水文監測

水文監測是指通過科學方法對自然界水的時空分佈、變化規律進行監控、測量、分析以及預警等的一個複雜而全面的系統工程，是一門綜合性學科。

水文監測由監測中心、通信網路、前端監測設備、測量設備四部分組成。

◆ 監測中心：由伺服器、公網專線（或移動專線）、水文監測系統軟體組成。

◆ 通信網路：GPRS/短消息/北斗衛星、Internet公網/移動專線。

◆ 前端監測設備：水文監測終端。

◆ 測量設備：雨量感測器、水位計、工業照相機或其它儀錶變送器。

感測技術是指從仿生學觀點，如果把計算機看成處理和識別信息的“大腦”，把通信系統看成傳遞信息的“神經系統”的話，那麼感測器就是“感覺器官”。感測技術是關於從自然信源獲取信息，並對之進行處理（變換）和識別的一門多學科交叉的現代科學與工程技術，它涉及感測器（又稱換能器）、信息處理和識別的規劃設計、開發、制/建造、測試、應用及評價改進等活動。

數據採集是指從感測器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動采非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。數據採集系統是結合基於計算機或者其他專用測試平台的測量軟硬體產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。

無線通信主要是指超短波及微波電台，採用DSP數字處理，軟體可調，實現遠距離數據傳輸的通信方式，北

京節點通有成熟的應用。

河流水量、水質、生態等信息，對於河流健康保護十分必要，衛星遙感、水情遙測等新技術層出不窮，則對建立新型水文監測制度與方法提供很好的契機與條件。

美國學者1997年就認識到，天然水流的流態為河流的恢復和保護提供了一個可以經受時間檢驗的“處方”。澳大利亞昆士蘭省2000年通過了新的水法，科學家小組使用“基準量測法”來制定環境需水量。南非包含強制“保留水量”的新《水法》通過一年後，政府又發布了指導綱要，詳細地說明了如何確定“保留水量”，如今許多南非科學家都忙於確定各大流域的各種用水量，包括生態用水量。而這與水文監測資料直接相關。科學家多年的研究，也使美國建立了準確的預報模型，能夠準確預報未來一段時間內的降雨量，同時也能準確地預報這些降雨量將在哥倫比亞河流中形成多少流量，使各大河流在不築大壩的情況下，防洪成為可能。而且，美國的若干機構都需要並參與哥倫比亞地區的降雨量和河流流量的預報，比如美國工程師兵團、哥倫比亞河流預報中心、美同天氣預報河流預報中心、美國地質測量組織、美國自然資源保護中心、哥倫比亞河流管理公司、兩北電力庫等。

要實現現代水文管理模式，必須首先對現有的站網結構進行調整。然而，現有水文站網的規劃方法尚不成熟，並與當前的治水思路不相適應。主要表現在我國大多數水文測站是20世紀60年代以前主要為防汛服務設立的，功能單一，設站目的和任務已經嚴重滯后。隨著國民經濟和社會的發展，現有站網結構和布局已不能適應水資源開發管理、生態環境建設、河道整治的需要，無法滿足水資源優化配置的要求，同時也遠遠不能滿足城市防洪和城市水資源管理的需要。因此，必須加強水文、水環境、水生態、水土保持、采砂、河道觀測、灌溉試驗、野外科學觀測等監測站網規劃，通過大數據分析弄清社會需求，適當增加站網密度，完善站網結構、實現各類監測站網的有機結合，提升站網整體功能。

水文站網調整依賴於水文巡測技術的提高，水文巡測技術是站網調整的前提。目前，我國水文觀測成果均要求整編，對於駐守站，因測次較多，一般均可以滿足整編定線的需要。然而開展巡測以後，因測次減少，儘管每次測驗的精度有所提高，但不能控制水情變化的全過程，整編有一定的難度。20世紀70-80年代，開展的水位流量單值化分析，對解決部分地區的巡測資料整編起到了相當大的作用，但對於諸如受水利工程影響、河口感潮河段、濱湖地區的水文巡測資料的整編仍然未取得突破，嚴重限制了水文巡測資料的使用價值，制約了水文管理模式的改革，尋求對水文巡測資料的整編方法是水文所要解決的重點問題之一。

水文監測一般由信息採集、信息存儲和信息傳輸等3個部分組成。水文信息通過感測器或人工方式獲取后，以一定的方式記錄和存儲，一些需要實時水文信息的測站採取一定的方式傳輸到相關部門。

改革開放前，我國資料收集一般為人工方式，經過近十幾年技術飛速發展，資料收集的自動化程度和現代化水平得到了極大提高。總的來說，水位和雨量收集的自動化程度要遠遠高於流量。一些流域和地區的水位和雨量信息已經具備了較高的自動化水平，其中的一些（如長江幹流以及其主要支流出口處的所有水位、雨量項目）已經實現了採集、存儲和傳輸的全程自動化。相對而言，流量、泥沙採集新技術和新儀器還不成熟，並無實質性的進步。

