水文自动测报系统概述

葛维亚

       水文自动测报系统是指远距离采集和传输水文信息的整套设备及其自动化技术。这一系统包括传感器(一种或多种)、通信设施(有线或无线)以及接收、处理与控制装置等。它要求准确、高效、快速，要求传输和处理的信息量大。正在逐步发展与水文资料的收集、整编、存贮、检索、二次加工、应用服务等多种技术功能相结合，构成以计算机为中心的实时、联机、自动化的水文遥测系统，以适应防汛、抗旱、水利水电工程调度、水资源分配等多方面的需要。

       水文自动测报系统一般由三部分组成；

1.    遥测站的一次仪表 (即传感器和控制设备) ，

2.    信息传输通道 (即通信设备，其中包含中继站或卫星) ，

3.  接收站或接收中心的通信和计算机设备。

       遥测和传输的项目(或称参数)根据需要而定，通信功能则随信息量、距离和选用的通信手段而异，形式多种多样。如遥测范围甚广并受地形等不利条件的限制，往往需设一个或多个中继站转递信息。接受中心一般只有一处，有时需要设一二个分中心。信息向用户分配一般由中心负责。如采用卫星或流星余迹作为中继，往往要与大范围甚至全国的资料存贮检索、情报预报，管理调度等系统联网，则在遥测站上安装资料收集平台，并需设置若干处地面接收站。

      传输制式有两种可供选择，也可结合应用：

1. 自报式，又称主动式。遥测站通过编码器将信息按预先规定的编码方式定时主动地向中继站或直接向接收中心发送，称为定时控制。还可根据需要事先规定，当遥测参数的变化达到一定的数量(如雨量增加1 mm、水位增加1 cm)时，立即向中心发送数据，称为增量控制。一般兼用定时、增量两种控制。自报式具有设备简单、可靠性高、功耗小、费用省、数据过程完整等优点。但遇故障停报又无电话相通，就与中心失去联系。美国和加拿大等国主要采用这种制式。

2. 应答式，又称被动式。遥测站经常处于待命状态和被动地位，当收到中心或经由中继站转来的指令时，立即启动设备将所存贮的时段累积数据(雨量)或实时数据(水位)向中心或经由中继站发送。中心定时地向各遥测站依次巡测，遇有疑问即向该站查询订正；还可根据需要随时向所有遥测站或个别遥测站要求发报。应答式的优点是数据量大、功能较多，既可统一巡测，又可灵活选测，指挥自如(如站上有人驻守)，还可与中心互通电话，使用方便。但设备比较复杂、功耗较大、维修较难、投资较贵，且不宜在多中继站的系统中使用。日本和意大利等国主要采用这种制式。

      中国对两种制式都进行过研究和试点，有的在同一系统中兼备两种制式，以满足多种用途。      

       水文自动测报系统建设必须统一规划，严格论证，并与有关部门和单位协调合作，以充分发挥系统的经济效益和社会效益，并注意节约投资。遥测系统一般适用于需要快速传递水文信息的流域、地区或工程地点。在人烟稀少、交通不变、无人经常驻测的情况下，发展遥测系统可以省人、省钱和有利于弥补驻测站网的不足。因此要求系统能够长期稳定、性能可靠并在恶劣气候条件下保持正常工作；要求保证电源、避免雷击和防止盗窃。国际上已可一次传输16个遥测参数。但蒸发量和流量的实测参数还不能实时联机自动传输。前者可通过传送影响蒸发的有关气候因子来计算蒸发量；后者除少数超声波法和电磁法测流以及利用量水建筑物测流(水位直接代表流量)可以传输外，其他测流方法所得流量数据只能用人工置数机输入信道向中心发送。

       1981年，美国天气局通过联合国VCP (即自愿合作) 计划，向长江陆水流域提供10万美元，用于建立水文自动测报系统。长江委水文局指定我担任这个项目的负责人。为了尽快拟定陆水流域水文自动测报系统计划，熟悉业务，培训人员，特邀请北京大学和电子部广州1907所合作，投入紧张的准备工作。1980年12月，水文局在宜昌南津关举办内外业自动测报系统培训班，由我与欧阳美负责，特聘北大电子系三位教师讲授几门课程。1981年上半年，与水文局领导一道接待了美国天气局副局长克拉克博士和美国政府水文代表团。克拉克在汉期间，陪同他去湖北蒲圻陆水流域实地考察。经同克拉克研究，制定出陆水水文自动测报系统工作计划，包括系统结构、方案拟定、站点选择、所需设备、投资费用、建设日程等。经过几年努力，陆水自动测报系统圆满建成。之后又陆续建成了丹江口等大型水利枢纽自动测报系统和大宁河无人测站卫星通讯系统。据统计，2005至2010年期间，长江流域已有１３５个水文站点实现报汛自动化。这意味着这些站点的全部水位、雨量数据都能实现自记及固态存贮，在半小时内自动传输至国家防总。这１３５个自动报汛站点呈带状分布，设置在川藏高原到上海浦东的５０００公里江面上。自动化报汛从２００５年开始实施，统计数字表明，自动报汛站２０分钟到达流域水情中心的到报率为９９％，３０分钟到达国家防总的到报率为９９％，准确率也达到９９％。报汛自动化的成功实施和稳定运行为保障防洪安全提供了可靠的支撑。

      上个世纪70年代后期，为向防洪调度管理等部门提供实时水文数据，我国长江委以及其他单位开始研制和兴建水文遥测系统。通过20多处小规模系统的试验，积累了一定的技术经验。已经投产应用的水文遥测系统有浙江省的浦阳江，广东省的珠江流域西枝江，长江流域汉江的丹江口库区，黄河流域三门峡至花园口区间的陆浑库区，长江流域的陆水，淮河流域王家坝以上干支流等。系统兼有自报和应答两种传输制式；通信手段有微波、超短波并结合无线电话。上个世纪90年代中后期，我国水文自动测报系统又使用卫星通信设备，发送和接受水文信息。

       采用卫星通信作为水文自动测报系统通信平台已成为一种新的趋势。它的出现从根本上解决了在流域内偏远地区及山区内部署自动测站的通信问题，为水利、水电部门实现全流域水情自动测报提供了重要手段。我国许多重要水文站水设在远离城镇的地方，常规邮电通信较困难。目前采用的信息传输手段主要有短波、超短波、邮电电话和卫星小站，少量使用了国际海事卫星的系统。由于偏远地区陆地公众通信网络覆盖不到，架设专用的地面无线通信网络又在施工、维护等方面存在很大的困难，另外受恶劣环境的制约无法由常规电力提供设备的电力供应。 在这种情况下，卫星通信独具优势。　　

目前水文或水情自动测报领域所采用的卫星系统多种多样，卫星设备型号也很丰富，各个系统都有其独特的优势和特点，同时也存在着不同程度的缺陷。例如多数VSAT可提供较高的带宽和通信速率，但其使用通信波段为Ku波段，受雨衰影响严重，并且设备采购和基建成本较高；某些卫星系统不存在雨衰的影响，但受其系统容量和地面站处理能力的限制，对自动测报领域多用户数据并发业务的处理无法满足用户要求。我国多数使用北斗星系统   海事卫星系统。其中北斗系统可以依据客户和水文信息的需求。提供灵活地的通信组网方案，以满足用户的特殊需求，增强系统的通信保障。

       近30多年来，我国水文自动测报系统发展迅猛，积累了丰富经验，并且刊布了水文自动测报系统技术规范，这对推动自动测报系统的建立与发展，起到至关重要的作用。