水文监测技术应用与展望

丁 强

水利部南京水利水文自动化研究所

2004.04 辽宁‐大连

1、水文监测技术是水利信息化的重要基础

随着我国经济社会的发展，对水文信息不断提出新要求，水文观测项目和内容不断增加，对观测手段和方法以及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求；现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，也促进了水文监测技术自动化的发展。

2、水文监测自动化技术的应用和发展

2．1 水文监测的范围与内容
水文监测是水文传感器技术与采集、存储、传输、处理技术的集成。
监测范围：江、河、湖泊、水库、渠道和地下水等水文参数。
监测内容：水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸发、泥沙、冰凌、墒情、水质等。
2．2人工监测技术存在的问题
从水文传统的人工监测技术分析来看，主要存在以下问题：
（1） 记录方式以模拟方式为主，就是数字方式记录的也很难方便的输入计算机处理；
（2）据处理基本靠人工处理判断，费时易错；
（3） 水文信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差，无法适应现代水文的需求。
因此，要用自动化技术促进水文监测自动化的发展。
2．3自动化技术在水文监测上的应用
2．3．1水位的采集和传输
用于自动化监测的水位传感器主要有浮子式水位计、压力式水位计、电子水尺和超声波水位计等。这些传感器可以直接接到RTU上，自动监测水位参数。地下水位的监测与地表水相同。

遥测浮子式水位计
分类：全量，增量
特点：稳定，可靠，优点：成熟、运用最广泛
使用条件：可以建造水位井的地方，使用中要防止水井淤积
输出接口：开关量

压力式水位计
分类：压阻式，气泡式
特点：安装简便，不需要建造水位井， 精度符合规范要求
使用注意：泥沙影响精度，压阻式有时飘、温飘，要定时率定
输出接口：模拟量，串行数据
压阻式水位计长期放在水底，半导体硅片长期被水压变形产生疲劳，由此产生时飘。气泡式水位计将半导体硅片放在水上，测试时再加压，平时处在无压或微压状态，因此时飘很小。温度对压力水位计的影响主要靠测温补偿的方法来解决。使用中要定期率定。国外定期将水位计在实验台上通过率定，找出补偿曲线供采集水位时修正。国内往往是定时将压水水位与水尺水位相比较来完成率定。前者可以保证传感器的线性度，从根本上保证水位采集精度，后者只是在个别水位点上校正，传感器的线性度没有得到改善。

超声波水位计
分类：气介式，液介式
特点：安装较简单，不需要建造水位井，精度符合规范要求
使用注意：有温飘，水面漂浮物影响精度，要定时率定
输出接口：模拟量
在安装时要注意：
1） 安装支架将探头延伸到能测的最低水位点。
2） 为超声波发射有5o-7o的发散角，要保证在此角度内没有遮挡物。

雷达水位计，激光水位计
特点：测量精度高（毫米级），量程大（90米以上），不需要建造水位井，没有时飘、温飘，性能可靠。
使用注意：水面漂浮物影响精度，安装参照气介式超声波水位计，要定时率定
输出接口：模拟量
这两种水位计是从测距仪演变而来，雷达水位计技术成熟，使用方便，但在国内使用不多。激光水位计由于需要较好的反射面，水位测试受到限制。

电子水尺
分类：触点式，电容式，电感式
特点：精度与结构有关，不需要建造水位井，可分段安装
使用注意：野外环境影响稳定工作，适用浅水位检测，定时检查清理接触点
有的电子水尺装有水质探头，可以检测相应的水质参数。因为电子水尺的安装布线有一定难度，设备在野外作业稳定性差，实际使用并不多。

2．3．2降雨量的采集和传输
现在用于自动监测降雨量的传感器主要是翻斗式雨量计。国外有光学雨量计，因价格太贵，国内基本没有使用。

翻斗式雨量计
分类：单翻斗，双翻斗
特点：稳定，可靠，安装简单，已成系列
使用注意：定时清理承雨口，防止杂物堵住
输出接口：开关量
现在我国水文遥测系统主要采集的水文参数就是雨量和水位，以上的几种水位计和翻斗式雨量计都可以用于系统的水位、雨量的数据自动采集。这些水文数据通过遥测系统的通信网可以实时传到所需要的地方，对当地和全国的防汛救灾，水资源调度提供了重要基本资料。

2．3．3流速（流量）的采集和传输
我们一般可以通过测试水的流速和过水断面监测水的流量，所以流速传感器和监测断面的仪器成为测试流量的重要仪器。
流速传感器从其工作方式可以分成转子式流速仪和非转子式流速仪。

