呂清華 姚珠暉

[摘? ? ? ? ? ?要]? 現(xiàn)代高等職業(yè)教育中，創(chuàng)新型實踐教學是培養(yǎng)合格大學生最重要的環(huán)節(jié)，其實踐教學平臺設(shè)施也需與時俱進、不斷創(chuàng)新。主要介紹水文、水資源等專業(yè)在實踐教學中，水文測驗設(shè)施的現(xiàn)狀以及對未來水文測驗的發(fā)展方向，對數(shù)字化水文進行展望。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 水文測驗;數(shù)字水文;展望

[中圖分類號]? P332? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）20-0220-02

一、水文測驗設(shè)施目前現(xiàn)狀

經(jīng)過建國以后幾十個國家對水文事業(yè)發(fā)展的投入，水文測驗設(shè)施建設(shè)有了長足的提高，尤其是近十年，國家對水利投入逐年增加，作為水利一部分的水文事業(yè)，趁此發(fā)展機遇，加大設(shè)施設(shè)備的投入，不但改善了前幾十年落下的設(shè)施設(shè)備在區(qū)域發(fā)展不均衡、技術(shù)含量低、科研與生產(chǎn)不結(jié)合沒有形成生產(chǎn)力等落后面貌，還將專業(yè)人才和尖端科技手段引進水文行業(yè)。目前，所有尖端前沿科技手段在水文設(shè)施設(shè)備的應(yīng)用中均有體現(xiàn)。但是，與發(fā)達國家比較我們還有很大的差距。目前，水文測驗手段與設(shè)施設(shè)備的現(xiàn)狀大致可以概括為以下兩種情況。

（一）傳統(tǒng)測驗手段與現(xiàn)代測驗方法結(jié)合

目前，水文系統(tǒng)的水文測驗設(shè)施設(shè)備，大部分還是按照傳統(tǒng)的水文測驗模式進行。水位觀測依然保留了人工觀測對自動測報進行校核;降雨量、蒸發(fā)量觀測也保留了人工觀測段次以對自動測報系統(tǒng)進行校核;流量測驗，主要是采用流速面積法計算流量，采用的儀器不外乎轉(zhuǎn)子式流速儀、旋杯式流速儀;浮標法測流這種古老傳統(tǒng)的測驗方法依然在很多水文站得到保留應(yīng)用、深水浮標、小浮標以及量水建筑物法也有存在的空間……

與此同時現(xiàn)代水文測驗方法沖擊著傳統(tǒng)水文的設(shè)施設(shè)備。水位、雨量的固態(tài)存儲方法以及數(shù)據(jù)遠傳、自動拍發(fā)水文情報的先進手段，改變了人工固守觀測點的傳統(tǒng)模式;多普勒超聲波新的流量測驗模式讓我們水文職工個人耳目一新，打破了斷面的概念，流量在線系統(tǒng)不但更新了流量測驗方法而且正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的整編模式，把水位─流量關(guān)系更新為時間─流量關(guān)系;計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、衛(wèi)星通訊技術(shù)已經(jīng)深入水文測驗的每一個工作過程，使我們在世間和空間上面得到很大的自由，為防汛減災決策爭得了更多的時間。

（二）常規(guī)測驗設(shè)施設(shè)備與尖端科技儀器并存

纜道、水位井、測輪、浮標、吊船索、測橋、經(jīng)緯儀、水準儀、自己雨量計、蒸發(fā)皿、粒徑計、天枰、橫式采樣器……，這些我們非常熟悉的水文測驗設(shè)施設(shè)備正在被多普勒超聲波流速剖面儀、固態(tài)雨量存儲器、雷達水位計、壓力式水位計、雷達流速儀、ADCP在線流量測驗系統(tǒng)、雷達波在線流量測驗系統(tǒng)、GPS全球定位系統(tǒng)、遠紅外測距儀、超聲波測深儀、遙控電動船和三體船、移動式水質(zhì)監(jiān)測車所取代。

但是，新老設(shè)施設(shè)備共存現(xiàn)象是目前水文的現(xiàn)狀，新的測驗設(shè)備的引進使我們的檢測范圍擴大了，原來需要固守斷面，現(xiàn)在，坐在辦公室就能夠?qū)φ麄€流域面上的觀測站點進行遙測，采集數(shù)據(jù)，流量方面還可以根據(jù)水位和時間的變化進行招測，極大地方便水文數(shù)據(jù)的采集于傳輸，同時增加了信息量。

水文測驗常規(guī)設(shè)施設(shè)備與尖端科技儀器并存的現(xiàn)象使水文職工需要更加開闊自己的視野，不斷豐富自己的專業(yè)知識，這也是時代對我們提出的要求。

