“数字水文”扫描

葛维亚

      "数字水文"是借助现代测量技术、通讯技术、计算机网络技术和软件技术，采集河流及流域的水位、流量、沙量、气象（降雨、降雪、温、压、湿、风）、水质等基础信息，对流域及相关地区的雨情、水情、旱情、冰清、灾情等要素构建整体化数字平台，借助这一平台，以功能强大的系统软件与反映各种数学模型的应用软件，对防汛抗旱、水质监测、水资源管理保护等各种管理和开发方案进行模拟、分析和研究，提供决策支持，增强决策的科学性和预见性。同时，它也为流域水文气象预报以及水利水电工程的规划、设计、施工及管理运用提供更为科学合理的数据。以遥测遥控、尖端通讯为手段，以电脑为核心，实现水文信息收集、传输、存储、整编、加工、应用的一体化、自动化、数字化、智能化、网络化本身，就是“数字水文“的重要体现。这一进程极大推进了以建立自动测报系统为标志的水文现代化，推动了水文信息科学和信息技术蓬勃发展。

       一些国家开发以无线电为主要手段的水文自动测报系统已有60多年的历史。在引入单板机、微机后的开发历史也有40年多年。其中美国、加拿大、英国、日本、意大利等国的水文自动测报系统起步最早，设备与技术比较先进。

       1958年日本富士通株式会社研制的水文自动测报系统运行成功。1974年日本在淀川流域建立自动化洪水预报。之后，日本自1975年建立第一个世界先进的河流信息系统至今，已经开发建立了三代河流信息系统。1975 年日本在木曾川水系建立了河流信息系统。1978年，建设省建成能处理全国数据的河流信息系统。为满足信息的多样化需求，建设省约从1994年开发第二代河流信息系统，即“综合河流信息系统”。信息收集的周期缩短了，监测的数据扩大了。除监测以前的雨量、水位、水库等数据外，增加了对水质、积雪、气象、水土流失、堤坝安全等方面数据的监测。但第二代系统的缺点是信息处理时间仍需要几十分钟，使得信息提供的周期仍无法缩短。为完善第二代管理系统，1997年开发了第三代系统，1999年12月底系统正式启用。 

       1966年美国天气局在波托马克河流域建立了最早的水文自动遥测系统。七十年代开始利用超短波无线电和微机建立更先进的自动遥测系统。80年代初期即开始采用卫星传输水文数据，由于卫星通信具有可靠性高、便于遥测、遥控和实现自动化等特点，采用卫星通信的测站数逐年增加。美国地质调查局目前普遍采用卫星实时数据传输系统，该系统由野外观测站卫星平台、GOES地球同步环境卫星、弗吉尼亚 WALLOPS数据采集与命令中心、卫星地面站、国内通讯卫星与用户卫星平台、地理信息系统(GIS)及数据处理计算机组成。地质调查局在全美有11个卫星地面接受站。卫星实时数据传输系统有四种类型的数据自动记录器：纸带模拟记录器、模拟——数字记录器(ADR)、电子固态存储器(EDL)、数据收集平台(DCP)。数据收集平台可将接收到的数据发送到GOES地球同步环境卫星上。数据收集平台有两种类型：应答式与自报式。应答式DCP因装备有GOES 接收器，而且接收器一直处于待命状态，所以成本及运行费用较高。有鉴于此，地质调查局不使用应答式DCP。自报式DCP有一内置时钟，内置时钟控制DCP 定时发射数据。为避免多个DCP的交叉干扰，每个DCP每4小时在其特定的发射窗口上以事先分配的频道发射1分钟时间，窗口与频道分配由国家地球卫星信息分配系统(NESDIS)决定。为监测突发事件，NESDIS为报警数据发射提供了独立频道。美国建立的美国哥伦比亚河业务水文气象管理系统(CROHMS)，以规模大著称于世。在流域面积67万km2范围内，有80多座水电站。50年代开始至80年代初，基本建成由人工、电传、无线电、通信卫星、流星余迹相结合的水文遥测系统。它拥有10个子系统和1个控制中心和数据库，并由9个联邦政府机构联合协作组建，包括400多个遥测站(共有900 多个站)、100多个中继站，是实时作业警报预报遥测系统。美国各地经常发生突发洪水(山洪)，故分散的小规模的水文遥测系统也很多，正在逐步联网，向大范围、大规模的方向发展。美国先进的自动化水文数据遥测系统和地球静止卫星系统(GOES)进行的水文数据实时传输，以及INTERNET网的应用，已使水文站点做到了无人值守，每个野外水文观测人员负责的站点数高达12～18个。

