長江水文測報創(chuàng)新實(shí)踐70年

摘要：水文測報是防洪抗旱、水資源保護(hù)、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)支撐?；仡櫫碎L江水文在水文站網(wǎng)及觀測項(xiàng)目、水文監(jiān)測技術(shù)、水文測站管理及資料整編、水文自動測報及預(yù)報等方面的技術(shù)創(chuàng)新歷程，全面展示了長江水利委員會成立70年來長江水文測報技術(shù)取得的成就。提出長江水文將進(jìn)一步采用人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)對傳統(tǒng)水文、水質(zhì)、水生態(tài)、河道監(jiān)測手段和方式進(jìn)行改造與更新，構(gòu)建智慧水文測報信息網(wǎng)絡(luò)，整體提高水文測報科技含量，全面實(shí)現(xiàn)水文測報的現(xiàn)代化與信息化。

關(guān)鍵詞：水文測報;水文站網(wǎng);水文整編;智慧水文;長江流域

中圖法分類號：P332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.002

文章編號：1006-0081（2020）01-0007-06

長江最早的水位測量為公元前約250年的石人“水則”，最早正式有連續(xù)記錄的水位是1865年開始的漢口海關(guān)水尺，最早的水文站為1917年設(shè)立的南通水文站。新中國成立前，由于政局動蕩、戰(zhàn)禍頻繁、經(jīng)濟(jì)凋蔽等諸多原因，長江流域水文測報工作發(fā)展緩慢，至1949年全流域僅有流量站104處，水位站219處，雨量站34處，水文站點(diǎn)稀少，精度較差，大多頻于癱瘓狀況，且其他水文業(yè)務(wù)幾近空白。

1950年2月，長江水利委員會（簡稱“長江委”）正式組建成立，在機(jī)構(gòu)設(shè)置上設(shè)立測驗(yàn)處，下設(shè)水文科，主管水文測驗(yàn)工作，自此長江水文測報工作進(jìn)人新的發(fā)展階段[1]。

1 水文站網(wǎng)及觀測項(xiàng)目

新中國成立初期，為了漢江流域規(guī)劃、荊北放淤規(guī)劃及長江中下游防洪排漬、洞庭湖整治等工程需要，長江委和有關(guān)?。ㄊ校┰陂L江上中游干流、漢江及平原湖區(qū)恢復(fù)、建立了部分控制性水文站，至1955年長江水文測站總數(shù)達(dá)1614處，其中長江委所屬水文測站358處。這段時間，雖然水文測驗(yàn)項(xiàng)目較新中國成立前有所增加，但一般只進(jìn)行水位、流量、降水量、蒸發(fā)量及簡易氣象觀測，只有極少數(shù)測站開展懸移質(zhì)含沙量測量。

1956年的首次長江流域水文基本站網(wǎng)規(guī)劃，提出了大、中、小河流基本站網(wǎng)規(guī)劃的線、面、群的原則，有計劃地保留或加強(qiáng)了原有水文測站，并布設(shè)了新的測站。至1958年，全流域共有水文測站3047處。水文測驗(yàn)項(xiàng)目有較多的增加，懸移質(zhì)、推移質(zhì)、河床質(zhì)、泥沙顆粒，水面比降、水溫、岸上氣溫和氣象及水化學(xué)等測量項(xiàng)目均是這段時期陸續(xù)開展的。長江委部分站1956年開始觀測水溫;懸移質(zhì)及推移質(zhì)測量、泥沙顆粒分析分別開始于1954年和1956年;1958年6月湖口站開展的水化學(xué)分析，可視為長江委水質(zhì)監(jiān)測的起源。

1964年開展了站網(wǎng)規(guī)劃分析驗(yàn)證，1978年充實(shí)調(diào)整，1986～2000年進(jìn)行站網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃等，深入研究了小河站布設(shè)、受水利工程影響地區(qū)站點(diǎn)布設(shè)、水庫水文站觀測的部署原則與方法，并應(yīng)用于規(guī)劃之中。同時，為了水利水電項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計、施工和運(yùn)行的需要，設(shè)立了一批專用站網(wǎng)。截至2005年，長江流域有水文站1633處、水位站698處、雨量站7014處，其中長江委所屬的水文站112處，水位站233處，雨量站24處（未含水文水位站中的雨量項(xiàng)目）。這段時間，水文測驗(yàn)項(xiàng)目基本穩(wěn)定，原有水文測站只限于天然水的常規(guī)水化學(xué)測驗(yàn)，1975年以后陸續(xù)發(fā)展成水質(zhì)監(jiān)測，并設(shè)立水質(zhì)監(jiān)測站。至1985年長江流域建成水質(zhì)監(jiān)測站380處，其中長江委水文局所屬水質(zhì)監(jiān)測站35處。為適應(yīng)水環(huán)境監(jiān)測和水資源管理需要，長江委水文局于1999年開始省界水體水質(zhì)監(jiān)測，2006年正式開展重點(diǎn)水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測。