转子式流速仪
分类：旋浆流速仪，旋杯式流速仪
特点：稳定，可靠，简单，实用
使用注意：点流速，无自动化系统接口。
转子式流速仪已达到国际先进水平。

非转子式流速仪
非转子式流速仪主要有时差法超声波流速仪、电波流速仪和超声波多普勒流速仪等。

时差法超声波流速仪
特点：能够与自动监测系统接口，在线监测断面流量，适用范围广，精度高。
使用注意：安装困难，泥沙对测试距离有影响，要注意使用条件，精度要率定。
接口输出：串行信号
该产品测试的流速从大到小，测试距离可长可短，可达到2000米，精度高，适用于各种河道和渠道。是目前自动化在线长期监测流量的主要设备。
由于采用的是河道两岸的对装，仪器的安装和信号的调试比较困难。在有行船的河道上就更困难了。泥沙对信号有衰减作用，测流距离长度要考虑泥沙对信号的影响。国外已有成熟产品，国内有引进产品成功应用的经验，但是还没有成熟的国产产品。

走航式多普勒剖面流速测量系统（ADCP）
特点：可检测断面流速和过水断面，使用方便，精度高
使用注意：不适合长时间检测，泥沙对测试距离有影响，要注意使用条件，精度要率定。
接口输出：串行信号
该产品可以检测河床断面和断面流速。可以装在船上或缆道上，用遥控的方法在所测河道断面测试，同时检测出流速、断面和水位，从而完成流量测试，使用方便，精度高。但不适合长时间在线监测。

水平式多普勒剖面流速测量系统（ADCP）
特点：可检测断面流速、流量,使用范围广，精度高，可接入监测系统长时期监测，使用方便。
使用注意：设备装在河道的一侧，泥沙对测试距离有影响。精度要率定。
接口输出：串行信号
水平式也叫侧视式，固定安装在河道的一边，检测断面流速。可以在线监测流速。
该产品测试的流速从大到小，精度较高。测试距离比时差法超声波流速仪测试距离短，适用于多种河道和渠道。是目前自动化在线长期监测流量的主要设备。
国外已有成熟产品，国内有引进产品成功应用的经验，但是还没有成熟的国产ADCP产品。

电波流速仪
特点：用于高洪测流，精度不高，价格较贵
使用注意：主要用于桥测，加测水位后可测流量接口输出：串行信号

缆道测流实现了自动化
缆道测流是水文测流的重要手段，原来缆道测流全靠人工操作，人工记录。现在缆道测流已经实现了自动化，把测流的目的、方法和步骤输入计算机，整个测流的过程和成果的记录、整理和发布全由计算机自动控制并完成，省时、省力和准确、标准。

2 ．3．4泥沙的采集和传输
泥沙采样器
分类：调压式，瞬时式，瓶式
特点：无法自动化监测
近年研制测泥沙仪器：

分类：振动式测沙仪
光电式测沙仪
特点：可接入自动化系统在线检测
振动式适用对高、中泥沙的检测
光电式适用对低泥沙的检测
在推广积时式采样器的同时，研制并试用同位素测沙仪，光电测沙仪，超声波测沙仪，探讨这些测沙仪推广使用和自动测沙、实时测沙的可能性。研制有一定基础的振动测沙仪，压力测沙仪，泥沙仪器等能直接快速测沙的直读式测沙仪器。
现在真正用于自动化在线监测系统现场的测沙传感器还不成熟，需要总结经验，继续完善。

2．3．5水质的采集和传输
监测范围：水温、电导、酸度（即PH）、浊度、溶解氧、铵氮、硝氮等。这些自动监测传感器的出现，为水环境的监测自动化提供了必要的基础，使水环境监测自动化得以实现。
水质自动监测传感器也称在线式水质传感器。
分类：按测量方式分为电极法和分析法，分析法有人工分析法和自动分析法。
电极法：是能长期或较长时间置于被测液体中，连续或间断地测出某一水质参数，并转换成电量输出；
分析法：将水采到仪器中，按不同参数加入各类试剂后进行光谱、化学比对测量。用于巡测实验车和定点实验室。
电极法水质传感器可接入自动监测系统。
分析法用于巡测实验车和定点实验室。与国外相比：国产水质在线自动监测仪器研究起步较晚，在线的水质传感器主要是水温、PH、电导、溶解氧和浊度等五项常规，与先进国家的差距甚大。不能满足水环境在线监测的要求。
使用注意：要注意仪器的使用条件；要定期更换试剂和清洗
水质传感器有别于水量传感器。水量传感器多是物理量，电极法水质传感器在水中都是通过电化学反应测出水质参数，此类传感器在水中连续使用时间的长短主要取决于对反应头的保护和自动清洗装置以及被测水质的好坏。水质好，传感器连续使用的时间就长一些；水质差，连续使用的时间就短一些。一般均要求按规定的定期清洗和换化学试剂等管理办法来保证该类传感器的正确使用。如何发展能够长期使用的水质传感器也是需要研究的。

