“智慧水文”构建初探

许弟兵

（水利部长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，434020，荆州）

“智慧水文”构建初探

许弟兵

（水利部长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，434020，荆州）

智慧水文以智慧水文监测体系、智库化水文数据分析系统、现代化综合应用服务平台为主要部件，辅以智慧水文业务管理体系、智慧水文支撑保障体系。通过分析智慧水文的总体框架、要件、内涵与特征，从构建智慧监测体系、关键技术及需要解决的问题等角度进行探讨，提出智慧水文的构建应开放、共享，具备可扩展性、可持续性，并与社会水文、绿色水文、和谐水文高度耦合。

智慧水文；监测体系；关键技术；创新机制

一、“智慧水文”的提出

我国水文“工作”自古有之。从李冰父子在都江堰治水时的石人水尺、长江白鹤梁石鱼题刻等为代表的“1.0版”，到新中国成立后以水位雨量观测纸质记录、缆道半自动等为特征的“2.0版”，再到 20世纪 70年代以来随着水文测报自动化技术的发展，全面提升水文测报工作的时效性和准确性的“3.0版”，一直到进入21世纪以自动化、智能化、集约化、多元立体化、“互联网+”等为特征的“4.0版”，智慧水文的时代即将到来。

2008年以来，长江水文在赢得水文测验方式方法创新、建立水质水沙水资源模型、水质监测能力提升三大战役的完胜后，提出“数据资源一个中心，信息共享一张图，应用服务一个平台”的“三个一”水文信息化建设工程。2016年，长江水文确定“四个水文”（社会水文、绿色水文、智慧水文、和谐水文）的发展目标。水文信息化是水文现代化建设中的重要进程，而智慧水文正是新时期水文现代化的发展与实践方向。长江水文“一体两翼”“四个水文”发展战略，给水文现代化赋予了时代“睿智”。

二、“智慧水文”要件与特征

1.总体框架

智慧水文是集理念、资源、技术、机制于一体的综合系统，主要包括智慧水文监测体系、智库化水文数据分析系统、现代化综合应用服务平台、智慧水文业务管理体系、智慧水文支撑保障体系，其总体框架见图1。

2.要件与内涵

智慧水文是智慧水利的重要组成部分，水文信息化是智慧水文的重要支撑。智慧水文的主要部件包括智能化的水文信息感知和传输系统（或称智慧水文监测体系）、智库化的水文数据分析系统、现代化的综合应用服务平台。

①水文信息感知和传输系统是水文要素的信息源。从内容上看，当前主要包括水文监测 （含水资源监测）、河道监测、水质监测，在“五位一体”的总布局下，将来会在水生态监测、山洪灾害监测、供水监测等方面有所拓展。从智慧化目标来看，一是快捷，充分利用现代科技和智能传感产品，以及多元化的通信技术，实现采集、传输环节的快速高效；二是准确可靠，以高性能、高可靠性的仪器和智能传感设备、通信设备保证水文要素信息采集和传输的准确性、可靠性，以服务和应用需求确定精度指标，并以此选择测验方式，确定单次测验、测次布置及资料整编方案；三是信息内容向要素数据和管理信息兼顾拓展；四是运行控制的远程化；五是运行管理的智能化。

图1 智慧水文总体框架

②水文数据分析系统是将智慧水文监测体系所获取的数据信息进行深加工，产出包含多元信息的资料成果、分析报告、预报预警信息、诊断报告（突发事件、灾害、安全隐患等）、仿真模型、时空模拟等。当前基本内容主要包括水文、河道、水质监测的基本数据资料的整理整编，以及水文预报、水文分析计算、水资源评价等常用的计算及分析评价。精加工方面主要是为最严格水资源管理下的水文指标、水环境水生态监测问题，水资源预测预报问题，梯级水库群下的测报调度的水文问题，海绵城市与城市水文、地下水土壤墒情等监测问题，人类活动影响下的水文问题，全球气候变化下的水文问题，山洪灾害监测预报预警问题，国际河流水资源问题等社会热点提供支撑，以及为科技创新能力及生产力转化、新常态下水文人力资源配备问题提供辅助决策分析。该系统以服务需求和问题为驱动机制，需要将应用需求转化为分类算法模块，是算法的集合，系统功能具有动态拓展的特征，初级系统具备数据计算及简单分析功能，将来的目标可能会在知识库、标准库、专家库的支持下，扩展人工智能支持，构建系统学习能力，进一步提高人机交互能力，形成智能化程度更高的“智库”。

③综合应用服务平台主要是充分利用虚拟化、云计算、移动互联等技术，将分散的水文硬件资源、软件资源、信息资源进行整合利用，配合人的思维和行动。水文应用服务可以分为两个方面：一方面是自动响应，可以事先做好各种数学模型，对各种事务做好各种预案，一旦某种条件符合，系统会自动响应。另一方面是随时按照用户请求，分析处理各种水文信息数据，为领导和相关人员提供决策依据。平台建设的持续努力方向主要在服务的主动性（主动推送）、需求符合性（层次清晰、内容简洁、主题明确、分析到位）、响应的时效性（及时响应、扁平化、流程少、处理快）、应用的人性化（人性化的友好平台、符合习惯的访问流程、服务成果非专业人士能看能用）等方面。数据挖掘等大数据技术可在服务需求分析、服务效果评价、服务持续改进等方面提供有力支撑。