2012年以來，隨著《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面推行河長制的意見》《國務(wù)院關(guān)于實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》的陸續(xù)頒布，長江流域水文站網(wǎng)已由主要為防洪、基本資料收集、水利工程服務(wù)，逐漸擴(kuò)展到以對流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、防汛抗旱及減災(zāi)救災(zāi)、最嚴(yán)格水資源管理、水環(huán)境治理與保護(hù)、水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)和流域綜合管理提供全面服務(wù)為目標(biāo)。在2012年啟動的《長江流域片流域管理水利綜合監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃》工作中，提出了遵循資源優(yōu)化配置、站網(wǎng)布局科學(xué)、監(jiān)測功能齊全、管理高效和技術(shù)先進(jìn)的原則，在對各類監(jiān)測站網(wǎng)進(jìn)行整合、調(diào)整、完善的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加站網(wǎng)密度，提升水文、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水土保持、河道觀測、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等綜合監(jiān)測能力，實(shí)現(xiàn)“業(yè)務(wù)協(xié)同、資源共享”。截至2016年7月，服務(wù)流域管理的各類站點(diǎn)共13691處，其中長江委測站4614處;并規(guī)劃新增2076處站點(diǎn)，使服務(wù)流域管理總站數(shù)為15767處，其中長江委所屬測站6603處。此階段，長江委水文局測驗(yàn)項(xiàng)目主要體現(xiàn)為水質(zhì)和水生態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目的增加，承擔(dān)了302處地表水和432處地下水?dāng)嗝娴乃|(zhì)監(jiān)測，還在巧處水生態(tài)試點(diǎn)斷面開展水生態(tài)監(jiān)測。

2 水文監(jiān)測技術(shù)

2.1 水位、雨量

新中國成立初期，水位、雨量的采集基本采用人工觀測方式，20世紀(jì)50年代后期開始，長江水文部門先后按浮子式、壓力式、超聲波式、接觸式等傳感方式，采用模擬和數(shù)字等記錄方式，按日、周、月、季、半年等記錄周期研制水位自記儀。自記雨量儀經(jīng)歷了引進(jìn)到自研過程，記錄時長由最初的日延長到3個月。經(jīng)長期摸索與改進(jìn)，至20世紀(jì)80年代，水位、雨量自記儀才逐步開始較大規(guī)模的推廣應(yīng)用，而且也僅限于自動采集，模擬記錄。20世紀(jì)90年代，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，水位、雨量的數(shù)字化采集技術(shù)開始發(fā)展并快速成長。進(jìn)人21世紀(jì)，長江委水文局已實(shí)現(xiàn)全部水文測站的水位、雨量自動采集、固態(tài)存貯和實(shí)時傳輸。