2．3．6墒情的采集和传输
墒情主要是监测土壤含水量。
定量监测仪器：电子土壤湿度仪，针式土壤湿度仪、时域反射仪TDR
定性监测方法：通过卫星或雷达监测地表面植物生长情况，判断地表墒情变化情况。
接口输出：模拟量
监测方法：烘干法，电测法。
烘干法：主要用于墒情固定站，其主要特点是简单易行，投资不高，且有足够的精度，是检验其他方法测试结果的基础。
电测法：主要用于墒情监（巡）测站，目前国内外使用较多的电测仪器有电子土壤湿度仪、探针式湿度仪、时域反射仪TDR，其中TDR测试精度居高。
通过这些传感器和遥感测试，采集数据到监测系统，系统对资料归纳、汇总、处理后，对灌溉作物需水量和有关参数进行分析计算，对未来土壤墒情和旱情趋势作出预报。通过对土壤水分消退过程的监视，并结合作物生育期需水，拟定出作物灌溉计划。并根据各站实测土壤含水量对土壤墒情预报值进行修正和对土壤水分进行动态模型预报，修改和补充灌溉计划，结合灌区水源状况和工程能力，实现灌溉和抗旱决策的及时性和准确性。

2．3．7灌区流量的自动化
在主要河道、渠道采用时差法超声波流速仪和ADCP进行流量监测外，灌区流量的监测主要是小流量和口门测流。
方法：1）堰槽测流 2）等截面流速流量计
特点：简单，方便，经济，精度较高，可接入自动化系统
使用注意：等截面流速流量计要定期清洗
以上测流量的基础是已知被测断面，水流比较稳定。
国外最近推出雷达明渠/河流测量系统，该系统集成了多普勒雷达测流技术、超声波水位测量技术于一体，利用多普勒频移测量水流流速，计算平均流速，通过水位计算流量。这是一种新的电波流速仪和方法。

2．3．8固态存储技术
目的：水文现场记录数据及资料整编。
现场记录数据和防汛数据可同时在水文自动测报系统中完成收集、处理。
要求：负有水文资料收集的遥测站，应配备现场存贮记录模块，其容量至少应满足存贮3个月以上数据。
为保证资料的正确性，应按规定校核测站设备采集存贮数据的正确性，定时进行比测工作。
存储介质： RAM、EEPROM、IC卡
读取方式：现场读取，远程读取。
采取可靠措施保证全系统时钟精度。固态存贮器数据由计算机读取后，可以自动按照水文资料整编的要求整编成合格的水文资料，方便、准确和快捷。

2．3．9水文自动测报系统
我国水文自动测报系统建设的三个阶段：
1） 初级阶段
2） 发展阶段
3） 网络化阶段
上一世纪七十年代中期开始到八十年代中期为初级阶段。八十年代中后期开始的十余年为（小流域）水文自动测试系统建设的发展期。九十年代后期为适应防汛和水利调度现代化、信息化的要求，以及近代通信、计算机和网络技术高速发展的时代特点，水文自动测试系统的建设进入了网络化阶段。
近三十年的发展历史，水文自动测报系统的建设和技术有了巨大的进步。在不同的历史时期，所建系统快速采集的数据，为防汛和水利调度的决策提供了依据和参考，发挥了相当大的社会经济效益。不少系统除常规水雨情信息外，闸门开度、大坝渗压渗流、灌区水位流量、土壤墒情、风向风速、温度湿度、地下水位乃至在线水质监视参数陆续纳入遥测系统，使遥测系统的功能大为扩展，从而可为防汛、水利调度、水环境管理等各应用服务提供了更多的实时数据
水文自动测报系统运用的先进技术有：
1） 可靠的传感技术。
各种类型的传感技术，声学、光学、力学和化学的传感技术。系统的可自动监测的参数不断丰富。
2） 所有可利用的通信技术。
有线和无线通信技术，自建和公共通信网等。系统的实时传输越来越快捷、准确。
3） 计算机及电子技术。
从单片机到个人电脑、服务器，从高可靠的RTU到双机冗余，系统功能和可靠性不断提高。
4） 网络技术。
从局域网到广域网，从数据库到数据共享，为预报提供了更好的数据基础。系统为地方乃至全国的防汛、水资源调度及时提供准确数据的能力越来越强。
系统组网：超短波、短波、微波、卫星、GSM、GPRS、PSTN
网络组网：光纤、网桥、公共通信
使用注意：
要解决同频干扰，雨衰，信息丢失、延误，带宽等问题；采用公共通信要了解其性能，扬长避短；重要站点和中继站最好要有备用通道。
超短波使用时要解决好同频干扰问题。
遥测站使用PSTN线路时应特别注意防雷措施。
使用GSM短消息信道完成测站数据传输时，有可能因接收拥塞而加大延时甚至丢失，可以通过回信判错后再补发数或与移动通信短消息中心设立数字专线的办法解决。
在遥测站采用卫星终端传输数据时，要考虑其通信容量、传输速率和时延、天线方向性及口径大小和抗风问题。北斗星卫星系统的LS波段基本没有雨衰问题。
因地制宜，充分利用各种通信资源，在有可靠公网通信信道时应优先采用，同时充分发挥专网的作用。随着社会公共通信平台的日益完善，现在我们大量使用这些公共通道，方便，经济为水文监测自动化和水文信息现代化的需要服务，常用的有PSTN，ISDN，ADSL，GSM，GPRS和CDMA。

