信息自动化技术在水文测验中的实践与思考

彭华帆 程 亮 刘运珊

(赣江上游水文水资源监测中心，江西 赣州 341000)

随着我国科学技术的快速发展，信息自动化技术应运而生并广泛应用于各个领域中，为人们的生产、生活带来了极大的便利，促进了社会发展与进步[1]。将信息自动化技术应用于水文测验中，逐步取代传统水文测验技术，有利于加快构建“驻巡结合、巡测优先、测报自动、应急补充”的水文测验体系，推进智慧监管、智慧水文的建设。

1 水文测验中信息自动化技术实践的必要性

2020年，我国发生了1998年以来最严重的汛情。一是降雨总量偏多、时空分布集中，长江中下游梅雨量达到753.8mm，为1961年以来最多。二是大江大河洪水多发、量级大，长江发生流域性大洪水，其中上游发生特大洪水，三峡水库出现建库以来最大入库流量75000m3/s；太湖发生历史第3高水位的流域性大洪水。三是超警河流数量多、历时长，全国836条河流发生超警以上洪水，其中269条超保证、78条超历史，綦江8h内洪水涨幅高达10m[2]。在如此严重的汛情面前，水文测验数据的时效性、准确性显得尤为重要。水文信息自动化系统能够实现所有数据信息的电子化、网络化生成，做到对数据的实时动态采集、存贮、传输，水文部门通过对数据的分析，可及时准确地掌握水文情报预报信息，为当地防洪减灾提供科学依据[3]。目前，水文流量监测普遍使用传统测速仪施测，在洪水期作业存在测量困难、单次测验耗时过长、人力投入较大、存在安全隐患、数据不能自动传输等问题[4]。传统的方法难以有效、有序地开展监测工作，造成水文工作人员的工作效率降低，在监测洪水或者特大洪水时很难满足社会对水文的要求[5-7]。因此，十分有必要推进传统水文测验方式方法的技术创新，加强自动化技术在水文测验中的实践分析，为解决传统测验方式的弊端探索一条科学之路。

2 信息自动化技术在水文测验中的具体实践

2.1 SL流量计在线流量系统

窑下坝(二)水文站是章水区域代表站，近年来，受下游4.5km处的康阳电站回水影响，水位流量关系紊乱，采用连实测流量过程线法定线推流，这种方法要求较多的流量测次以控制流量变化过程，任务繁重，时效性差。为减轻该站测验任务，探索新的测验手段，2009年4月，赣江上游水文水资源监测中心引进了一台美国维赛公司(SonTek/YSI)研制的淘金者(Argonaut-SL500)水平型测量系统(以下简称SL流量计)，用于窑下坝(二)站实时流量测验。该仪器是目前世界上较为先进的实时流量测验仪器，其特点是能够直接测出断面的流速剖面和流量，测量时不扰动流场、测验速度快、精度高、信息化水平高、不受流向顺逆限制、能测到长时间的连续流量过程。选取窑下坝(二)站2018年流速仪37次实测流量与SL流量计所测流量进行比测率定。率定结果见表1。

表1 窑下坝(二)站SL流量计法与流速仪流量测验法比测成果

表2 SL流量计指标流量与流速仪实测流量分析成果

经计算分析，该站的系统误差为-0.3% ，总不确定度为9.2%(见表2)。对照《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)均匀浮标法单次流量测验允许误差标准的规定，系统误差指标允许范围为-2%～1%，总不确定度误差指标为小于11%，该站系统误差及总不确定度误差均在规定范围内， SL流量计所测流量数据满足国家二类精度水文站浮标法单次流量测验允许误差的规定[8]。目前,窑下坝(二)水文站SL流量计在线流量系统的数据可应用于资料整编。SL流量计在线测验技术实现了对流量的实时化、自动化测验，为推进水文测验改革提供有力的技术支撑。

2.2 雷达波在线测流系统的应用

雷达在线流量系统由数据采集、RTU及数据接收处理查询平台三部分组成。由HR-20A雷达流速计记录流速数据，RTU将流速数据通过GPRS传输至总处理器，通过接受处理展示系统后以网页形式提供数据查询及下载。HR-20A 根据多普勒雷达测速原理，借用岸边升杆、桥梁或其他合适的载体，仪器安装在河道中泓位置，对水流的表面流速进行测量[9]。截至2020年底，赣江上游水文水资源监测中心已在全市26个站点安装了雷达在线流量系统，刘运珊等[9]对雷达波在线测流系统的测验精度进行了充分的分析研究，并对中心所安装雷达波在线测流系统的站点逐一比测率定，确定13站率定后的流量过程可用于防汛测报。但资料整编有待进一步分析，确定5站需要更换安装位置、5站缺少比测资料、1个站需要调整仪器参数、2个站需要灾后重建。加强雷达波在线测流系统的具体实践，积累雷达波在线测流技术经验，推动雷达波在线测流的技术的成熟应用，将大大提高水文作业的科学时效性。