2.2 流量

新中國成立初期，流量要素的采集以浮標(biāo)法或流速儀測速，流速面積法測定，基本上使用轉(zhuǎn)子流速儀。1979年，長江委水文局受水利部水文局的委托，開展動船測流儀器設(shè)備的研制、試驗(yàn)，于1981年研制成功了DCY型動船測流儀。DCY型動船測流儀首創(chuàng)了以陀螺為測角指示方向，解決了將機(jī)械角轉(zhuǎn)換成電訊號的技術(shù)關(guān)鍵，能自動測角和瞬時測速，開創(chuàng)了大江大河流量快速測量的新時期。1985年又研制成功了IHZ-2A型動船測流儀，進(jìn)一步提高了自動化程度。20世紀(jì)90年代，長江委水文局率先引進(jìn)了聲學(xué)多普勒流速儀，全方位地開展了聲學(xué)多普勒流速儀比測試驗(yàn)與研究工作，提出通過使用外接設(shè)備GPS羅經(jīng)，解決了鐵質(zhì)測船對聲學(xué)多普勒流速儀磁場的干擾問題;外接高精度GPS，解決了河床底部沙質(zhì)推移質(zhì)運(yùn)動影響水文測船航速問題，實(shí)現(xiàn)了流量快速測驗(yàn)技術(shù)的突破，構(gòu)成我國相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)及ISO國際標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)支撐，成果獲2007年大禹水利科學(xué)技術(shù)獎二等獎。2009年又陸續(xù)研制了HSH流量計、LJH-2型直讀儀，提高了流速儀自動化水平。2008年以后，長江委水文局提出了寬闊潮汐河口不同位置、不同測驗(yàn)形式的連續(xù)流量集成測驗(yàn)方法，首次實(shí)現(xiàn)了長江口流量和沙量的整編，解決了入海河口潮流量、泥沙監(jiān)測世界性整編難題，成果獲2013年大禹水利科學(xué)技術(shù)獎二等獎。

針對水文測驗(yàn)過河設(shè)備——水文纜道，1956年長江委水文局在北碚水文站首創(chuàng)了我國第一座水文測驗(yàn)專用的機(jī)動纜道，20世紀(jì)70年代后期又對測深、測速、測沙控制和信號傳輸、防雷等組織攻關(guān)，使我國水文纜道技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先水平。長江委水文局2001年主要針對水文纜道的自動控制、智能控制方面進(jìn)行創(chuàng)新，成功研制了“EKZ-1型水文纜道測驗(yàn)智能控制儀”，并在利用纜道測驗(yàn)載體的水文站進(jìn)行推廣應(yīng)用，2013年發(fā)明了水文纜道偏角遙測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水文纜道的流量、泥沙測驗(yàn)自動化或半自動化。

針對水文測驗(yàn)過河設(shè)備——水文測船，1973年長江委水文局綜合各類水文絞車的優(yōu)點(diǎn)，將控制測船、測速、測沙的機(jī)械“三絞”（即絞錨、絞測流與絞測沙設(shè)備）技術(shù)融為一體，設(shè)計定型了GD-150型水文絞車，其基本格局一直沿用至今。2005年，通過對“三絞”在自動控制等方面進(jìn)行創(chuàng)新，研制成功了“EKZ-2型水文測船測驗(yàn)智能控制儀”，2013年發(fā)明了水文測船專用機(jī)械絞車、水文測船支臂裝置，2014年發(fā)明了液壓水文絞車系統(tǒng)、水文檢測儀器通用支架，實(shí)現(xiàn)了水文測船流量、泥沙測驗(yàn)的自動化。

2.3 泥沙

新中國成立初期，懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)基本采用橫式采樣器，其最大的問題在于水樣采取的為瞬時值，泥沙處理時間長，效率極為低下。為提高泥沙采樣效率，長江委水文局于1970年研制并完善了二通道平堵式JL-1型調(diào)壓積時式采樣器;1985年研制了四通道滑閥JL-3型纜道采樣器和ix型采樣器;2005年又研制了YAX2-1型調(diào)壓積時式采樣器，成功用于纜道、測船測站的懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn);2015年為解決臨底懸移質(zhì)泥沙測量難題，研制了雙管垂直連接型臨底懸移質(zhì)測量儀。進(jìn)人21世紀(jì)后，為提高泥沙測驗(yàn)的時效性，長江委水文局引進(jìn)了懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)儀器——現(xiàn)場測沙儀器（如LISST系列儀器，OBS、濁度計等）和泥沙顆粒分析儀——激光粒度分布儀，并根據(jù)長江干流不同河段的泥沙特性，使用不同類型的現(xiàn)場測沙儀進(jìn)行比測試驗(yàn)。2012年發(fā)明了OBS工作狀態(tài)檢測儀、OBS濁度計安裝支架，驗(yàn)證OBS在長江上游和長江口河段的適用性，以及LISST類儀器在中下游河段的適用性，為懸移質(zhì)泥沙的快速監(jiān)測和實(shí)時在線監(jiān)測創(chuàng)造了條件。

