朱信澤，劉融融，陳 哲，高玉娟，王志偉

（1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局，江蘇 鹽城 224002；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210019；3.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 概述

水文監(jiān)測(cè)設(shè)施作為獲取水文數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)平臺(tái)，是確保水文專業(yè)工作正常開展的硬件基礎(chǔ)，對(duì)水文監(jiān)測(cè)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)展開研究可為流域防洪抗旱、水資源調(diào)度、江河湖泊治理等各項(xiàng)工作提供決策依據(jù)［1］，對(duì)于流域規(guī)劃、水利開發(fā)、興利除害具有極為重要的意義［2］。水文監(jiān)測(cè)設(shè)施水位觀測(cè)是水文監(jiān)測(cè)重要組成部分，觀測(cè)數(shù)據(jù)是研究河流形態(tài)、河床演變、水沙運(yùn)動(dòng)、水資源開發(fā)利用等工作的重要依據(jù)。

江蘇省內(nèi)河流水網(wǎng)密集，水文設(shè)施眾多，建設(shè)任務(wù)繁重。據(jù)2022年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，江蘇省共有省級(jí)及以上水位自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站點(diǎn)366 個(gè)，其中省級(jí)30 個(gè)，國(guó)家級(jí)336個(gè)，主要分布在江蘇省平原區(qū)，覆蓋省內(nèi)13個(gè)地級(jí)市［3］。目前，江蘇省正全力推進(jìn)《“十四五”水利發(fā)展規(guī)劃》《江蘇省“十四五”水文發(fā)展規(guī)劃》重點(diǎn)任務(wù)落地實(shí)施，加快推進(jìn)水文基礎(chǔ)設(shè)施和信息化建設(shè)，提升水文監(jiān)測(cè)能力。

隨著江蘇省水文設(shè)施建設(shè)投資渠道逐漸增多，水文信息化要求不斷提高，水文設(shè)施建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)代工程建設(shè)要求存在較大的差距。水文設(shè)施建設(shè)如何適應(yīng)現(xiàn)代水利工程發(fā)展面臨著挑戰(zhàn)［4-6］。江蘇省水文設(shè)施位置偏僻分散、體量小，其設(shè)計(jì)與建設(shè)缺乏詳細(xì)可靠的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)資金與時(shí)間成本難以控制，運(yùn)維管理經(jīng)驗(yàn)匱乏。在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中的難點(diǎn)主要表現(xiàn)為：①建設(shè)條件特殊，設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)有待統(tǒng)一；②專業(yè)性設(shè)計(jì)缺乏，整體設(shè)計(jì)水平有待提高；③施工管理難度大，工程“轉(zhuǎn)分包”情況普遍，傳統(tǒng)施工方法及工藝亟待改進(jìn)；④缺少標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的控制指標(biāo)要求和工程驗(yàn)收規(guī)范，工程質(zhì)量難以保證⑤改造維護(hù)困難較多，運(yùn)行管理水平有待提高［7］。

標(biāo)準(zhǔn)化是國(guó)家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的基礎(chǔ)制度和重要方法，在水文設(shè)施中的應(yīng)用研究也隨著實(shí)踐而愈加深入。如，國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)一期工程建設(shè)中，根據(jù)地下水位監(jiān)測(cè)設(shè)備特點(diǎn)，以及使用環(huán)境和使用要求特殊性，建立了一套較完整的產(chǎn)品質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)化體系，為水位監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施提供了模板［8］。

沒有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)范的水文基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，就難以保證水文監(jiān)測(cè)成果的精確度和可靠性，更加難以基于水文數(shù)據(jù)做出精準(zhǔn)的分析研究與規(guī)劃決策。因此，適應(yīng)水文現(xiàn)代化建設(shè)的新形勢(shì)，水文行業(yè)亟待繼續(xù)深化水文設(shè)施建設(shè)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化［6-10］管理，探索水文設(shè)施產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的變革，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)在水文設(shè)施設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行全周期中的應(yīng)用［11-12］。

