第1章 综述
　　水文监测是水文工作中一项最基础的也是最重要的环节。早期的水文监测以人工为主，观测要素主要是降雨和水位。水文监测技术的发展，以及各要素观测仪器的推广应用，创新了水文监测方式和手段，水文全要素监测已经成为现实。本章通过对国内外水文监测技术研究现状的分析，介绍常用水文监测方式及水文要素自动监测技术的发展与应用。
　　1.1 国内外水文监测技术研究现状
　　传统的水文监测仪器2000年前已在国内外普遍应用，以机械类及机械加简单电子类监测仪器为主，用于监测水位、雨量、流速、流量、冰凌、蒸发和泥沙等水文要素。具有代表性的监测仪器有测水位的浮子式水位计、压力式水位计等；测雨量的翻斗式雨量计、虹吸式雨量计等；测流速、流量的旋杯式转子流速仪、旋桨式转子流速仪等；测水面蒸发的E601B蒸发器等；测泥沙的悬移质采样器和推移质、河床质泥沙测验仪器等。
　　20世纪70年代末，现代意义上的水文监测技术被提出并且在短时间内迅速成长。美国SM公司与美国国家气象局在1976年一起开发了一套自动水文监测系统，其在实际使用中取得了很好的效果。1980年以来，由于远程控制设备的进一步发展，数据高效传输和计算机技术、水文监测和洪水管理自动化技术已广泛应用在世界各地。1990年以后，推出的一系列多功能、应用广的声学产品，在水文、气象、海洋、环境等领域都得到了大量的应用。国外在水文监测装备的研发与应用方面起步早，应用广，技术成熟，主要体现在以下几个方面：①新技术运用充分。国外发达国家目前基本上很少生产机械传感类水文仪器，如浮子式水位计、翻斗式雨量计、转子流速仪等。国外水文仪器发展的重要特点是充分运用声光电、化学、生物等新技术，提高水文传感器的可靠性和精度，解决不能测和测不好的问题。国外在新技术研究和新设备研制、应用上起步早，资金投入也较大。现在的传感器技术已不是传统意义上的直观和直接采集的传感器技术，而是大量采用声学、光学、化学、电磁波学、生物学等非直接、非直观甚至非接触的方法进行采集，通过间接和多次转换，实现水文、水质、墒情等参数的传感采集。测流仪器有采用声学原理的多普勒流速剖面仪、时差法流速仪和多普勒点流速仪，这些仪器采用接触测量的方法，方便且准确地实现了断面流速、流量的定点在线实时监测；利用生物学原理的有害水体在线监测仪和荧光菌水体测试仪，实现了水质的监测和有害水体的预警；采用电磁波学原理的仪器有雷达水位计和雷达冰厚仪；采用光学原理的仪器有激光粒度分布仪和水质检测传感器。这些仪器使用方便，提高了仪器的可靠性和监测的精度，使得水位、流速的高精度在线监测，含沙量的高精度、宽范围监测，水质的免维护在线监测日趋成熟。②自动化程度高。国外水文仪器发展的另一个显著特点是自动化程度高、一体化、多参数、易安装、便携、低功耗、免维护。智能型和多功能流速、流量监测仪器可以直接监测到各点流速和剖面流量，还可以通过全球定位系统（global positioning system，GPS）、罗经辅助监测，提高测验精度。多普勒流速剖面仪分为走航式和定点式，不仅可以通过船载方式方便地自动施测断面流速、流量，还可以测量水下地形。在仪器的结构上可一体化、多参数和灵活组合是许多国外先进水文仪器的特点。水质传感器可以任意组成多传感器采集设备，完成多参数的采集和控制。在仪器的低功耗和易安装上，国外先进水文仪器也有优异的表现。地下水位监测仪器可以在自带电源的情况下，可靠工作5年以上，使得免维护成为可能。便携式雷达测速仪器可现场快速测流，常应用于灾害地区应急监测。③应用领域广。国外先进水文仪器水文监测范围广，基本涵盖所有的水文要素，并得到广泛应用。水位监测仪器有雷达水位计、气泡式压力水位计；雨量监测仪器有称重式雨（雪）量计；流量、流速监测仪器有多普勒流速剖面仪、时差法流速仪和电波点流速仪；泥沙测验仪器有激光粒度分布仪；水质监测仪器有各种水质参数传感器和自动控制监测系统，还有有害水体生物类监测仪器和系统；在冰凌监测方面，有声学、雷达冰厚仪等先进仪器。所有这些水文仪器在国内已广泛使用，具有可靠性高、使用方便、功能强大等特点，但价格高、维护维修不方便将是后期应用的瓶颈。