2.3 无人机测流技术

基于无人机平台的测流系统其实质是使用了流速面积法，前提条件是通过图纸或实地勘察选取监测河流的均匀断面[10]。无人机测流系统由两部分组成：数据采集端和数据处理端。数据采集端主要由大疆精灵 Phantom 4 RTK无人机搭载RTK模块，1英寸传感器、OcuSync图传系统，GSRTK航线规划系统等部分组成。数据处理端由便携式笔记本(或其他类型计算机)、视频图像识别系统等部分组成。无人机可在河道断面指定垂线上开展非接触式测流，无人机定点悬停在某一垂线上方，通过它的视频拍摄功能，录制一段视频用来记录浮标运动轨迹及历时；拍摄一张照片，运用搭载的RTK模块，定位无人机的经纬度及CORS高程。飞行结束后，通过对视频素材的处理，用所得轨迹长度和历时计算出垂线水面流速。再根据已获得的断面数据，计算出流量。天然河道高洪期的河道具有水流流速快、含沙量高、漂浮物多等特点，极易造成仪器的损坏并造成人身安全问题，加之天然河流的复杂的紊动特性，难以利用点流速测量技术快速获取流速或代价很高，导致流速仪法、走航ADCP法等传统接触式测流方案无法开展布置或仪器不能正常施测。而无人机测流技术，利用非接触式测水面浮标流速的方法解决了以上难题。该测流方法具有迅速、安全和不受漂浮物影响的特点，对于高洪抢测洪峰是一种非常实用的方法。无人机测流与传统测流方案对比，具有很多优势:测流数据具有可追溯性，无人机拍摄的照片与录像可以永久保存，作为数据来源的依据，也可以用来校对数据的准确性；参与作业人员减少，以往的浮标法需要大量的人员来协作完成，无人机测流只需1～2人就能完成。应急抢测时效性高，无人机测流历史短，操作方便，能很快测得洪峰；采用非接触式测水面浮标流速的方法，应对特殊水情安全性高。

2.4 在线测流系统的选择

SL流量计是利用超声波多普勒频移的物理原理来测量水流的速度。特别适用于受上下游水利工程影响，水位流量关系紊乱无法定线的水文站。应用SL流量计实时监测时，需要将水下换能器固定安装在水面以下的某一个固定位置，以保证水平方向。安装位置影响较大，在水位较低时，换能器极易裸露造成数据失真，而且SL流量计价格昂贵，维修成本高，所以目前安装使用的测站相对较少。雷达波在线流量系统适用于测验河段顺直、稳定、水流集中的站点。系统采用全自动无人值守方式实现全天候每5min实时流量监测，具有非接触、自动化的特点，同时不受漂浮物、泥沙、水质等的条件影响，适用于平时测验、高洪监测及危险水情测量等特殊环境。雷达波在线测流系统采用的也是一种非接触式测流设备，测流不受河道漂浮物、滚石等影响，适合高洪测验。但经过日常比测分析，发现影测验误差的主要有以下几个因素：

a.雷达流速仪测得的水面流速是水面单宽流速，不同水位级，仪器距离水面位置不同，所测单宽流速代表性不同。

b.0.3m/s以下的流速是雷达流速仪的盲区，对于0.3m/s以下流速其误差较大,天然流态站流速大多呈线性关系，高低水均可使用雷达流速仪推流，但受水利工程影响、有回水等水位流速关系混乱的站则不适合用雷达流速仪推流。

c.降雨对雷达流速计的流速影响很大，常出现突出点。因此,在这些情况下，特别是暴雨时期，雷达流速仪误差增大。

d.雷达流速仪水平安装角度与数据准确性有很大关联，当流速计与水流方向呈斜角时应做偏角修正，但实际工作中因偏角难以准确测定而并未修正,影响了站点数据准确性。因此，在水文测验中需根据测站特性选择合适的在线测流系统。

3 提升水文测验信息化水平

3.1 重视专业人才的培养

近年来，水文部门加大信息化建设力度，购置先进仪器、建立信息化平台、应用诸多信息自动化技术等。但是由于专业人才数量相对缺乏，致使技术运用成效不高。特别是操作人员，能完全熟练掌握各项信息技术的较少，难以将设备功能完全发挥，甚至操作过程出现失误，影响水文测验资料结果。因此，为保障测验资料质量，除了需要积极引入自动化技术，还需加大专业人才的培养力度，只有专业的人才能将信息自动化技术合理运用。加大专业人才的培养力度，首先需结合自动化技术的实际运用情况，对水文建设人才需求展开分析，合理引进人才。其次，需针对水文工作中的分工不同，分别确定培养方案，对现有人才加以培养。最后，通过举行应急演练、技能比赛等活动，强化实操能力，营造良好的培训氛围。

3.2 加强水文测验资料成果的比测分析

各种信息自动化技术的使用，大大提高了水文工作的效率，但作为新仪器新技术，还需与传统的技术手段进行比测分析，毕竟传统的技术手段已应用多年，积累了大量的系列资料和使用经验，加强水文测验资料成果的比测分析，论证信息自动化技术的综合精度，有利于历史资料延续，为今后信息自动化技术的发展应用提供依据。

3.3 提升信息自动化技术的创新能力

为提高水文信息自动化水平，在日常水文工作中，要高度重视对技术的创新开发，积极引进信息自动化技术，同时鼓励水文工作者在平时的工作中多思考，多学习，要坚持以创新的思维突破瓶颈制约，不断提升自身科研水平。通过不断创新，不仅能简化水文工作流程，减少基层人员工作强度，更能降低人为误差、提高数据准确性，实现水文工作信息化、智能化。

4 结 语

水文是水利工作的基础和先导，是国民经济和社会发展不可缺少的基础性公益事业。水文作为防汛抗旱的尖兵耳目，高效及时提供水文数据是社会对水文行业提出的更高要求。将信息自动化技术应用于水文测验中，充分发挥其优势，以增强水文测报和信息服务能力为目标，让水文更好地为社会经济发展服务。