流量測驗的載體有纜道、測船、水工建築物、橋樑等。其中纜道、測船和橋樑作為傳統流速儀法測流的施測載體，基本原理相同，只是根據不同的測站條件選擇適用的載體形式，並且只能通過升級載體的機械自動化水平來達到半自動化測流；水工建築物利用水工程的相關信息施測或推算流量，屬於間接流量測驗方式；1956年長江流域規劃辦公室（現長江水利委員會）在北碚站上架設了我國第一座機動水文纜道，纜道因其的成本較低，通用性較好且技術成熟，我國目前有一半的流量測驗斷面選擇其作為主要測驗方式，這些斷面較多地分佈在適合建造纜道的中小河流和河流的中上游地區。早期的橋測很多是修建水文專用測橋，20世紀七八十年代曾達到高峰，其後橋測方式逐漸減少。測船方式的成本較大，20世紀五六十年代，測船水文絞關、過河索吊船等技術取得了很大進展，因而這一段時期，水文測站採用船測法，特別是過河索吊船方式的較多。水工建築物的使用條件很苛刻，只能應用在具備條件的地方，所佔比例較小。流量測驗基礎設施和設備，絕大多數是在20世紀七八十年代配備完成的，二三十年來，很多設施經過了更新改造，自動化程度總體上有所提高，但在測驗方式方面並沒有大的改變。

流量的記錄型式主要有自動測報、固態存儲和人工觀讀。自動測報實際上是指流量測驗從採集、存儲到傳輸的一系列過程的自動化，目前只有極少數測站達到這一水平，固態存儲均指流量信息採集后通過計算機等電子設備加以計算處理和記錄存儲。人工觀讀是最為傳統和效率最低的方式。

水文信息傳輸方式主要有PSTN、衛星、無線公網、電台、話傳、人工數傳等。PSTN通過程式控制電話撥號數模轉換傳輸數據，理論上，有固定電話的測站配備數據機后均可以實現，成本也比較低，然而很多水文測站分佈在人煙稀少的偏遠農村，農網電話線路可致使數據傳輸出錯，這是PSTN並不是很普及的主要原因。衛星傳輸是經過測站的衛星數據發射器傳送、通過衛星轉發的方式，目前長江流域普遍採用的衛星有海事衛星Inmarsat -C和我國自主研發的北斗衛星兩種形式，衛星方式基本不受區域限制，但是通信費用相對較高。無線公網是通過移動服務提供商提供的2G (GSM)或2.5G (GPRS、CDMA)無線通信服務發送數字信息的傳輸方式，如常見的簡訊方式，該種方式只能在無線網路覆蓋的地區使用。電台是通過超短波進行信息傳輸的方式，不需通信費用，但通信距離有限，且受地形影響。話傳和人工數傳都屬於人工方式，不同的是話傳是人工打電話，人工數傳是人工發電報等，均屬於較陳舊的工作方式。

用於水文測驗的儀器設備主要包括巡測車、測量船，水位、雨量自記設備，流量泥沙測驗設備。

巡測車配備了較齊全的水文測驗設備，有常用測量儀器、救生衣、涉水測驗服裝、安裝工具、ADCP等，有的巡測車上還配備機械臂，用於橋上測流。巡測車起到了我國水文站站房的部分作用，可形象地喻作“流動的水文站”。

測船的大小根據測站的水流特性配置，船長約4～6m，寬約2～3m，船體材質為不鏽鋼、玻璃鋼、鋁合金、橡膠等，通常安裝有兩個汽油發動機，功率約為200HP。船上無拋錨設備，配備的主要儀器設備有：易裝卸的ADCP安裝支架、差分GPS、激光測距儀、紅外水溫測量儀、小型電動水文絞車、救生衣等。

水位觀測的儀器設備主要有氣泡式、壓力式、浮子式、非接觸式雷達水位計等，用得較多的是壓力式。用於檢校水位自記儀測量誤差的設備主要有懸垂式水尺，除此之外也有一般的直立式，還有為便於洪峰過後洪痕測量的洪峰水尺。

降水觀測設備主要採用翻斗式雨量計，並具有固態存儲記錄和遙測實時遠傳的功能。

流量測驗主要採用ADCP、H- ADCP及涉水測量的ADP (ADV)，極少測站採用轉子式流速儀測流。ADCP的使用由各州水科學中心統一調度，1台ADCP可用於10～20個測站甚至更多測站的流量測驗，使用效率很高。ADCP在投產前需進行嚴格的比測試驗，以美國密蘇里州水科學中心為例，ADCP在正式投產前，在不同水沙特性的測站，連續至少5～8年與流速儀法比測，測次多達200餘次。在ADCP測流精度滿足要求后，再在所有測站全面推廣應用。