　　早在20世纪70年代我国就开始了先进技术在水文信息采集上的应用研究，但由于技术的不成熟，以及元器件、工艺等方面的可靠性问题，大部分产品都只发展到样机或成果阶段，最多稍有试用。从80年代开始，随着各种技术的成熟，新技术在水文自动监测上的成功应用越来越多，在近10年尤为迅速。新型自动化传感器大量出现，包括水位、雨量、流速、蒸发、墒情、水质等大部分参数都有能可靠测量的自动传感器。通信技术和计算机技术的快速发展助推了水文监测自动化技术的进步。多种通信方式已成功地用于水文数据传输，包括各种有线、无线通信方式和卫星通信。计算机技术的应用使水文自动测报系统可以构建区域性、流域性甚至全国性的水文数据自动采集系统。水文数据在站存储已较普遍使用，做到了长期自记和数据自动处理。声学流速、流量计的应用推动了流速、流量的自动测量。自动测沙仪也有了新的发展，先进的激光粒度分布仪也开始应用。水质、墒情等参数的自动测量扩大了水文水资源自动监测的范围。水文监测技术自动化程度有较大提高。雨量、水位长期自记和固态存储技术得到广泛应用；声学多普勒海流剖面仪（acoustic Doppler current profiler，ADCP ）等先进测流设备逐步推广应用，对传统的缆道与测船测流设备进行技术改造、升级，其自动化水平得到明显提高；水文自动测报系统覆盖率逐步提高；卫星遥感与遥测技术，卫星通信中的语音、数字通信、视频通信等方面均取得很大进展，大大改善了水文生产条件，提高了水文监测的时效性和精度及数据处理与服务能力。总体而言，我国的水位、降水量、流量、蒸发、水质等水文要素的监测技术已基本上实现自动化，在采集方式上向无人值守水文站自动测量、巡测、遥测的方向发展。
　　近年来，大规模集成电路、通信技术、物联网及计算机应用技术的发展与应用，极大地推动了水文事业的发展，水文监测技术和装备也得到迅猛发展，特别是我国广大水文仪器和水文监测自动化研究工作者积极开发具有自主知识产权的技术与产品，部分水文监测技术和水文仪器已处于国际领先的地位。随着国家和地方经济建设的发展，全社会对水资源开发利用需求的程度越来越高，不同规模、不同类型的涉水工程不断上马。众多的涉水工程不仅改变了河流的自然形态，而且改变了水文站所在河段的水、沙特性和测验的控制条件，加上工程运行后的频繁调节，给水文正常测验工作带来了极大困难，特别是给水文测验时机把握、方法选择和测验手段带来了新的问题，也给受水工程和人类活动影响的水文测验技术与装备带来了新的挑战。特别是在附加值高的水文测验技术和设备方面，如用于大型湖泊和水库的水面漂浮高精度自动蒸发监测设备、感潮河段等复杂河段断面流量的在线监测设备、多要素监测数据异构与管理技术等，市场基本被国外产品占据，后期的维护和更新换代存在高昂成本与技术风险。鉴于此，目前我国在水文要素的自动监测技术研究方面需要开展的工作主要有如下几大方面。
　　（1）水面/陆地蒸发量自动监测方面。我国现行观测规范要求，水面/陆地蒸发量观测精确到0.1mm，受传感器计量精度水平的限制及环境因素的影响，水面/陆地蒸发量准确自记属于行业难题。蒸发量自动采集系统的复杂性也在一定程度上影响了系统稳定性，长期以来市面上没有成熟可靠的蒸发量自记设备。近年来，随着水文信息化的发展，水文测验模式逐步从驻测模式转变为巡测模式，雨量、水位等参数已经基本实现自记，蒸发量准确、稳定自记问题已经成为当前制约水文测验模式转变的技术瓶颈。因此，研制计量精度高、性能稳定的蒸发降雨量监测系统显得尤为迫切。