二、水文測驗發(fā)展方向——數(shù)字水文（自動測報系統(tǒng)）

水文自動測報系統(tǒng)是應(yīng)用遙感、通信、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成流域內(nèi)或者測區(qū)內(nèi)固定及移動站點的降水量、蒸發(fā)量、水位、流量、含沙量、潮位、風速、風向和水質(zhì)等水文氣象要素以及水庫閘門開度等數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和處理的信息系統(tǒng)。水文自動測報系統(tǒng)水文信息網(wǎng)的重要組成部分。狹義地說，水文自動測報系統(tǒng)一般是指測區(qū)內(nèi)的降水量、水位、流量（較規(guī)則斷面的測站）、閘門開度等防汛信息的自動采集、傳輸存儲和處理的信息系統(tǒng)。廣義的水文自動測報系統(tǒng)除了上述信息的采集、傳輸、存儲和處理以外，還包括采集到的信息的管理與應(yīng)用以及通信網(wǎng)絡(luò)等。

水文自動測報系統(tǒng)是重要的有效的非工程措施，但水文自動測報系統(tǒng)的建設(shè)本身也是一項工程，也需要按照工程建設(shè)的要求進行規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和管理。所謂非工程措施是相對于建筑水庫、電站等大型土木工程而言。

（一）水文自動測報系統(tǒng)的組成

一個最基本的水文自動測報系統(tǒng)，至少由若干個遙測站和中心站（在國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程中稱為水情分中心）組成。一般情況下，水文自動測報系統(tǒng)包含4類站點，各類站點的功能如下。

1.遙測站

在遙測終端機控制下，自動完成被測參數(shù)的采集，將取得的數(shù)據(jù)經(jīng)處理以后存入存儲器（固態(tài)存儲），并完成數(shù)據(jù)傳輸。遙測站的設(shè)備可以根據(jù)防汛的需要增加人工置數(shù)和超限主動加報等功能。

遙測站的主要設(shè)備有傳感器（雨量、水位計、流速）、遙測終端機、通訊設(shè)備、電源、避雷設(shè)施等。數(shù)據(jù)存儲記錄可以在傳感器部分也可以在遙測終端機內(nèi)部，或者單獨存在。

2.集合轉(zhuǎn)發(fā)站

當報汛站的數(shù)量較多時，宜采用由集合轉(zhuǎn)發(fā)站接受處理若干個遙測站的數(shù)據(jù)，再打包轉(zhuǎn)發(fā)到分中心站，而另一部分站直接與分中心通信的模式。

集合轉(zhuǎn)發(fā)站的設(shè)備組成類似于中心站，只是簡單而已。一般包括計算機、中心控制器、通信設(shè)備和電源。集合轉(zhuǎn)發(fā)站可以下載輸出數(shù)據(jù)。

3.中繼站

用于溝通無線通訊電路，以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰Ｖ欣^站只是為了溝通或加強通訊電路，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不作任何處理。

實際上，衛(wèi)星通信中的衛(wèi)星。微波通信中的微波接力站，簡單有線電話通信中的放大增音、中轉(zhuǎn)機、光纖通信中的中繼器，也都是“中繼站”。但是，這些公共通信系統(tǒng)已經(jīng)建成，或者有成熟的產(chǎn)品可以直接應(yīng)用。構(gòu)建水文自動測報系統(tǒng)時，只有超短波通信的中繼站需要專門設(shè)計和構(gòu)造。

4.中心站

主要完成各站遙測數(shù)據(jù)的適時收集、存儲以及數(shù)據(jù)處理任務(wù)，并將所收集的實時數(shù)據(jù)報送給上級有關(guān)部門。中心站是系統(tǒng)的中樞。由于大系統(tǒng)往往由較小的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)購成的，可以將一個地區(qū)、一個省、一個大流域，甚至一個國家的所有水文遙測站歸于一個“系統(tǒng)”。因此，“中心站”“分中心”的概念可大可小，在國家防汛指揮系統(tǒng)中，地區(qū)一級的系統(tǒng)中心被稱為“分中心”。

分中心的設(shè)備主要有計算機系統(tǒng)、通訊設(shè)施、中心控制機、電源等。

（二）數(shù)字水文站基本情況及組成

數(shù)字水文站是利用先進的測流技術(shù)、水質(zhì)實時監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種新技術(shù)集成的具有當前國內(nèi)一流技術(shù)水平的“水文信息自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)”。該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)組成，能實現(xiàn)水文信息的實時自動采集、傳輸、處理入庫、視頻實時監(jiān)控、流量自動測量和計算、水質(zhì)自動測量和計算、遠程數(shù)據(jù)和圖像傳輸、水文站信息的WEB查詢、水文資料的預整編等功能，實現(xiàn)了水文站信息采集的自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。

按照目前水文站的情況，系統(tǒng)可由水位自動測報分系統(tǒng)、閘位自動監(jiān)測分系統(tǒng)、氣象多參數(shù)自動測報分系統(tǒng)、流量自動監(jiān)測分系統(tǒng)、水質(zhì)自動監(jiān)測分系統(tǒng)、地下水位監(jiān)測分系統(tǒng)、土壤含水量自動監(jiān)測分系統(tǒng)、視頻監(jiān)視分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)（中心控制系統(tǒng)）等內(nèi)容進行組合而成。

（三）數(shù)字水文站采集的基本水文信息要素

（1）水位：多種形式的水位傳感器;

（2）地下水：多種形式的地下水位傳感器;

（3）流量：多種流量接口;

