现代水文监测技术

内容简介

本书按照现代水文监测体系的框架和“驻巡结合、巡测优先、测报自动、应急”的水文监测模式，介绍了新的现代水文监测技术及其应用实践，主要内容包括现代水文监测体系、降水与蒸观测、水位观测、流量测验、泥沙测验、地下水和墒情监测、水质现场快速监测和在线自动监测、水生态监测、水下地形测量、应急监测、水文巡测组织与实施、水文自动测报系统、水文数据处理与管理等方面的新方法、新技术及其应用实践介绍与评述，对水文监测展的趋势、智慧水文监测体系和新的技术进行了展望。本书可供水文水资源及水生态环境保护等领域的科研工作者和水利工程技术人员参考，也可作为高等院校相关专业的本科和研究生教材以及水文系统干部职工的培训教材。 2100433B

水文监测由监测中心、通信网络、前端监测设备、测量设备四部分组成。

◆ 监测中心：由服务器、公网专线（或移动专线）、水文监测系统软件组成。

◆ 通信网络：GPRS/短消息/北斗卫星、Internet公网/移动专线。

◆ 前端监测设备：水文监测终端。

◆ 测量设备：雨量传感器、水位计、工业照相机或其它仪表变送器。

水文监测传感技术

传感技术是指从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器（又称换能器）、信息处理和识别的规划设计、开发、制/建造、测试、应用及评价改进等活动。

水文监测数据采集技术

数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

水文监测无线通信技术

无线通信主要是指超短波及微波电台，采用DSP数字处理，软件可调，实现远距离数据传输的通信方式，北

京节点通有成熟的应用。

水文监测一般由信息采集、信息存储和信息传输等3个部分组成。水文信息通过传感器或人工方式获取后，以一定的方式记录和存储，一些需要实时水文信息的测站采取一定的方式传输到相关部门。

改革开放前，我国资料收集一般为人工方式，经过近十几年技术飞速发展，资料收集的自动化程度和现代化水平得到了极大提高。总的来说，水位和雨量收集的自动化程度要远远高于流量。一些流域和地区的水位和雨量信息已经具备了较高的自动化水平，其中的一些（如长江干流以及其主要支流出口处的所有水位、雨量项目）已经实现了采集、存储和传输的全程自动化。相对而言，流量、泥沙采集新技术和新仪器还不成熟，并无实质性的进步。

流量测验的载体有缆道、测船、水工建筑物、桥梁等。其中缆道、测船和桥梁作为传统流速仪法测流的施测载体，基本原理相同，只是根据不同的测站条件选择适用的载体形式，并且只能通过升级载体的机械自动化水平来达到半自动化测流；水工建筑物利用水工程的相关信息施测或推算流量，属于间接流量测验方式；1956年长江流域规划办公室（现长江水利委员会）在北碚站上架设了我国第一座机动水文缆道，缆道因其的成本较低，通用性较好且技术成熟，我国目前有一半的流量测验断面选择其作为主要测验方式，这些断面较多地分布在适合建造缆道的中小河流和河流的中上游地区。早期的桥测很多是修建水文专用测桥，20世纪七八十年代曾达到高峰，其后桥测方式逐渐减少。测船方式的成本较大，20世纪五六十年代，测船水文绞关、过河索吊船等技术取得了很大进展，因而这一段时期，水文测站采用船测法，特别是过河索吊船方式的较多。水工建筑物的使用条件很苛刻，只能应用在具备条件的地方，所占比例较小。流量测验基础设施和设备，绝大多数是在20世纪七八十年代配备完成的，二三十年来，很多设施经过了更新改造，自动化程度总体上有所提高，但在测验方式方面并没有大的改变。

流量的记录型式主要有自动测报、固态存储和人工观读。自动测报实际上是指流量测验从采集、存储到传输的一系列过程的自动化，目前只有极少数测站达到这一水平，固态存储均指流量信息采集后通过计算机等电子设备加以计算处理和记录存储。人工观读是最为传统和效率最低的方式。

