐。阿克苏地区作为新疆水资源开发利用的重点地区，及时掌握本区所有河流、湖泊、地下水、水质等动态变化，是该地区水资源的合理开发用的重要参考依据。水文监测作为一项基础性工作，在国家全面推行河长制湖长制的大背景下，具有监测点多、线长、面广的天然优势，依托长序列和实时水文监测、调查数据统计、分析、评价结果，可以全面掌握河湖水系、岸线、水量、水质、泥沙等基本特征，及时跟踪河湖变化情况，预测预警未来发展情势，在推进河湖长制各项任务落实及实施监督、量化考核等方面能提供科学支撑。

现阿克苏水文勘测局已有水文水位监测站，雨量站，中小河流水文站，中小河流水位站，中小河流雨量站共计76个站点，水质监测站点34个，地下水监测站31(国家)、54(地区)由阿克苏水文勘测局管理，阿克苏水文勘测局分两大中心管理站：阿克苏河流域中心管理站、渭干河流域中心管理站。监测项目有水位、流量、水质、地下水、悬移质泥沙、降水、蒸发、水温、气温、冰情等。

2 阿克苏地区现有水文站点监测能力及不足

阿克苏地区现有水文站点主要分为；(1)国家基本站；(2)中小河流治理新建水文站、水位站、雨量站；(3)水质监测站；(4)地下水监测站。从站网建设数量上来看，水文水位监测站、雨量站、中小河流水文站、中小河流水位站和中小河流雨量站共计76个；水质监测站点34个；地下水监测站共计85个，其中国家级31个、地区级54个。所有水文站点都由新疆阿克苏水文勘测局管理，监测的主要项目涵盖水位、流量、水质、地下水、悬移质泥沙、降水、蒸发、水温、气温和冰情等。

2.1 基本水文站

阿克苏地区有基本水文站22处，其中19处为驻测站；3处巡测站。水文站目前观测内容为水位流量，降雨蒸发、泥沙水质、水温气温等，目前存在测验设备老化、测验手段原始单一等诸多问题。随着我国社会经济不断发展，水文部门将承担着更加繁重的任务，目前主要面临人力紧缺，监测内容和范围多元化，水文预测预报工作还没有完全实现体系化、自动化和信息化，水文站的综合服务能力还需要提高。比如，基层水文站在局部监测手段和能力方面还相对落后，没有符合水文信息化系统相应设备，无法进行遥测，只能进行定期人工测验。除可以进行防洪抗旱、基础资料收集、测报工作，没有水质、生态基流监测，无法及时预测预报该类突发水文事件，并且缺乏必要的应急措施。

2.2 中小河流治理新建水文站、水位站和雨量站

中小河流治理项目实施以来，近年新建了一批水文站、水位站和雨量站，因为是新建站，使用设备设施均为当前先进设备，满足巡测、遥测要求。但由于技术及水平各方面原因，水文数据传输不能满足部门、流域之间的信息共享。

2.3 水质站监测点

目前阿克苏水质信息平台监测站点均为人工巡测，定时定点取样，无法满足对水质的实时动态监测。

2.4 地下水监测点

阿克苏地区地下水监测点主要有国家级监测站和地区监测站，地区级监测站设立时间为2008-2009年，设施设备已老旧无法使用，只能通过人工巡测获取数据；而国家级地下水监测站为2017年新建站，设备设施先进，目前正常使用，数据只传输至专有服务器，无法兼容至水文信息化平台。

3 水文站点升级改造必要性分析

水文基本站点的跨越式发展必须以能力建设为保障，因此必须优化资金配置，加快水文监测站建设，提升其服务能力。尤其要优化基层监测站的资金投入，将资源投入到改进现代化设备运用、水质信息收集能力和水质监测设备上，通过先进、实用、机动性强的勘测设备的应用，使得水文站可以进行巡测、遥测，并提高现场快速测验的能力，以此有足够的人力、物力应对突发性的水文事件。不仅如此，还要完善水文要素监测的长期记录工作，及时将数据存储到数据库中，在水文信息平台进行原始数据处理、资料整编。以此为基础，不断健全信息真实、查询方便、适应不同层次需求的水文信息服务平台的建设，投身水文预测预报和分析评价的能力建设，进而为社会人民提供质量可靠的水文产品。

4 水文监测能力升级改造内容及措施分析

4.1 水位监测升级改造

4.1.1 建设目标

以先进测报技术和网络技术为支撑，通过监测站点建设达到提高自动化测报水平，确保设施设备先进可靠，测验精度满足规范要求，及时准确向信息平台实时传输河流水位信息。

4.1.2 水位监测

监测工作点采用随机测报、定时测报、人工召测相结合的测报工作方式：

(1)随机测报：该种方式主要是当遇到被测的水位和水情参数发生一个规定的增减量变化时，如水位涨落1 cm，且与上次发送数据时间间隔大于5分钟时，即自动向信息中心发送一次数据；