（4）水質(zhì)：多種水質(zhì)監(jiān)測參數(shù);

（5）土壤含水量：各層土壤含水量;

（6）沙量：輸沙率、含沙量;

（7）氣象參數(shù)：雨量、蒸發(fā)、濕度、溫度、風速、風向、氣壓等;

（8）閘位：閘門的開啟高度;

（9）視頻：監(jiān)視圖像。

（四）數(shù)字水文站網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

數(shù)字水文站分為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，底層為傳感器至數(shù)據(jù)采集平臺之間，數(shù)據(jù)傳輸采用有線方式，傳感器輸出的信號主要有電壓、電流、數(shù)字量、開關(guān)量、RS-485、SDI-12等形式;第二層為數(shù)據(jù)采集平臺至接收處理計算機之間，數(shù)據(jù)傳輸采用有線、無線等方式，主要有RS-485、無線超短波、電話、GSM短信、GSM、GPRS、光纖等多種通訊形式;最上層為計算機局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過局域網(wǎng)連接服務(wù)器和接收處理計算機及查詢工作站，可在任何一臺工作臺上進行水文信息的實時查詢及管理。以后隨著水文站條件的完善，上級主管部門及相關(guān)部門可通過廣域網(wǎng)來實時查詢水文站的水文信息。

（五）各分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能特點

數(shù)字水文站雖然有多種分系統(tǒng)組成，但信息采集之間又是互相有聯(lián)系的。數(shù)字水文站中主要部分數(shù)據(jù)采集平臺可以實現(xiàn)多種參數(shù)的采集、存儲、傳輸功能。下面以水位、流量為例分項進行說明。

目前水文站需要測量的水位一般有1處以上，部分站可能有多處水位測量點。水位測量的設(shè)備目前主要有浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計、氣泡式水位計、激光水位計、雷達水位計等幾種，尤其是浮子式水位計占很大的比重。數(shù)據(jù)采集平臺定時采集水位數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后通過多種通訊方式傳送至中心控制室的接收處理計算機。

水位自動測報分系統(tǒng)設(shè)備主要由水位計、數(shù)據(jù)采集平臺、通訊設(shè)備、天饋線、蓄電池、太陽能電池（或直流電源）等組成。

主要功能：

（1）定時實時采集水位數(shù)據(jù)（一般為5分鐘/次）;

（2）具有軟件消浪功能;

（3）帶有5分鐘水位數(shù)據(jù)存儲的功能，便于進行水位數(shù)據(jù)校核;

（4）采集的數(shù)據(jù)實時發(fā)送至水文站中心控制室;

（5）可設(shè)水位、電壓、故障報警功能;

（6）水位分辨率達到cm級，測量精度±2cm，完全滿足規(guī)范要求。

流量測量是水文站的關(guān)鍵測量項目，但目前對于天然河流的流量自動測量的方法還不太多，對于有條件的地方首先考慮自動測流，如超聲波時差法測流裝置、H-ADCP測流裝置、涵閘流量測量裝置、泵站效率法測流等方法;對大多數(shù)水文站可以考慮采用先進的測流手段，借助少量的人力資源進行可靠的斷面測流，如全自動纜道測流裝置、走航式ADCP測流裝置等。流量自動監(jiān)測分系統(tǒng)把所有的測量數(shù)據(jù)由計算機通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳送至中控室。對部分自動測流裝置也可通過數(shù)據(jù)采集平臺傳送至中控室。

三、系統(tǒng)集成

由于各個水文站的具體情況不一樣，監(jiān)測的項目和內(nèi)容也不一樣，需要根據(jù)各個水文站具體情況來設(shè)計數(shù)字水文站的規(guī)模和總體結(jié)構(gòu)，并把以上有關(guān)的分系統(tǒng)進行有機的結(jié)合和系統(tǒng)集成，從而形成一個具有自身特點的數(shù)字水文站。

根據(jù)水文站的具體要求，數(shù)字水文站的規(guī)?？纱笠部尚?，可以通過系統(tǒng)集成靈活方便地進行構(gòu)架，并可在條件成熟時方便地增加監(jiān)測內(nèi)容。使用戶在前期投入時不需要過多地考慮后期的擴充和完善，只需購置部分相關(guān)的儀器設(shè)備和測量傳感器即可增加新的測量項目，操作人員只需進行簡單的設(shè)置即可。

數(shù)字水文站中關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)采集平臺具有多種傳感器接口，可實現(xiàn)一臺儀器連接多臺測量設(shè)備，尤其是RS-485接口可連接32臺具有RS-485接口的傳感器，一臺數(shù)據(jù)采集平臺都多可連接37臺各種傳感器設(shè)備。在數(shù)字水文站中雖然有多種分系統(tǒng)，但在實際系統(tǒng)集成時可能只需要較少的數(shù)據(jù)采集平臺設(shè)備即可實現(xiàn)水文信息的自動采集、存儲、傳輸?shù)裙δ堋Ｖ行目刂品窒到y(tǒng)的規(guī)模也是可變的，最小的只需要一臺計算機就行了，大一些的可配置專用服務(wù)器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、管理等工作。

參考文獻：

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