本文旨在針對(duì)江蘇省水文設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀，以《水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》為基礎(chǔ)，著眼行業(yè)需求與發(fā)展前景，聚焦水位監(jiān)測(cè)設(shè)施，提出標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則與要求，分析標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例，展望水文設(shè)施設(shè)計(jì)與建設(shè)的工程信息化發(fā)展前景，為在江蘇省內(nèi)普及水文設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與裝配化施工打下基礎(chǔ)。

2 水位觀測(cè)設(shè)施

2.1 現(xiàn)狀分析

目前，江蘇省內(nèi)水位監(jiān)測(cè)方式可分為人工觀測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)，不同監(jiān)測(cè)方式需不同的水位監(jiān)測(cè)設(shè)施。人工觀測(cè)的水文設(shè)施為水尺，需建設(shè)水尺樁。自動(dòng)監(jiān)測(cè)是當(dāng)前水文發(fā)展的趨勢(shì)，需根據(jù)不同的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備建設(shè)水位觀測(cè)平臺(tái)。目前比較成熟的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備有全量編碼浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)和超聲波水位計(jì)（氣介質(zhì)、液介質(zhì)）、雷達(dá)水位計(jì)。對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)需建設(shè)的水位觀測(cè)平臺(tái)，一般根據(jù)測(cè)站的地形條件、水位變幅、河道沖淤變化和采用的自記儀器等情況，因地制宜地建設(shè)浮子式水位計(jì)觀測(cè)平臺(tái)、水位計(jì)支架、水位計(jì)管道等觀測(cè)設(shè)施。其中，搭載浮子式水位計(jì)的水位自記臺(tái)是江蘇省內(nèi)應(yīng)用最多的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施，總數(shù)超570 座，約占全部測(cè)站基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量的60%，其技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、故障少且容易處理、維護(hù)簡(jiǎn)單方便，不易受外界條件影響，適用范圍廣，已成為當(dāng)前存量最大、同時(shí)未來(lái)建設(shè)發(fā)展增量最廣闊的水文設(shè)施。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則

浮子式水位自記臺(tái)適合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的部分包括測(cè)井、基礎(chǔ)、進(jìn)水管、棧橋等，針對(duì)儀器室尺寸、測(cè)井尺寸、巡臺(tái)寬度、棧橋?qū)挾?、進(jìn)水管直徑等設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。儀器室建筑風(fēng)格在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方案和仿古設(shè)計(jì)方案中按需選擇。棧橋按軸跨及棧橋?qū)挾冗M(jìn)行系列化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，拆分為柱墩、支柱、帽梁、棧橋板等結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化處理，進(jìn)而將自記臺(tái)單項(xiàng)構(gòu)件設(shè)計(jì)為通用型單元，形成模塊化拼裝結(jié)構(gòu)。依據(jù)不同的測(cè)驗(yàn)河段特性，初步確定水位自記臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)，見表1，島式自記臺(tái)設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

圖1 島式自記臺(tái)設(shè)計(jì)示意（單位：高程m；其余尺寸：cm）

表1 水位自記臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

以符合控制指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，結(jié)合測(cè)驗(yàn)斷面選定預(yù)制構(gòu)件，采用模塊化裝配浮子式水位計(jì)的觀測(cè)平臺(tái)，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)施工方式，具有設(shè)計(jì)門檻低，節(jié)約采購(gòu)、運(yùn)輸成本，施工難度低，對(duì)周邊影響小，工期大大縮短，質(zhì)量控制有保障，降低對(duì)河道防洪、行船的影響，便于統(tǒng)一維護(hù)管理等優(yōu)勢(shì)。