　2．3．10数据采集终端（RTU）
工作方式：应答式，自报式，兼容式
功能：数据自动采集、存储、处理和传输
特点：高可靠性。适用野外工作，低功耗
多参数采集。统一传感器接口和通信协议标准。目前美国等西方国家的水文传感器的接口标准SDI-12可成为我们传感器接口的选用标准。当然RS-485和RS-232也可成为传感器的接口标准。
多功能。集采集、存储、传输为一体。
智能化。超限加报，远程编程，故障自检。目前国外RTU已广泛采用此项技术，国产设备在远程诊断管理方面与国际先进水平还有较大差距，尚需努力提高。

2.4. 水文监测难点的探讨

2.4.1高洪测流
高洪水是水文监测的难点之一。高洪水的检测最初采用浮标法，方法简单，精度不高。现在尽管已有电波流速仪等的检测仪器，可是精度和浮标法差不多，价格较贵，给推广应用带来困难。
国外近几年在高洪测流中发展雷达检测技术，推出的微波平面扫描多普勒河流高洪测流仪（MDR），雷达扫描河流平面高洪测流系统，由于测试的是面流速，精度比测点流速的电波流速仪要高，为高洪测流提供了新的手段。

2.4. 2低水位、小流量测流
北方枯水期河道的小流量测流，使用时差法超声波流速仪和多普勒剖面流速（ADCP）检测，因受仪器的使用条件限制，无法对这种低水位，小流量的监测，至今也尚未有较好的方法。1200KHZ频率的宽带ADCP浅水工作模式可对一定条件的低水位、小流量的河道和渠道测流。
近年来，随着水资源实时监控与调度系统提出对小口门出流的测量，以及城市排污口流量测量。此类测流多采用的是堰槽等水工建筑方法测流，测量范围受到一定的限制。

2.4. 3冰凌检测
冰凌厚度和冰下流速的检测也是水文监测内容。可是至今还没有完善的仪器方便地进行检测。无需打孔测冰厚的超声波冰厚仪因使用受使用环境和条件的限制，仪器使用不多和发展不大。冰下流速的检测至今也未有较好的方法。

　2.4. 4水质检测
水质在线监测的传感器基本靠进口设备，投资和运行成本大。
同时因为国外传感器是根据他们国家的河流和水文情况，他们的规范研制的，这些仪器在研制国用得好，由于我国的水质条件要比发达国家的水质差很多，不一定在我国水文检测上也能用或也能用好。要根据我国的国情引进和使用进口仪器，并逐步发展我国的水质传感器取而代之。