對于推移質(zhì)泥沙觀測，全球均無較好的儀器和方法。長江委水文局于20世紀(jì)70年代初期研制完完成了長江73型沙質(zhì)推移質(zhì)采樣器，1978年研制完成Y78-1型沙質(zhì)推移質(zhì)采樣器。1985年7月，Y78-1作為中美雙方交換的推移質(zhì)儀器，在美國圣海侖水文試驗(yàn)站與美國史密斯采樣器比測，獲美國水文界的認(rèn)同，并被列人國際水文技術(shù)交流HOMS咨詢手冊。為解決進(jìn)口流速系數(shù)和采樣效率不佳等問題，長江委水文局于2012年發(fā)明并定型生產(chǎn)了新型沙質(zhì)推移質(zhì)采樣器，在長江上游朱沱、寸灘、武隆、三堆子站投人使用，效果良好。

1964年長江委水文局研制成功了“64型礫卵石推移質(zhì)采樣器”，20世紀(jì)80年代先后成功研制了長江80型、長江80-1型、80-2型礫卵石推移質(zhì)采樣器。針對長江80型或長江80-2型礫卵石推移質(zhì)采樣器儀器的重量較輕，線型、阻水以及不能在水文纜道進(jìn)行卵石推移質(zhì)測驗(yàn)等問題，長江委水文局1994年定型了AYT型卵石推移質(zhì)采樣器，已先后在金沙江三堆子、向家壩、嘉陵江東津沱、烏江武隆等水文站以及三峽水庫變動回水區(qū)江津河段和溪洛渡電站6號導(dǎo)流洞投人使用。

2.4 水質(zhì)

20世紀(jì)5060年代，在水質(zhì)監(jiān)測分析方面，長江委水文局各實(shí)驗(yàn)室僅配備有分光光度計、紫外分光光度計等中、小型儀器設(shè)備，只有監(jiān)測分析常規(guī)十二、三個水化學(xué)參數(shù)的能力。20世紀(jì)80年代，水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)達(dá)到30余項(xiàng)（包括pH、電導(dǎo)率等）。至1997年，長江委水文局各實(shí)驗(yàn)室全部通過國家計量認(rèn)證，獲得了國家級計量認(rèn)證合格證，出具的檢測數(shù)據(jù)具有法律效力。2000年以后，通過“十五”“十一五”期間水文水資源基本建設(shè)以及國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，長江委水文局各實(shí)驗(yàn)室先后配備了四通道流動注射儀、離子色譜儀、氣相色譜儀、液相色譜儀、原子熒光、原子吸收儀等大中小型分析儀器設(shè)備，并能充分利用現(xiàn)有水文測驗(yàn)設(shè)施、設(shè)備完成江、河、湖、庫等各種水域水質(zhì)現(xiàn)場采樣，能較好地實(shí)施水量水質(zhì)同步監(jiān)測，承擔(dān)地表水（含漁業(yè)用水）、地下水、生活飲用水（含天然礦泉水）、廢污水（工業(yè)廢水、城市污水）、大氣降水、底泥質(zhì)與土壤等六大類中無機(jī)污染物、有毒有機(jī)物、水生生物、重金屬、常規(guī)等最多達(dá)126項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測分析及評價，并具有109項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)全覆蓋檢測的能力。2008年，建成了一個移動實(shí)驗(yàn)室，在長江干流漢口和漢江仙桃建成2個水質(zhì)自動監(jiān)測站。至2018年，又建成了11座水質(zhì)自動監(jiān)測站，大大提升了水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測能力、應(yīng)急監(jiān)測能力和在線實(shí)時監(jiān)測能力。

2.5 水生態(tài)

為貫徹落實(shí)黨的十八大關(guān)于加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)的重要精神，水利部將長江流域確定為全國水文系統(tǒng)水生態(tài)監(jiān)測試點(diǎn)流域。2014年，長江委水文局制定了《長江委水文局水生態(tài)監(jiān)測實(shí)施方案》，結(jié)合長江流域水文一水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)，在長江干流、重要支流、兩庫、兩湖及長江口等敏感水域規(guī)劃布設(shè)了36個水生態(tài)監(jiān)測斷面，開展浮游植物、浮游動物及著生藻類監(jiān)測;選擇在三堆子、宜賓、萬縣、宜昌、沙市開展魚苗（魚類早期資源）監(jiān)測;石鼓、三堆子、宜賓、寸灘、萬縣、宜昌、蕪湖、南京、城陵磯、湖口江段開展魚類資源監(jiān)測。從2014年至今，長江委水文局已經(jīng)開展了長江流域巧個水生態(tài)監(jiān)測斷面的試點(diǎn)工作，具體監(jiān)測內(nèi)容包括浮游植物、浮游動物、著生藻類、魚類和魚苗等，首次實(shí)現(xiàn)了水文、水質(zhì)、水生態(tài)同步監(jiān)測。