水文信息传输方式主要有PSTN、卫星、无线公网、电台、话传、人工数传等。PSTN通过程控电话拨号数模转换传输数据，理论上，有固定电话的测站配备调制解调器后均可以实现，成本也比较低，然而很多水文测站分布在人烟稀少的偏远农村，农网电话线路可致使数据传输出错，这是PSTN并不是很普及的主要原因。卫星传输是经过测站的卫星数据发射器传送、通过卫星转发的方式，目前长江流域普遍采用的卫星有海事卫星Inmarsat -C和我国自主研发的北斗卫星两种形式，卫星方式基本不受区域限制，但是通信费用相对较高。无线公网是通过移动服务提供商提供的2G (GSM)或2.5G (GPRS、CDMA)无线通信服务发送数字信息的传输方式，如常见的短信方式，该种方式只能在无线网络覆盖的地区使用。电台是通过超短波进行信息传输的方式，不需通信费用，但通信距离有限，且受地形影响。话传和人工数传都属于人工方式，不同的是话传是人工打电话，人工数传是人工发电报等，均属于较陈旧的工作方式。

前言

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 国内外水文监测体系差别

1.1.2 水文监测体系创新难点

1.1.3 水文监测体系创新进程

1.2 水文测验体系现状分析

1.2.1 我国水文测验发展历程

1.2.2 我国水文监测体系存在问题

1.3 水文监测体系创新需解决的关键技术

1.3.1 水文巡测、间测与应急监测技术

1.3.2 水文要素的自动监测技术

1.3.3 水文规范与新技术的适应性

第2章 水文测验服务体系需求

2.1 经济社会发展与水文

2.1.1 我国经济社会发展现状与特点

2.1.2 社会经济发展对水文的要求

2.2 防洪减灾对水文测验的需求分析

2.2.1 防洪形势对水文测验的要求

2.2.2 防洪水文测验流量测次控制要求

2.2.3 水位流量同化报汛及误差传播

2.3 工程建设对水文测验的需求分析

2.3.1 工程建设对水文测验的要求

2.3.2 水文特征值误差分析

2.3.3 创新系列的模拟

2.3.4 创新水文系列代表性分析

2.4 最严格水资源管理对水文测验的需求分析

2.4.1 最严格水资源管理制度对水文测验的要求

2.4.2 最严格水资源管理制度的水文测验技术路线

2.4.3 低水流量测验测次优化及水位流量关系同化技术

2.5 社会对水文测验的需求分析

第3章 水文测验管理体系

3.1 水文测验体系的构成

3.1.1 水文测验管理体系的要素

3.1.2 水文测验管理体系的技术结构

3.1.3 水文测验管理体系的影响因素

3.2 美国的水文测验体系简介

3.2.1 水文测验管理体系

3.2.2 水文测验方式和支撑技术

3.2.3 水文监测仪器设备

3.3 我国水文测验体系的现状

3.3.1 水文测验管理方式

3.3.2 水文监测手段

3.3.3 水文巡测现状

3.4 水文测验管理体系创新

3.4.1 创新原则

3.4.2 管理体系的框架构建

3.5 关键巡测技术的研究与实践

3.5.1 水位流量关系巡测单值化

3.5.2 长江水文测验体系创新实践

第4章 流量测验方法创新

4.1 现有流量测验技术综述

4.1.1 流量测验方式

4.1.2 流量测验仪器

4.2 缆道测验智能控制技术

4.2.1 水文缆道的控制技术现状

4.2.2 水文缆道的智能控制设计

4.2.3 水文缆道的智能控制实例

4.2.4 水文缆道偏角遥测技术

4.3 水文测船测验自动化技术

4.3.1 水文测船测验现状

4.3.2 水文测船测验自动化设计原则

4.3.3 水文测船测验自动化实现

4.3.4 水文测船专用绞车

4.3.5 水文测船液压支臂装置