       除日本、美国外，1970年法国在多尔顿流域、1972年英国在迪河流域、1975年澳大利亚在墨尔本市郊、1976年意大利在欧姆布隆河流域也开始建立水文自动遥测系统，并成功实现了水文数据采集、传输、自动化洪水预报、自动警报等功能。

随着微电子技术、计算机技术、空间技术以及其他新技术的广泛应用，水文遥测系统正向多测站、多参数、多制式、多通道(特别是利用卫星)、多功能 (与其他系统联网)、全自动、低功耗、高精度、长周期和程序包(应用软件)等方向发展。美国地质调查局的水文站网和收集、存贮、检索系统，上个世纪八十年代初经过规划、研制和试点，正在付诸实施，命名为自适应水文资料采集系统(AHDAS)，具体体现了这一发展方向。

面对科技的迅猛发展，从1998年1月美国副总统戈尔的《数字地球》演讲到美国“数字地球”战略计划出台，“数字”便以现代化的化身，便成为国际“现代化战略”发展的核心问题，成为世界各国所关心的热门话题。美国、加拿大、日本、澳大利亚及欧洲发达的国家在自然资源、河流或流域“数字”化管理方面的研究和应用起步较早，促进和逐步实施了现代化管理。它与现代管理、计算机技术、现代通讯技术等紧密的联系在一起，成为科技发展不可缺少的部分。在水文领域内也不例外，海量的和源源不断的水文数字信息流的采集、传输、整编、存储、专业加工、咨询服务等购构成了完整的数字水文系统。这其中水文自动测报系统和各类水文数据库成为“数字水文”的主体。

       构建基于地理信息系统（GIS）的数字水文平台，可以全面实现了地理和水文信息数据的采集、存储、管理、分析、网上发布、空间数据的快速查询、三维可视化显示与输出等一体化的数据流程，从地理空间和专业属性两个方面对现实对象进行查询、检索和分析。由此可见数字水文平台就是水文综合数据组织、管理和应用的平台。

       数字水文系统，就是利用数据库技术建立完善的信息处理和信息存储体系；利用海量数据库和数据挖掘技术建立信息提取和分析体系；利用地理信息系统等工具建立气象、水文、地形地貌、植被、土壤水分、人类活动影响措施等信息的空间分布数字体系；利用中尺度数值预报模式和分布式水文模型建立数字化的空间和时间分布预报体系；依托网络、地理信息系统和数据库等技术，建立为防汛决策、专业应用、电子政务等提供决策支持的信息应用与服务体系。其核心在于如何形成数字化的、覆盖整个指定地域空间的、多重时空尺度的、多种要素的、对水文分析有用的数据产品。

       对于依托“数字水文”的水文现代化而言，要形成与水利信息化相适应的信息服务能力，必须大力建设水文信息数据库，使之成为水利信息资源的重要组成部分。这里有两层含义：一是要丰富数据库的内容，二是要对水文部门内部的各类信息资源进行集成，形成有一定聚合度和服务目标的水文信息资源。同时建立一个基于最先进科技的水文自动测报系统，是非常重要的。

       水文自动测报系统是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。中国对两种制式都在研究和试点；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(水位直接推算流量)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。

       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。