劉耀峰

（山西省水文水資源勘測(cè)局，山西 太原 030002）

數(shù)字化在現(xiàn)代水文子系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉耀峰

（山西省水文水資源勘測(cè)局，山西 太原 030002）

數(shù)字化是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，數(shù)字化推動(dòng)著全球產(chǎn)業(yè)分工深化和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，重塑著全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)格局。將水利信息化定為水利優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，早在2001年就確立了“以水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化”的發(fā)展思路。近幾年山西省水文局在信息化工作方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但還需要做到與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新，才能適應(yīng)當(dāng)前快速發(fā)展的水利事業(yè)。

數(shù)字化；跨越發(fā)展；山西水文

1 概述

水文事業(yè)是水利發(fā)展的前提性基礎(chǔ)工作，水文為社會(huì)發(fā)展提供水信息安全保障，是防洪抗旱減災(zāi)不可替代的重要依據(jù)。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)賦予了水文事業(yè)更大責(zé)任，承擔(dān)著為水資源的合理開(kāi)發(fā)、優(yōu)化配置、高效利用、可持續(xù)發(fā)展提供可靠的基礎(chǔ)信息服務(wù)，為水利事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供規(guī)劃基礎(chǔ)和管理信息。

當(dāng)今時(shí)代，信息技術(shù)革命推動(dòng)著科技數(shù)字化迅猛發(fā)展，從根本上改變著傳統(tǒng)水文觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析、處理模式。水文工作要緊跟時(shí)代步伐，更好服務(wù)于社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)建設(shè)，充分利用現(xiàn)代科技手段，持續(xù)不斷地提高水文信息化、數(shù)字化發(fā)展。

2 山西水文數(shù)字化現(xiàn)狀

2.1 站網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)

截至2013年底，山西省水文局設(shè)有水文站69處，雨量站2 414處，墑情監(jiān)測(cè)站71處，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站135處，水文實(shí)驗(yàn)站2處，地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)站807處。進(jìn)入21世紀(jì)，山西水文采用一系列數(shù)字化技術(shù)，推進(jìn)站網(wǎng)建設(shè)快速發(fā)展。雨量觀測(cè)全部采用固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、報(bào)汛；河道水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)；水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)站從無(wú)到有，2011年在汾河靜樂(lè)水文站建成第一個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站；地下水動(dòng)態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站達(dá)到153處。在此基礎(chǔ)上分別建成了水情數(shù)據(jù)中心、水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中心及其相應(yīng)的分中心（市級(jí)）。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)字化

雨量監(jiān)測(cè)。山西水文局從1995年開(kāi)始建設(shè)具有自動(dòng)存儲(chǔ)功能的固態(tài)存儲(chǔ)雨量站，雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)存儲(chǔ)功能，降低了人為誤差，也消除了人工觀測(cè)難以避免的缺（漏）測(cè)，使雨量觀測(cè)有了歷史性飛躍。至2013年底全省雨量站全部實(shí)現(xiàn)了固態(tài)存儲(chǔ)，雨量觀測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

流量監(jiān)測(cè)。2013年汛期，山西水文局對(duì)觀音堂、岢嵐、圪洞等25個(gè)測(cè)站的測(cè)流設(shè)施進(jìn)行改造提升時(shí)，推廣應(yīng)用山西水文局發(fā)明的無(wú)線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測(cè)流系統(tǒng)（獲國(guó)家專利），而且受到全國(guó)水文界關(guān)注并廣泛引用。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢(shì)：一是精確高效，采用電腦控制、無(wú)線遙控、自動(dòng)測(cè)流，避免了人工測(cè)流在讀數(shù)、記錄、計(jì)算等方面人為出錯(cuò)的可能。測(cè)流時(shí)間僅占人工傳統(tǒng)測(cè)流時(shí)間的1/5或更短，在數(shù)秒內(nèi)即可計(jì)算、打印出流量成果；二是性能穩(wěn)定，通過(guò)在不同施測(cè)斷面、不同流速與流量、不同天氣情況下的施測(cè)對(duì)比，可以滿足《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求；三是節(jié)省人力，由于儀器體積小、操作簡(jiǎn)便，可大大節(jié)省人力和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，一般情況下一人即可完成流量施測(cè)。國(guó)內(nèi)水文界認(rèn)為測(cè)驗(yàn)理念來(lái)自基層經(jīng)驗(yàn)，是人性化的設(shè)計(jì)、先進(jìn)性的應(yīng)用。之外，2011年開(kāi)始采用多普勒剖面流速儀（ADCP），該儀器采用多普勒頻移物理原理測(cè)量水流速度，在每個(gè)子斷面垂線一點(diǎn)或多點(diǎn)測(cè)量流速和水深，得到斷面平均流速和流量。