2.6 河道測繪

長江水文從20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行固定斷面和水道地形觀測，在長江中下游和漢江干流每隔1～5km布設(shè)一個斷面，每年不定期觀測;在長江中下游每隔約5a進(jìn)行一次1：10000比例尺長程水道地形測量。截至2016年7月，長江委水文局在長江干流及漢江干流布設(shè)有3666個河道固定斷面，地形監(jiān)測范圍包括3000余千米長的河道。此外，還開展了大量重點(diǎn)河段的水道地形、流速流向、分流分沙、河床演變及泥沙運(yùn)動觀測研究，為長江防洪、河道綜合治理及三峽、葛洲壩等水利樞紐的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)行等收集了豐富的河道觀測資料和分析研究成果。

在觀測儀器研制方面，長江委水文局于1956年就成功試制長江56型回聲測深儀，1970～1977年先后成功試制南實(shí)1型、南實(shí)2型、南實(shí)3型半導(dǎo)體回聲測深儀，并經(jīng)水電部批準(zhǔn)同意在全國20個重點(diǎn)水庫使用。其后引進(jìn)并吸收的全站儀、自動安平水準(zhǔn)儀、紅外儀、微波定位儀、數(shù)字化儀、GPS、多波束水道地形測繪系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用;在河道自動測繪系統(tǒng)方面，1988年成功研制長江CHC-1系統(tǒng)并在漢江使用，1989年又成功研制了CHC-2、CHC-3、CHC-4型系統(tǒng)，獲1991年“水利部科技進(jìn)步三等獎”。2005年研制了基于GIS的內(nèi)外業(yè)一體化數(shù)字成圖系統(tǒng)等具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件，獲2008年“湖北省科技進(jìn)步二等獎”;在測繪方法方面，1958年提出了水下地形測量的直線航行法，1989年提出了無人立尺地形測量的距離改正方法，獲1991年“水利部科技進(jìn)步三等獎”，2009年提出了利用雷達(dá)結(jié)合GPS羅經(jīng)測量河道水邊界的集成技術(shù)，2015年發(fā)明了利用免棱鏡全站儀的水體平高測量方法，2017年提出了基于聲線跟蹤的水庫深水水深測量方法、水深校正標(biāo)測量方法，并編制了我國第一部《水道觀測規(guī)范》，以上成套技術(shù)獲2015年“湖北省科技進(jìn)步一等獎”。

3 水文測站管理及資料整編

3.1 水文測站管理

新中國成立前，受技術(shù)手段的限制，長江流域水文測站一般采用駐測方式。新中國成立以后，我國于1955年頒發(fā)了《水文測站暫行規(guī)范》，確定了全國水文測站采用駐測方式并一直沿用。1972年，長江委水文局在原使用連時序法進(jìn)行測驗(yàn)與整編定線的監(jiān)利站，試用落差指數(shù)法獲得了水位一流量關(guān)系單值化的初步成果。其后，對受變動回水和洪水漲落混合因素影響的水位一流量關(guān)系單值化處理方法進(jìn)行研究，首次提出了綜合落差指數(shù)的概念，成為我國首個水文巡測隊——洞庭湖水文水資源勘測隊成立的技術(shù)支撐，為實(shí)施測站流量測驗(yàn)的巡測、間測奠定了基礎(chǔ)。為解決懸移質(zhì)泥沙監(jiān)測需同步于流量監(jiān)測影響巡測效果問題，1995年，長江委水文局提出了基于懸移質(zhì)泥沙輸沙率與部分流量歷史權(quán)重關(guān)系的“異步測沙”理論，利用水文測站的歷史資料建立水位一部分流量權(quán)重關(guān)系數(shù)學(xué)模型，借用部分流量權(quán)重計算斷面平均含沙量，使輸沙率測次布置不再受測流歷時的限制，從而達(dá)到輸沙率與流量異步施測的目的，改變了懸移質(zhì)泥沙不能單獨(dú)巡測的歷史。