3、水文监测工作的展望

分析我国水文监测的现状和存在的难点，我们认为水文监测的发展方向是：
3.1发展巡测系统
对于以上水文检测存在的难题，巡测是解决问题的重要手段之一。
发展巡测系统有利于解决需监测的控制点和断面多，完全发展在线自动监测不现实的矛盾。有利于建立突发事件引发的水灾害的应急机制。例如水体突发污染、洪水暴发等突发事件的跟踪监测和控制。有利于发展检测站点无人化，解放生产力。
巡检的内容有流（速）量，泥沙，水质等水文参数。巡检的方式是定时定点或在有突发性事件时，由相关检测人员带着仪器到检测点进行相关水文参数的监测。
巡测车是巡测的最好工具，配备检测水文参数的仪器，可以进行自动、人工检测和桥测。在巡测车上配备通信设备，在通信条件允许的条件时，巡测车将现场检测的数据实时发到中心站。
3.2传感器设备集成化
在水文传感器中，我国除机械类水文传感器与国际先进水平相当，其他水文传感器均落后国际先进水平，设计的要求和理念的差距是重要原因之一。传感器不再单是被测对象的感知设备，它感知的是光波、电波和压力的变化，转换到水文数据的变化要经历复杂的计算和处理，这些计算和处理的过程和数据的存储、传输过程称为传感器设备的集成化。
从引进国外先进水文仪器可以感受到传感器设备集成化程度是越来越高，已成为传感器设备的发展趋势。我们从开始研制设备时就应按此要求去做。
3.3自动化设备智能化
智能化是指可以代替人脑进行判断，根据不同情况作出决定的能力。水文自动化设备使用的范围、内容和情况繁多，我们要求设备能够自动根据各种条件进行判断，自动作出正确动作。智能化的发展使设备的运用更实用、可靠和安全、简单。是自动化设备发展的方向。
在水文自动测报系统中遥测终端智能化表现在：超限加报，主备信道切换，参数配置，电源监视，看门狗和自检功能等。
3.4远程检测、编程和管理
理论上远程检测、编程和管理也是智能化的一部分，这里拿出来讲是因为它的特殊性。通过系统或网络对其节点的设备进行远程检测、编程和管理需要通信网和相应软硬件的支撑，是个综合功能的体现。该功能使自动化系统更灵活多样，组网和维护更方便。
目前国外RTU已广泛采用此项技术，国产设备在远程检测、编程和管理方面与国际先进水平还有较大差距，尚需努力提高。

4、关于今后工作的建议

4．1、加强水文仪器应用理论研究
一方面要通过引进、消化先进技术和设备，提高我们水文现代化的水平，同时我们还要加强水文专业和与此相关专业的研究，提高理论研究水平。这点对于我们一个大国，要想搞好符合我国国情的水文自动化是非常重要的。
理论研究是指应用理论的研究。研究目的是为了更好地运用，更好地指导我国水文自动化和提高其水平。
4.2、及时制定和修订相关规范
规范和标准是对重复事物和概念所做的统一规定，是科学、技术和实践经验的结晶。制定相关的规范，是指导相关专业进步的重要内容。规范要紧跟水文仪器、设备和自动化系统的步伐，这样才能规范市场，促进发展。一个典型的例子就是：水文自动测报系统30年来发展的历史，就是伴随着三个时期的水文自动测报系统规范的历史，在水文自动测报系统规范的指导和规范下，我国的水文自动测报系统已经达到国际先进水平，同时又符合我国的国情。
加强标准及规范的制订工作，为系统的规划、系统以及传感设备、监测设备、传输模式、通信规约、数据存储提供规范依据，防止低水平重复开发和无序竞争，为信息自动化搭建共享平台。
4．3、控制产品质量，执行水文仪器产品准入制
水文仪器是用在特定的恶劣条件下工作的设备，它的研制是一个专业学科，同时也是多学科、多专业的综合开发，它的生产是一种高技术和多工艺的专业生产。一般是研制和生产的要求很高，批量不大，与民用品和工业品生产有较大的不同。若设备的原理和关键技术没有掌握，工艺和制造水平有限，生产的产品性能,可靠性、稳定性受到影响。
要使我国水文仪器随着水文现代化同步发展，搞好水文仪器研制和生产是重要条件之一。按照标准和规范，用准入许可制来规范水文仪器的研制和生产，控制产品质量也是必要的。
我国现在实行的水文仪器由水利部质检中心进行质量检测，由国家质检部门颁发生产许可证的质检制度对规范水文仪器的研制和生产，控制产品质量起到了很好的作用。今后应进一步强调和强化这一制度，
4．4、加大科技投入，设立水文仪器专项研发资金
水利、水文行业具有公益性、生产性二方面的特点。在水文传感器中，除机械类水文传感器与国际先进水平相当，其他水文传感器均落后国际先进水平，科研投入与产出严重不协调是其重要原因。因此，科研投入一方面依靠市场利益驱动外，同时也需要政府的支持。特别是基础理论的研究，重点课题的攻关和基本装备的研制，都需要主管部门的组织和政府资金的支持。
世界上大部分国家的水文仪器都是由政府投入，我国至今缺乏这方面的资金，靠市场少量资金是无法支撑我国水文仪器事业的发展，建议设立水文仪器专项研发基金，促进水文自动化的快速发展。(来源于中国水利部网站)