泥沙監(jiān)測(cè)。2012年開(kāi)始采用激光粒度儀進(jìn)行泥沙顆粒分析，平均3min分析一個(gè)沙樣，只需很少沙樣即可，作業(yè)時(shí)間大幅縮短，測(cè)驗(yàn)精度大幅度提高。

地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。2013年底時(shí)，設(shè)有地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位站153處，在各市水文分局建立了數(shù)據(jù)接收與處理平臺(tái)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)站每4 h自動(dòng)采集與傳輸一次數(shù)據(jù)，分局接收到數(shù)據(jù)之后進(jìn)行合理性審查，然后轉(zhuǎn)發(fā)省局接收平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)入庫(kù)工作。即將開(kāi)始的國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程完成后，山西504處地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)全部實(shí)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與傳輸，經(jīng)檢驗(yàn)后自動(dòng)入庫(kù)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)。2011年建成了第一個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，一期工程實(shí)現(xiàn)了5參數(shù)（pH、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、水溫）自動(dòng)監(jiān)測(cè)，二期工程增加了COD、氨氮2項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了7參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 水環(huán)境信息管理系統(tǒng)

山西省水環(huán)境信息管理系統(tǒng)是運(yùn)用新技術(shù)和新手段，以標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、空間化為主要特征，采用模塊化設(shè)計(jì)，建成了省、市以及縣級(jí)通用的水資源質(zhì)量管理信息系統(tǒng)，能夠作為水行政主管部門(mén)水資源管理決策支持系統(tǒng)的組成部分（對(duì)系統(tǒng)的不同用戶設(shè)置了不同的訪問(wèn)和處理權(quán)限）。該系統(tǒng)的建成，有效提高了水資源質(zhì)量管理的能力和數(shù)字化、信息化、現(xiàn)代化水平，為水資源規(guī)劃、管理和決策提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的信息服務(wù)和先進(jìn)有效的技術(shù)支持，增強(qiáng)了各級(jí)水行政主管部門(mén)的協(xié)調(diào)和組織能力，為“依法治水、科學(xué)管理”提供了新的管理手段。

3.2 地下水信息管理與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)

山西地下水是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市供水、人民生活的主要水源，長(zhǎng)期超量開(kāi)采及采煤對(duì)地下水的破壞，引起地面沉降和裂縫，泉水衰減、斷流，水環(huán)境污染等諸多問(wèn)題。目前山西地下水監(jiān)測(cè)覆蓋全省119個(gè)縣（區(qū)、市），數(shù)據(jù)量大，業(yè)務(wù)分析過(guò)程繁瑣復(fù)雜，常規(guī)的人工處理不能滿足日益復(fù)雜的地下水業(yè)務(wù)要求和信息化迅速發(fā)展的形勢(shì)。山西省地下水信息管理與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)完成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了MIS、GIS和數(shù)據(jù)庫(kù)的集成，建設(shè)在B/S模式下能夠長(zhǎng)期使用的地下水信息化平臺(tái)。利用自動(dòng)監(jiān)測(cè)、通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全省主要地區(qū)地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、數(shù)據(jù)管理、分析、上報(bào)，同時(shí)也能自動(dòng)生成地下水簡(jiǎn)報(bào)、通報(bào)等階段性成果。該系統(tǒng)內(nèi)容和架構(gòu)成為國(guó)家地下水管理與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容。

3.3 水情自動(dòng)報(bào)汛系統(tǒng)