針對流量、泥沙監(jiān)測時效性問題，長江委水文局于2008年開始對各類儀器、設(shè)備、方法創(chuàng)新進(jìn)行總結(jié)、歸納及推廣應(yīng)用，完成了水文測驗(yàn)方式方法創(chuàng)新，提出了“駐巡結(jié)合、巡測優(yōu)先、測報自動、應(yīng)急補(bǔ)充”的水文監(jiān)測新模式，并在全國率先按新體系、新方式、新方法進(jìn)行運(yùn)行，其成果獲2014年“大禹水利科學(xué)技術(shù)二等獎”。目前，長江委水文局在交通條件較好的勘測分局測區(qū)，能結(jié)合所屬巡測范圍，分別實(shí)施駐測、巡測、間測、校測或幾種方法相結(jié)合的管理模式。對已積累較長系列資料且具有較好水位一流量關(guān)系的測站，已按“無人值守，有人看管”模式進(jìn)行水文測驗(yàn)與管理，并按《水文巡測規(guī)范》要求實(shí)行水文巡測。

3.2 水文資料整編

新中國成立前，水文資料的編印散見于《海關(guān)公報》等刊物，大多系實(shí)測記錄，少數(shù)有水位、雨量的月年特征值。新中國成立初期，在對長江流域歷史水文資料整編刊印過程中，初步提出了圖表格式和整編方法，奠定了“水文年鑒”形式刊布整編成果的基礎(chǔ)。20世紀(jì)5070年代初，水文資料整編一直沿用手工記載、計算和整理，每個水文站資料整編需時約3～5月，效率低下。1974年，長江委水文局編制出了“水、流、沙整編通用程序”，率先開始在DJS-6計算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)電算整編;1985年開發(fā)的以FORTRAN語言為基礎(chǔ)的DOS版整編軟件，在全國范圍內(nèi)廣泛使用，初步實(shí)現(xiàn)了水文資料電算整編標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化[2]。

2001年，長江委水文局組織開發(fā)了基于視窗系統(tǒng)的整匯編軟件，首次覆蓋所有測驗(yàn)項(xiàng)目，并通過使用小波分析理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和回歸分析法，實(shí)現(xiàn)了水文資料整匯編的在線化、可視化，該技術(shù)已納人受水利部委托研制的“南方片《水文資料整匯編軟件》”，于2008年獲“大禹水利科學(xué)技術(shù)二等獎”。2018年，針對最嚴(yán)格水資源管理制度對水文整編時效性要求，長江委水文局運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)，升級完善了南方片《水文資料整匯編軟件》，實(shí)現(xiàn)了水文資料的實(shí)時整編。

4 水文自動測報及預(yù)報

4.1 水文自動測報

新中國成立初期，水雨信息報送主要利用配置的專用電臺和郵電系統(tǒng)的電報業(yè)務(wù)，其后經(jīng)歷了從郵電局（所）拍發(fā)水情電報到配置無線電臺、超短波電臺報汛，從電傳機(jī)報送水情信息到通過X.25及電話語音報汛，這些都是在人工干預(yù)下完成的。流量信息的報送，由人工觀測或從自記設(shè)備上讀取水雨情信息，查讀相應(yīng)流量或整理實(shí)測流量，觀測人員按水情情報預(yù)報拍報辦法編制水情報文，報文經(jīng)校核人員校對，然后通過上述各類傳輸通道，將水雨情信息傳送至相關(guān)防汛指揮、決策部門。

長江委的水文自動測報始于1977年，初期是為了遙測，將遠(yuǎn)距離的水位、雨量觀測數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器、編碼器通過無線傳輸至中心站，最早投入使用的是1985年建成的葛洲壩水位遙測系統(tǒng)。第一個正式投人使用的水文自動測報系統(tǒng)是聯(lián)合國和美國天氣局援建的陸水流域水文自動測報系統(tǒng)，于1986年正式投產(chǎn)使用。通過該系統(tǒng)技術(shù)的消化吸收，經(jīng)多次國產(chǎn)化改進(jìn)，系統(tǒng)仍在正常使用，且運(yùn)行效果良好。其后，隨著水文測報新技術(shù)、新理論、儀器引進(jìn)和研究，1991年成功研制了YAC9100水文自動測報系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水位、降水量的自動觀測、自動存儲、自動報汛，該成果獲1992年“水利部科技進(jìn)步三等獎”。2000年進(jìn)一步開發(fā)了YAC9900、YAC2000水文自動測報系統(tǒng)，能適應(yīng)超短波、PSTN、GSM、GPRS、海事衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星等各類通信技術(shù)，擴(kuò)大了水文自動測報系統(tǒng)適用范圍。從2002年開始，長江委水文局大規(guī)模開展水雨情信息數(shù)字化采集技術(shù)的建設(shè)與應(yīng)用，經(jīng)過3a多的努力，到2005年7月1日，在全國率先實(shí)現(xiàn)了全流域118個中央報汛站水位、雨量的自動測報，其成果獲2007年“湖北省科技進(jìn)步一等獎”。2010年又研制了多路徑水雨情自動測報系統(tǒng)。