3 標(biāo)準(zhǔn)化與BIM的結(jié)合

BIM 技術(shù)是一個(gè)軟件集合，通過(guò)數(shù)字化技術(shù)建立一個(gè)三維建筑工程計(jì)算機(jī)模型，數(shù)據(jù)來(lái)源于完整的、基于工程實(shí)物參數(shù)的建筑工程信息庫(kù)［13］。信息庫(kù)中包含各類構(gòu)件的幾何信息、屬性及位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，大大提高了工程的信息集成化程度。

隨著國(guó)內(nèi)BIM 在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的普及，在設(shè)計(jì)與施工中積極結(jié)合BIM 標(biāo)準(zhǔn)化、可視化、數(shù)字化、動(dòng)態(tài)性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等特點(diǎn)，將在工程設(shè)計(jì)、決策、實(shí)施、交付使用的工程全生命周期中發(fā)揮重要作用。實(shí)現(xiàn)三維可視化仿真，形象直觀地展示工程，實(shí)現(xiàn)精細(xì)設(shè)計(jì)、量算優(yōu)化、輔助決策、施工仿真、場(chǎng)地規(guī)劃［14-15］。同時(shí)成為多方協(xié)作的信息共享平臺(tái)，通過(guò)權(quán)限控制，讓工程多方高效地共同參與項(xiàng)目各階段技術(shù)問(wèn)題的處理。

在實(shí)踐中，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)特點(diǎn)，追求將其深度融入標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的水文工程全周期生命中。設(shè)計(jì)階段，通過(guò)BIM 平臺(tái)數(shù)字化并整合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成果，完成參數(shù)化建模，快速確定位置布局、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)模數(shù)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量、計(jì)算造價(jià)［16］。實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提升精細(xì)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，便于布置方案比選論證與決策、快速調(diào)整優(yōu)化方案、提高方案合理性、減少設(shè)計(jì)變更、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量與造價(jià)、快速獲取工程數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步縮短設(shè)計(jì)周期與成本。

建設(shè)階段，基于BIM 實(shí)現(xiàn)三維可視化施工模擬、施工安全評(píng)價(jià)、優(yōu)化混凝土裝配構(gòu)件及其他物資材料的采購(gòu)和管理，提高施工效率、保證安全生產(chǎn)、控制施工質(zhì)量與成本［17］。

水文設(shè)施使用階段，將BIM 融入管理體系，提升工程安全防護(hù)規(guī)劃、提高運(yùn)維管理水平和效率、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取數(shù)據(jù)，助力推進(jìn)水文信息化建設(shè)。

當(dāng)前BIM 多應(yīng)用于水位自記臺(tái)主體建筑物設(shè)計(jì)，測(cè)井、支架、儀器室和棧橋較為符合BIM 建筑設(shè)計(jì)模塊的內(nèi)容，將自記臺(tái)各主體建筑物設(shè)計(jì)于同一BIM 項(xiàng)目?jī)?nèi)，不僅有利于水位自記臺(tái)各建筑物的協(xié)作設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以增加水位自記臺(tái)與場(chǎng)地的聯(lián)系緊密程度，提供精確的場(chǎng)地測(cè)量和分析。在這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，BIM 技術(shù)還可以同時(shí)進(jìn)行工程量的初步統(tǒng)計(jì)。

目前市場(chǎng)上常用的BIM 核心建模軟件包含Bentley、Aichi CAD、CATIA、Revit 等。以應(yīng)用廣泛、功能強(qiáng)大的BIM-Revit 為例，其包含建筑設(shè)計(jì)模塊（Revit Architecture）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊（Revit Structure）和機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)模塊（Revit MEP）。模型基礎(chǔ)構(gòu)成稱為“族”，其可視為工程建筑的拆分模塊，可統(tǒng)一定義、修改屬性參數(shù)與水文設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、裝配化施工目標(biāo)和要求具有內(nèi)在共性。