水情信息查詢服務(wù)系統(tǒng)是從2007年開(kāi)始建設(shè)，它是一套采用Web技術(shù)和GIS技術(shù)，以Web為運(yùn)行平臺(tái)，以《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》和《山西省水情信息報(bào)汛規(guī)定》形成的水情信息為基礎(chǔ)，以《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》形成的數(shù)據(jù)庫(kù)為依據(jù)，緊密圍繞水情服務(wù)主題的水情綜合應(yīng)用系統(tǒng)。水情信息包括雨量、流量、墑情、水庫(kù)水情4組數(shù)據(jù)。按照既定要求，系統(tǒng)每10min定時(shí)采集一次水情信息，每條記錄按固定格式讀取。系統(tǒng)傳輸是基于GPRSMODEM與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通信。其應(yīng)用定位是防汛會(huì)商會(huì)議、汛期值班、信息發(fā)布與瀏覽等業(yè)務(wù)，共分為用戶管理、電子地圖操作與控制、水情查詢、水情服務(wù)統(tǒng)計(jì)、圖形保存、信息采集、制作與發(fā)布、系統(tǒng)維護(hù)等模塊。系統(tǒng)的應(yīng)用在時(shí)間上提供了最大的提前量，最大程度地減少了洪災(zāi)損失。同時(shí)在水資源利用等領(lǐng)域也顯示出重要作用，采用數(shù)字信息對(duì)河、湖、庫(kù)的水情進(jìn)行遙測(cè)、傳輸、處理自動(dòng)化，不僅是一套功能完善的防汛會(huì)商與水情值班系統(tǒng)，還是一個(gè)水情專題網(wǎng)站，在滿足防汛會(huì)商與水情值班業(yè)務(wù)需要的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了水情信息的共享，從而能夠?yàn)榉姥础⒖购?、減災(zāi)提供良好服務(wù)。

3.4 水文信息服務(wù)系統(tǒng)

山西水文信息服務(wù)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大型數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)。水文信息應(yīng)用的基本方式之一是獲取單站年表資料。由于水文信息具有多維特點(diǎn)，因此可通過(guò)站名（站碼）、年份、表名3個(gè)維度要素的選擇，獲得唯一的表項(xiàng)資料。水文信息是一個(gè)典型的多維數(shù)據(jù)（MDD）結(jié)構(gòu)，即在時(shí)間、地域、數(shù)據(jù)三維空間上分布。其中時(shí)間維是以年份為單位提供的資料搜索方式，使系統(tǒng)與傳統(tǒng)的以《水文年鑒》為基礎(chǔ)的資料保存與查閱體系相銜接。系統(tǒng)同時(shí)提供豐富的圖像輸出工具，用戶可以在搜索得到的信息集合之上，只需點(diǎn)取X，Y軸坐標(biāo)對(duì)應(yīng)搜索結(jié)果中的相關(guān)數(shù)據(jù)字段，即可獲得精美而生動(dòng)、可標(biāo)注數(shù)值的各種矢量化圖像。工程技術(shù)人員翻閱《水文年鑒》的費(fèi)力、費(fèi)時(shí)現(xiàn)象只有在特殊情況下才會(huì)再現(xiàn)。

3.5 河湖普查信息化

河湖普查是國(guó)務(wù)院第一次全國(guó)水利普查的主要任務(wù)，是其他水利專項(xiàng)普查的基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著3S等高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得采用統(tǒng)一普查標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)容和技術(shù)手段，獲得全面系統(tǒng)的河流湖泊基本特征信息成為可能。開(kāi)發(fā)基于GIS（地理信息系統(tǒng)）的河流湖泊信息管理系統(tǒng)是水利信息化建設(shè)的要求，也是河湖開(kāi)發(fā)治理長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需要，開(kāi)發(fā)河流湖泊信息管理系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)掌握和了解全國(guó)范圍內(nèi)的河湖開(kāi)發(fā)和治理情況，有針對(duì)性地制定河湖開(kāi)發(fā)治理方案與對(duì)策具有重要的參考價(jià)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、湖泊形態(tài)特征等。普查中，將這些河湖主要特征進(jìn)行分析、提取、匯總，建立起全國(guó)范圍內(nèi)給定標(biāo)準(zhǔn)以上河流湖泊的主要特征數(shù)據(jù)庫(kù)，以為全國(guó)河湖開(kāi)發(fā)治理提供必要的數(shù)據(jù)和依據(jù)。河湖普查數(shù)據(jù)庫(kù)不僅填補(bǔ)了水利發(fā)展史上的空白，也填補(bǔ)了地理、測(cè)繪發(fā)展史上的空白。

4 水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)推動(dòng)數(shù)字水文跨越發(fā)展

“數(shù)字水文”的建設(shè)，大大推進(jìn)了水文事業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，數(shù)字水文實(shí)現(xiàn)了水文測(cè)報(bào)的跨越升級(jí)。