流量是水文預(yù)報的重要參數(shù)，一直采用測站人員手工輸入至報汛系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法。為解決流量自動測報問題，在現(xiàn)有的流量未實(shí)現(xiàn)自動在線監(jiān)測的條件下，長江委水文局提出了相應(yīng)流量報汛方法。自2008年開始至2010年底，全局共完成81個測站6個方面共計261項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新成果，包括巡測方案52個，單值化分析41站，流量測驗(yàn)優(yōu)化方案73站，懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)優(yōu)化方案55站，聲學(xué)多普勒流速儀投產(chǎn)34站，激光類現(xiàn)場測沙儀或濁度儀投產(chǎn)8站等，開發(fā)了相應(yīng)流量報汛方法和軟件，在全國率先實(shí)現(xiàn)了流量的自動測報。

4.2 水文預(yù)報

長江水文預(yù)報事業(yè)起步于1950年，1951年發(fā)布洪水位預(yù)報的站點(diǎn)僅沙市、沙洋等幾個站。目前，長江委水文局發(fā)布預(yù)報河段長達(dá)3600km以上，預(yù)報覆蓋流域面積140萬km²以上，對外發(fā)布預(yù)報的站點(diǎn)超過80處。

在預(yù)報模型方面，1950年長江水文預(yù)報全部依靠手工操作，預(yù)報方法依靠相關(guān)圖。1965年，長江委水文局提出了丹江口模型，最早采用單元流域解決降雨不均勻問題。1980年以后，對各類水文預(yù)報模型進(jìn)行了不間斷的改進(jìn)，先后提出了將降雨徑流（API）相關(guān)圖從五變數(shù)改進(jìn)為三變數(shù)和分類單位線及處理方法、分類馬斯京根演算模式及運(yùn)用湖泊演算法進(jìn)行河道洪水預(yù)報的技術(shù)途徑。20世紀(jì)90年代創(chuàng)建了水位動態(tài)跟蹤預(yù)報和水庫動庫容動態(tài)模型演算預(yù)報的CRFPDP模型以及應(yīng)用卡爾曼濾波的產(chǎn)流預(yù)報實(shí)時校正技術(shù)。2010年開展了水力學(xué)模型在三峽水庫動庫容演算調(diào)度試驗(yàn)研究。針對山洪預(yù)警響應(yīng)時間短的特點(diǎn)，2012～2016年，長江委水文局研究并提出耦合陸氣觀測信息的降雨、山洪數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)方法，研發(fā)了致災(zāi)山洪預(yù)報預(yù)警成套技術(shù)，將山洪預(yù)警時效由2h延長至72h，將24h暴雨預(yù)報TS評分由20%提高到40%以上，其成果獲2017年“大禹水利科學(xué)技術(shù)二等獎”。