(2)定时测报：该种测报方式是固定了测报时间，如每间隔1 h，不管水位和水情参数有无变化，系统即自动采集并报送一次数据，信息中心的数据接收设备始终处于值守状态。

(3)人工召测：当对以上两种自报水位有疑问或获得即时水位信息，可发送指令，让水位计发送一次水位数据到信息平台。

水位自动采集站网络拓扑图详见图1。

图1 水位自动采集站网络拓扑图

4.1.3 数据传输及处理

水位自动采集站采集水位信息，通过GSM/GPRS和卫星通道将水位信息传输至信息平台，再通过水位～流量关系曲线软件处理后以此监测该河的流量信息。如图2所示。

图2 水位数据传输示意图

4.1.4 技术参数

测距范围：0～50 m；

测量精度：±2 mm；

分辨率：1 mm；

工作温度：-35℃～70℃；

防护等级：IP68；

其他：不受河道内淤泥、植物、垃圾影响，感知立杆晃动，自动优化补偿。

4.2 流量监测升级改造

4.2.1 建设目标

以先进测报技术和网络技术为支撑，通过监测站点建设达到提高自动化测报水平，确保设施设备先进可靠，测验精度满足规范要求，并且确保小流量测验精度，及时准确向信息平台实时传输河流流量信息。流量监测升级改造拓扑图见图3。

图3 流量监测升级改造拓扑图

4.2.2 流量监测

监测工作点采用自动测报、定时测报、人工召测相结合的自动测报方式：

(1)自动测报：每当被测的流量水情参数发生一个规定的增减量变化时，如流量涨落5 m3/s时，且与上次发送数据时间间隔大于5 min时，即自动向信息中心发送一次数据；

(2)定时测报：每隔1 h，不管参数有无变化，即采集和报送一次数据，信息中心的数据接收设备始终处于值守状态。

(3)人工召测：当对以上两种传回的数据有疑问时，可给仪器发送指令获取实时流量信息。

(4)雷达流速遥测设施技术参数

采用立杆式、桥底安装非接触式流速仪，用于对2～50 m宽渠道进行流体表面流速，可探测水流方向，全天候24 h在线观测。

测速范围：0.05～20 m/s；

测速精度：±0.01 m/s；

工作温度：-35℃～70℃；

防护等级：IP67；

(5)侧扫流速监测技术参数

可识别两股或多股水，用于天然宽型河道，实施全天候在线观测，可进行随时、定时测速。

测速距离：0～1 000 m；

测速范围：0.05～20 m/s；

测速精度：±0.01 m/s；

工作温度：-35℃～70℃；

防护等级：IP67；

4.3 雨量站监测升级改造

4.3.1 改造目标

雨量站雨情信息的传输由目前人工观测或自动检测无法传输的方式改造为一站的双发方式。其中中小河流雨量站改造兼容水文信息化平台。

4.3.2 系统传输

雨量信息采集后通过有线传输到数据采集终端RTU；RTU接收、处理并存储至测站采集的雨量信息，通过GSM/GPRS网络传输到水文信息平台，信息传输拓扑图如图4所示。

图4 雨量站监测升级改造

4.3.3 雨量站技术参数

雨量器在观测日分界时(水文日分界为8：00)控制雨量站根据实际降雨情况自动读取、工作，可实时记录降雨量，并传输数据至水文信息平台。

承雨口口径：0.2 m；

误差范围：±0.1 mm；

工作温度：0℃～55℃；

强雨误差：<0.1 mm；

内部存储：4 Mbit(57 344 条气象数据)；

记录间隔：1～240 min连续可调；

通讯方式：RS232/RS485、USB、GPRS 、卫星无线传输可选；

承水口内径：Φ 200 mm

雨量量筒的标准范围：0.05～10 mm

雨量量筒的最小分度：0.2 mm；

储水器的容量：2 000～2 500 ml；

主机工作环境条件：-40℃～50℃；

其他：自动加热除雪，对降雪量进行测量。

4.4 蒸发场监测升级改造

4.4.1 改造目标

蒸发场蒸发信息的传输由目前人工观测或自动监测无法传输的方式改造为一站的双发方式。

4.4.2 监测原理

采集器在观测日分界时刻(水文分界日为8：00)控制补水泵工作，给蒸发桶、水圈自动补水，使桶中水位恢复至水位标志线高度，然后，以补水后稳定水面的高度作为起测点，测量下一时段的蒸发量。