傳統(tǒng)水文測(cè)報(bào)主要依靠人工觀測(cè)，其信息可靠度差、勞動(dòng)強(qiáng)度大?，F(xiàn)代水文信息采集大量采用衛(wèi)星遙測(cè)技術(shù)、自動(dòng)水位計(jì)、電子水尺、聲波水位計(jì)、雷達(dá)超聲波技術(shù)等；僅泥沙測(cè)驗(yàn)即不斷涌現(xiàn)出超聲波測(cè)沙儀、激光測(cè)沙儀、振動(dòng)測(cè)沙儀、光電測(cè)沙儀等，實(shí)現(xiàn)了泥沙測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化、數(shù)字化。

傳統(tǒng)水文獲取水文信息非常有限，且以斷面的流量、水位為主。數(shù)字水文利用衛(wèi)星云圖、雷達(dá)測(cè)雨和地面雨量站觀測(cè)等多源數(shù)據(jù)，產(chǎn)生多種時(shí)空分辨率的土壤水分和熱狀態(tài)的動(dòng)態(tài)數(shù)字信息，不僅為防汛，也為抗旱提供及時(shí)、可靠的信息決策依據(jù)。數(shù)字水文作為數(shù)字地球的組成部分，將面對(duì)整個(gè)地球的空間，不再局限于有限的河道測(cè)站斷面，水文信息采集將擴(kuò)展到空間。

數(shù)字化、信息化為水文發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力，數(shù)字水文發(fā)展給水文信息勘測(cè)技術(shù)發(fā)展帶來(lái)了巨大的推動(dòng)作用，同時(shí)也為滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)各行業(yè)、社會(huì)各部門(mén)的需求帶來(lái)了測(cè)試方便，還在很大程度上增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和預(yù)見(jiàn)性，標(biāo)志著未來(lái)水文的發(fā)展方向。5 結(jié)論及建議

數(shù)字水文是信息時(shí)代的新生物，其以強(qiáng)勁的動(dòng)力推動(dòng)了當(dāng)代水文技術(shù)、理論與應(yīng)用的全面發(fā)展。在信息化水文大發(fā)展的背景下，提出了數(shù)字水庫(kù)、數(shù)字水資源、數(shù)字流域、現(xiàn)代水文和大水利等諸多框架策略與新的理念。

水文系統(tǒng)數(shù)字化、信息化必將帶來(lái)水文行業(yè)發(fā)展的新時(shí)代。如今，在提高水文信息的實(shí)時(shí)性、可視性、擴(kuò)大水文信息應(yīng)用領(lǐng)域諸多方面，取得了長(zhǎng)效進(jìn)步。隨著水文領(lǐng)域各應(yīng)用子系統(tǒng)的建設(shè)，必將全面推動(dòng)水文基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)代化建設(shè)，在現(xiàn)有條件下提供更全面、系統(tǒng)、快捷的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，從而促進(jìn)水文事業(yè)跨越發(fā)展，進(jìn)入和諧水文的良性循環(huán)發(fā)展環(huán)境。

2017年“世界水日”“中國(guó)水周”宣傳口號(hào)

1 紀(jì)念第二十五屆“世界水日”第三十屆“中國(guó)水周”

2 節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力

3 水是生存之本、文明之源、生態(tài)之基

4 創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享

5 落實(shí)綠色發(fā)展理念，全面推行河長(zhǎng)制

6 水美城市，生態(tài)家園

7 河長(zhǎng)制，河長(zhǎng)治

8 踐行綠色發(fā)展，建設(shè)生態(tài)家園

9 全面推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，共建美麗家園

10 加強(qiáng)水資源保護(hù)，落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度

11 依法劃定河湖管理范圍，嚴(yán)格水域岸線水生態(tài)空間管控

12 加強(qiáng)水環(huán)境治理，強(qiáng)化水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)管理

13 加強(qiáng)水生態(tài)修復(fù)，推進(jìn)河湖生態(tài)修復(fù)和保護(hù)

14 搞好水土保持，護(hù)佑綠水青山

15 加強(qiáng)河湖執(zhí)法監(jiān)管，嚴(yán)厲打擊涉河湖違法行為

16 加強(qiáng)河湖保護(hù)與管理，推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)

17 加強(qiáng)社會(huì)監(jiān)督，凝聚河湖保護(hù)合力

18 加強(qiáng)依法治水管水，推進(jìn)水利依法行政

19 科學(xué)防御水旱災(zāi)害，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展

20 加強(qiáng)農(nóng)村水利工作，促進(jìn)城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展

21 實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，建設(shè)國(guó)家級(jí)水生態(tài)文明城市…

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1004-7042（2017）03-0026-03

劉耀峰（1985－），男，2007年畢業(yè)于太原科技大學(xué)信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)，工程師。

2017-01-15；

2017-02-27