4.4 流量快速测量技术

4.4.1 快速流量监测的基本原理

4.4.2 动船法流量测量技术

4.4.3 走航式声学多普勒测流技术

4.4.4 非接触流量测验技术

4.5 流量实时监测技术

4.5.1 河流流量实时监测原理

4.5.2 水位流量关系法

4.5.3 流速面积代表线法

第5章 泥沙测验方法研究

5.1 悬移质泥沙测验技术

5.1.1 国内外悬移质泥沙测验现状

5.1.2 调压积时式采样器的技术改进

5.1.3 现场快速泥沙测量技术

5.1.4 实时在线泥沙测量技术

5.1.5 流量泥沙异步测量方法

5.2 推移质泥沙测验技术

5.2.1 推移质泥沙测验现状与需求

5.2.2 砾卵石推移质采样器开发

5.2.3 沙质推移质采样器研制

5.3 河床质勘测技术

5.3.1 河床质勘测现状

5.3.2 河床组成勘测

5.3.3 干容重观测

5.4 泥沙颗粒级配分析技术

5.4.1 泥沙颗粒级配分析现状

5.4.2 悬移质泥沙级配快速分析技术

5.4.3 悬移质级配分析方法成果转换

第6章 水文应急监测实用技术

6.1 水文应急监测体系现状

6.1.1 水文应急监测的任务与特点

6.1.2 水文应急监测与常规水文测验的区别

6.1.3 我国水文应急监测现状

6.2 水文应急监测管理体系建设

6.2.1 水文应急监测管理体系建设原则

6.2.2 水文应急监测队伍建设

6.2.3 水文应急监测保障机制

6.2.4 水文应急监测方案

6.2.5 应急监测报告的编制

6.3 水文应急监测工作内容与方法

6.3.1 分洪、溃口洪水监测

6.3.2 堰塞湖监测

6.4 应急监测成果的质量控制

第7章 水文测验精度控制技术

7.1 水文测验精度控制体系

7.1.1 单次测验精度控制

7.1.2 时段量精度控制

7.1.3 水文测验误差评估方法

7.2 流量测验新技术精度研究

7.2.1 声学多普勒流速仪流量测验精度

7.2.2 流量间测精度分析

7.2.3 水位流量关系单值化精度分析

7.2.4 流量测次精简分析

7.3 泥沙测验新技术精度研究

7.3.1 现场激光粒度分析仪精度

7.3.2 单沙垂线精简与断沙间测精度分析

7.3.3 全断面混合取样精度分析

7.3.4 流量泥沙异步测验精度分析

7.3.5 泥沙测次精简分析

第8章 水文资料整编新技术

8.1 现有水文整编技术综述

8.2 水位数据整理新技术

8.2.1 水位数据处理技术的现状

8.2.2 水位数据处理新技术基本原理

8.2.3 关键参数的确定与节点数据的处理

8.2.4 水位数据处理新技术在长江上游地区的应用

8.3 流量整编新技术

8.3.1 在线监测资料整编技术

8.3.2 走航式声学多普勒流速剖面仪数据后处理技术

8.3.3 潮流量整编技术研究

8.4 泥沙整编新技术

8.4.1 激光粒度仪颗分资料整编

8.4.2 推移质输沙率整编

8.5 应急监测水文资料整理

8.5.1 应急资料整理要求

8.5.2 水文应急监测数据的整理与检查

8.5.3 水文应急监测数据分层

8.5.4 水文应急监测等高线处理

第9章 水文测验技术标准适应性研究

9.1 现有标准概况

9.2 现有标准适应性研究

9.2.1 现有技术标准的积极作用

9.2.2 现有主要测验技术标准适应性评价

9.2.3 现有技术标准存在的主要问题

9.3 水文测验技术标准创新实践

9.3.1 水文测验标准体系创新

9.3.2 已颁标准的修订和完善

9.3.3 水文测验标准创新总结

第10章 总结及展望

10.1 创新总结

10.2 水文监测发展展望

参考文献