　　（2）流量自动监测方面。河段断面多采用ADCP开展流量监测。在走航式ADCP测流时，不同的底沙运动导致流量测验成果不准确；而采用水平ADCP或定点垂向ADCP中的一种单一设备进行自动监测时，所获取的监测数据用于拟合全断面平均流速时代表性通常一般，导致获取的水文监测数据的准确性、精确度都难以保证。针对这些问题，水利部长江水利委员会水文局开始对ADCP的适应性、模型算法及集成技术进行研究与实践。尝试了水平ADCP和定点垂向ADCP一横一竖相结合的方案，数据采集效率和精度满足规范要求。同时，在计算断面流量方面，目前国内多直接采用流速过程线，通过指标流速拟合、推求断面流量，此种方法往往脉动流速影响较大，造成指标流速数据失真，与断面平均流速的相关性一般，且在长江下游感潮河段应用受限，不能满足分析精度和规范要求。因此，在水力要素复杂的河段开展流量自动在线监测技术与适应性研究十分有必要。
　　（3）泥沙测验、分析与自动监测技术。国际上各种常用的泥沙测量仪器，一般以器测法取样分析、称重为主，横式采样器和积时式采样器均是此类仪器，但现场不能计算观测成果，施测效率与时效性都很差。随着技术进步和社会发展，一些新技术在悬移质泥沙测验中取得了一些进展，先后研制了光电测沙仪、同位素测沙仪、超声波测沙仪、振动测沙仪等，但这些仪器均尚无定型而无法推广使用。通过国际上已定型的基于声学多普勒、光学散射、光学后向散射及激光衍射等原理的测量仪器，建立多种声学、光学监测指标与悬移质含沙量的转换模型，探寻现场实时快速测量泥沙的方法是实现泥沙自动监测的关键技术问题。
　　（4）多要素多通道低功耗采集、控制与集成技术。遥测终端机又被称为远程控制终端（remote terminal unit，RTU），是一种以中央处理器（central processing unit，CPU）为基础的智能装置，是能自动完成水文参数的采集、存储及传输控制，并能与通信系统进行连接，自动完成数据传输的仪器。早期的RTU只是进行简单的数据采集和一些开关量的控制，此时RTU的存储、接口与数据处理等能力均有限。随着监测要素的不断增多，为满足监测方式的多样性、监测环境的复杂性、监测数据的时效性、监测设备运行的稳定性等需求，RTU的功能应不断升级完善，丰富的传感器接口、低功耗运行模式、大容量存储等关键技术指标是自动监测一体化集成要求的趋势。因此，研发处理能力强、速度快，以及数据采集、传输和处理能力一体的多要素多通道采集器也是要解决的水文自动监测集成的关键技术问题之一。
　　（5）水文监测数据管理方面。随着国家现阶段水文现代化监测项目的推进，水文信息自动测量精度和远程通信规约已经较为完善，实现水文全要素监测是大势所趋，而且由于计算机性能的飞速提升，对海量数据进行实时快速处理成为可能。目前，由于监测要素和监测方式的多样性，需要有一个统一的水文监测平台负责水文数据管理与运行，这对专业化的水文监测平台提出了迫切的需求。为实现该平台，需要解决的关键技术问题主要包括全要素监测数据异构平台的构建，以及多元数据的集成接收和管理。
　　1.2 水文监测技术
　　水文监测技术是伴随着人类生活、生产对水文数据的需求而产生的，是随着科学技术的进步而发展的。我国早期的水文监测技术是完全建立在人工观测的基础上，实施的是人海战术，水文监测工作者的工作非常艰苦，汛期的劳动强度之大、危险程度之高，是难以想象的。在汛期，特别是高洪期，水位、降水量实行4～24段制测报，为抢测到洪峰流量，有时连续测流达数小时之久。在20世纪50～60年代，大多采用电报进行报汛，70年代后才有了电话和电台，但遇到雷雨天，常常还是需要通过邮政部门采用电报报汛。直到20世纪80年代，随着各种技术的成熟，新技术在水文测验上的成功应用越来越广泛，越来越成熟，在近10年尤为迅速。总体而言，我国水位、降水量、蒸发、流速、流量、水质等水文要素监测技术已经基本实现自动化。人工观测只是作为一种补充手段，在仪器出现故障时应急使用。人工在站观测、人工在水上操作、人工收集整编资料的方式正在逐步减少。收集资料也更加准确、快捷和自动化。