在預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)方面，1985年長江委從美國引進(jìn)的SM公司的陸水蒲圻水庫洪水預(yù)報系統(tǒng)，是我國洪水預(yù)報作業(yè)現(xiàn)代化的起點(diǎn)。從消化、改進(jìn)完善開始，1990年成功研制了“長江巫山以上河系洪水實(shí)時聯(lián)機(jī)預(yù)報系統(tǒng)”;1995年完成了長江專家交互式洪水預(yù)報系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)了“長江專家交互預(yù)報系統(tǒng)”，投產(chǎn)運(yùn)行了“長江中下游洪水聯(lián)機(jī)實(shí)時預(yù)報系統(tǒng)”，成果獲1996年“水利部科技進(jìn)步二等獎”;2000年，開發(fā)完成了“長江洪水預(yù)報數(shù)學(xué)模型建模系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了常用預(yù)報方法傳統(tǒng)手工建模的計算機(jī)化;20002005年，隨著國家防汛指揮系統(tǒng)及中澳、中瑞等國際合作項(xiàng)目的建設(shè)，建立了長江防汛預(yù)報會商和水情信息服務(wù)系統(tǒng)以及基于WEB/GIS的水文和水力學(xué)相結(jié)合的長江洪水預(yù)報系統(tǒng);2004～2009年，聯(lián)合華中科技大學(xué)開發(fā)了WISHFS水文預(yù)報平臺，在系統(tǒng)通用化上取得突破性進(jìn)展，成果獲2009年“湖北省科技進(jìn)步二等獎”;2008年在以往開發(fā)的洪水預(yù)報系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開發(fā)完成了長江洪水預(yù)報系統(tǒng)，用于日常的洪水預(yù)報，提高了洪水預(yù)報的時效;2012年開發(fā)了長江水情APP并經(jīng)持續(xù)完善，實(shí)現(xiàn)了長江水文預(yù)報的移動服務(wù);20142016年，研制了長江防洪預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)、長江水庫群信息共享平臺，納入長江流域聯(lián)合調(diào)度40余座水庫，實(shí)現(xiàn)了預(yù)報調(diào)度一體化。

在中長期水文氣象預(yù)報方面，1959年長江委在全國水利系統(tǒng)最早開展此項(xiàng)工作，開始在降水預(yù)報與洪水預(yù)報相結(jié)合方面進(jìn)行探索與嘗試。1964年以前，以簡單的天氣要素規(guī)律和水文特征歷史演變?yōu)橹?1964～1975年，提出考慮大氣環(huán)流因子、冷空氣活動路徑等因素分析的過程預(yù)報方法;1975年至20世紀(jì)90年代初，開展了水文學(xué)、天氣學(xué)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計綜合等多方法綜合會商，以定性預(yù)報為主;20世紀(jì)90年代以后，逐漸向定量方面擴(kuò)展，引進(jìn)MM5、WRF數(shù)字天氣模型，開展面向長江流域定量降水預(yù)報試驗(yàn)應(yīng)用。20世紀(jì)末，長江委水文局引進(jìn)了MICAPS天氣分析系統(tǒng)，氣象預(yù)報告別了手工繪制分析天氣圖的作業(yè)。2010年以來，通過接受全球數(shù)字天氣預(yù)報模型的產(chǎn)品信息，開展了綜合定制應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了預(yù)見期延長目的，已開展中期4～7d，延伸期8～20d降水預(yù)報業(yè)務(wù);針對長期預(yù)測，通過引進(jìn)REG-CM4區(qū)域氣候模型，開展了氣候動力學(xué)與數(shù)理統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的長期預(yù)報技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水資源量預(yù)測。

5 結(jié)語

水文是防洪抗旱的耳目和參謀，水資源保護(hù)的科學(xué)依據(jù)，水污染防治的信息源，水環(huán)境治理的指標(biāo)基礎(chǔ)，修復(fù)水生態(tài)的哨兵，構(gòu)成流域水行政管理和支撐河長制實(shí)施的基礎(chǔ)。長江委水文局針對各個時期科學(xué)技術(shù)特點(diǎn)，有針對性地開展技術(shù)攻關(guān)，發(fā)展了大批適應(yīng)長江水文測報的新技術(shù)、新方法，解決眾多水文測報急需解決的實(shí)際問題。今后，長江水文在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，應(yīng)進(jìn)一步利用人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)，對傳統(tǒng)水文、水質(zhì)、水生態(tài)、河道監(jiān)測手段和方式進(jìn)行改造與更新，構(gòu)建智慧水文測報信息網(wǎng)絡(luò)，整體提高水文測報科技含量，全面實(shí)現(xiàn)水文測報的現(xiàn)代化與信息化，這是長江水文測報的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]王俊，熊明.水文監(jiān)測體系創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)研究[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

[2]王俊，熊明.長江水文測報自動化技術(shù)研究[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

（編輯：李慧）

收稿日期：2019-10-31

作者簡介：熊明，男，副總工程師，教授級高級工程師，主要從事水文水資源方面的研究o E-mail：xiongm@cjh.com.cn