4.4.3 系统传输

蒸发信息采集后通过有线传输到数据采集终端RTU；RTU接收、处理并存储至测站采集的蒸发信息，通过GSM/GPRS网络或卫星信号传输到水文信息平台。

4.4.4 蒸发场技术参数

蒸发口径：0.2 m；φ618±2 mm；

溢流量分辨率为0.01 mm

蒸发量量测分辨力：0.1 mm；

蒸发量量测精度： 蒸发量≤10 mm，测量误差：≤±0.3 mm；

蒸发量>10 mm，测量误差：≤±(0.3 mm+1%F.S))；

蒸发量量测范围：不小于20 mm；

电源电压：12V/DC(-5%～+25%)；

环境温度：0℃～+55℃；

储存温度：-10℃～+60℃。

4.5 河流泥沙监测升级改造

4.5.1 改造目标

泥沙信息的传输由目前人工观测方式改造为一站的双发方式。

4.5.2 系统传输

泥沙信息采集后通过有线传输到数据采集终端RTU；RTU接收、处理并存储至测站采集的泥沙信息，通过GSM/GPRS网络传输到水文信息平台。

4.5.3 泥沙遥测设备技术参数

泥沙精度：0.01 kg/m3；

工作温度：0℃～55℃；

测验误差：0.005 kg/m3；

4.6 水质站监测升级改造

4.6.1 建设目标

水质在线监测系统建设基本目标是及时掌握地表水、饮用水水源地水质变化，当水质超标时及时预警，及时掌握水源地水质变化，确保供水、生态水安全。水质监测站拓扑图见图5。

图5 水质监测站拓扑图

4.6.2 水质自动监测站升级改造的要求

1)监测项目的可扩展性

系统监测的水质指标项目能根据需要进行扩展，相应的控制、传输满足相应要求。

2)采水系统的安全性

采水系统要能防撞、防藻、防淤积堵塞；能根据水位变化调节取水头及原水监测仪器的位置和深度，便于维护。

3)监测仪器设备的稳定性、准确性

各种监测仪器设备长期、稳定、准确地运行，监测数据可靠；运行费用低，便于维护；抗干扰能力较强。

4)控制系统的可靠性

系统运行状况能远程诊断和控制，响应及时、控制准确、预警可靠，在超标情况下能自动留样，也能手动或远程遥控手动留样。设置人工维护平台。

5)数据采集、处理与传输系统的准确性

数据的采集和处理无误，传输准确通畅，中心站能对子站系统进行控制，便于管理，人机对话友好。

6)系统运行的经济性

系统的设计和运行管理在确保长期可靠地运行基础上降低建设和运行成本，可实现实时在线监测。

4.6.3 数据监测需求及效果

升级改造后监测的水质参数数据包括：水温、电导率、pH、氨氮离子浓度、浊度；通过系统的建设及改造升级，能保证水质数据准确度和精密度满足要求，与实验室同步监测数据在允许误差范围内。并实现监测数据的自动采集、存储并传输至水文信息平台，当水质超标时及时预警，及时掌握水源地水质变化。

4.7 地下水监测升级改造

对地区地下水监测站需要进行全方位总体升级改造，要改变传统的人工观测方式，升级改造为自动遥测系统。而对国家级地下水监测站的升级改造，则主要使其监测传输数据兼容水文信息化平台。地下水监测升级改造拓扑图见图5。

4.7.1 改造目标

地下水信息的传输由目前人工观测方式改造为一站的双发方式。

4.7.2 监测项目

地下水水位、水质、水温。并具有监测项目可拓展性。

4.7.3 系统传输

地下水信息采集后通过有线传输到数据采集终端RTU；RTU接收、处理并存储至测站采集的信息，通过GSM/GPRS网络传输到水文信息平台。

图6 地下水监测升级改造拓扑图

4.7.4 地下水遥测设施技术参数

测量深度：0.5～100 m；

测量深度精度：0.01 m；

水温测量范围：0℃～55℃；

水温测量误差：0.1℃；

水位测量误差：0.01 m；

5 结语

近年来，阿克苏地区在“大水文”发展观的指引下，按照水文服务于防汛抗旱、水资源管理和水生态环境的新要求，结合中小河流水文监测系统建设，不断提高水文监测能力，通过不断对地区水文测站进行升级改造和水文监测中心建设，可以极大提高河湖水位、流量及水质等自动测报水平和水文信息处理能力，充分发挥水文基础支撑作用，使水文服务社会的支撑能力不断增强，为阿克苏地区今后水资源的开发利用和管理工作提供了坚实的科学依据。