4 實(shí)例分析

4.1 項(xiàng)目概況

江蘇省市際河道斷面水文監(jiān)測(cè)工程，根據(jù)《江蘇省水文事業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中加強(qiáng)行政區(qū)界水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)的要求，計(jì)劃在市際行政區(qū)界設(shè)立水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，實(shí)施水質(zhì)水量同步監(jiān)測(cè)，達(dá)到控制行政區(qū)域內(nèi)80%的出入境水量并實(shí)現(xiàn)量質(zhì)同步監(jiān)測(cè)，共布設(shè)421處控制斷面。項(xiàng)目旨在為全省水資源管理及河湖長(zhǎng)制管理服務(wù)，著力構(gòu)建全面服務(wù)“最嚴(yán)格水資源管理要求”的市際行政區(qū)界水資源監(jiān)測(cè)站網(wǎng)體系，加快實(shí)現(xiàn)“監(jiān)測(cè)要全面、數(shù)據(jù)要可靠、成果要應(yīng)用”和“監(jiān)測(cè)全覆蓋”的工作目標(biāo)。

4.2 設(shè)計(jì)比選

本文以江蘇省市際河道斷面水文監(jiān)測(cè)工程中新建蘆涇港水文站水位自記臺(tái)為例。蘆涇港水位站作為南通百年潮位站天生港站的水位觀測(cè)站房的補(bǔ)充水位站，它的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，可準(zhǔn)確及時(shí)提供南通城區(qū)段長(zhǎng)江潮位的信息，為南通防汛防潮防臺(tái)提供第一手水情潮位資料，需在蘆涇港閘下游新建水位自記臺(tái)，按照南通長(zhǎng)江段標(biāo)志性水文站點(diǎn)設(shè)計(jì)建設(shè)。本站作為百年老站，需要大力進(jìn)行保護(hù)和發(fā)展。擬于本工程中在天生港電廠外選址建設(shè)島式水位觀測(cè)平臺(tái)，經(jīng)南通分局對(duì)上下游河道水上水下地形反復(fù)比對(duì)，擬于蘆涇港閘站處建設(shè)蘆涇港水位站，用于逐步替代天生港水位站。新建蘆涇港水位站位于蘆涇港閘下入長(zhǎng)江口處，位于天生港水位站下游約2.3 km處。

對(duì)蘆涇港水文站水位自記臺(tái)分別采用傳統(tǒng)二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)與BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，成果見圖2，BIM建模設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)CAD平面設(shè)計(jì)對(duì)比見表2。

圖2 水位自記臺(tái)三維模型

表2 BIM建模設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)CAD平面設(shè)計(jì)對(duì)比

應(yīng)用以BIM-Revit 為代表的BIM 建模軟件結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可以大幅提升設(shè)計(jì)效率與成果展示效果，降低設(shè)計(jì)建設(shè)成本。但同時(shí)不能忽視CAD 平面設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備工作量更小，單張圖紙繪制更便捷，相關(guān)人才與經(jīng)驗(yàn)更加豐富的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮其在前期多方案比選等方面的作用，實(shí)現(xiàn)BIM 建模設(shè)計(jì)與CAD平面設(shè)計(jì)的靈活選擇與技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

5 總結(jié)與展望

本研究初步展望了水文設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，填補(bǔ)了水文設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化研究的空白。研究提出了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的要求及優(yōu)勢(shì)，展望了在設(shè)計(jì)建設(shè)全周期與BIM 的深度結(jié)合，結(jié)合工程實(shí)例，分析了BIM 建模標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)水文設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化、信息化設(shè)計(jì)在江蘇省乃至全國(guó)推廣具有重要意義。

水文設(shè)施面廣量大，分類分項(xiàng)較多，目前，水文設(shè)施設(shè)計(jì)指標(biāo)與參數(shù)研究成果尚不能全面覆蓋水文監(jiān)測(cè)設(shè)施，相關(guān)設(shè)計(jì)成果亟待細(xì)化定型，今后應(yīng)在積累建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐步優(yōu)化并完善標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案。