3.智慧水文的特征

智慧水文的核心是将水文监测体系、信息系统和人类智慧完美结合，利用一种更智慧的方法来改变交互方式，以便提高响应速度，作出更明智的决策，获取更优的工作质量和更高的服务效率，紧跟科技进步和经济社会发展的步伐。

①思想观念现代化。现代水文服务已经拓展到防汛抗旱、流域开发治理、水资源配置与管理、饮水安全、水环境保护、水生态建设、公共突发事件处置、社会公共信息服务等经济社会建设更广泛的领域，智慧水文需要将新的发展理念充分融入水文工作的每个层面。水文要从重视防汛抗旱，向在继续为防汛抗旱做好服务的同时为水资源可持续利用及国民经济可持续发展提供全方位服务转变。在资源配置、思想观念、发展理念以及人员的素质要求、工作内容重点等方面均需要作与时俱进的动态调整，以适应不断增长和发展变化的新需求。

②技术手段智能化。智慧水文监测体系的构建，使得水文信息的感知与采集更透彻、更全面，缩小距离、缩短时间、快速高效，推动水文从“哨兵”向“侦察兵”的彻底转变。水文智能分析系统的构建，整合多种来源的数据和信息，利用数据挖掘和分析工具，借助强大的计算机系统来处理更为复杂的模型运算、数据分析、3D可视化、时空模拟。系统进行知识扩充后，可延展思维，增强判断力，实现更深入的智能化。综合服务平台实现更全面的互联互通，通过各种形式的高速高宽带通信网络工具，将分散信息及数据连接起来，进行交互和多方共享，使得工作和任务可以通过多方协作得以远程完成，极大改变了水文工作协作方式，增加水文服务的深度和广度。

③管理高效扁平化。一方面是先进技术手段的运用使得单兵作战能力增强，平均每人管理的水文监测点数量大幅度增加，单值化方案使测次大幅度精简，另一方面水文信息化建成的办公自动化、合同、财务、人事、科技、设备设施、档案等管理信息系统和异地视频会商系统，大幅度提高了管理效率，增强了工作的连贯性。大数据分析还可更好地对水文业务状况进行实时监控，从全局全方位的角度分析并实时解决问题。这一改变将在提高效能、规范行为等方面产生积极的推动作用，并促进管理向扁平化方向发展。

④人才队伍智慧化。智慧水文对水文人才队伍提出了更高要求，同时精通水文与计算机信息的专业人才、既懂业务又会管理的复合型人才需求量增加，人才结构将自然向智慧化方向调整。另一方面，随着工作方式改变，机构内部单元职能与分工也将相应调整，专门的信息化（或智慧化）管理机构可能会应运而生，或进一步充实原有网络信息管理机构的专业人才力量。

⑤工作生活人性化。“哨兵”向“侦察兵”实质性转变，以人为本将在行业中得到充分体现。水文职工生活质量要不断提高，水文职工整体的生活质量应不低于国家类似行业职工的平均水平。另外，科技含量的提高可以提升职业品味，智慧水文的高度信息化特点，也会使信息时代成长的年轻人自然适应这种工作方式，从而稳定职工队伍。

⑥体制机制现代化。水文是国家公益性、需超前发展的基础工作，充足的投入是事业发展的必要支撑与保障。智慧水文要大量的科技人员来构建、维护、创新才能可持续发展，人员经费的投入是重要的发展动力，是保持智慧水文生命力的重要条件。

三、智慧水文监测体系构建探讨

水文历经传统水文观测—水文测报自动化—水文信息化等进程，现代信息技术与当代水文的发展成果与发展需求相结合，产生了智慧水文的概念。水文的实践发展过程亦是水文行业智慧发展过程，其核心是水文监测的发展。智慧水文监测体系是智慧水文的核心要件，也是本文探讨的主要内容之一。

1.智慧水文监测体系主要特征

①具备4.0版时代特征。智慧水文监测体系充分应用卫星定位、空天遥感、物联网及智能感知、移动宽带网、云计算和大数据等技术，结合地面水文监测站网，形成空天地一体、动静结合、点线面体融合的，立体化、高灵敏、高智能和快捷准确的水文信息感知系统。4.0版的水文监测体系从结构上按传感器的空间位置划分为天基监测、空基监测和陆基监测三个层面（若向海洋拓展，还可包括海基监测）。

②具备测站概念弱化、设施设备精简易维护等特征。其主要表征有：不建设站房，测验断面除小仪器房几乎无其他设施，仪器设施安装地点灵活；测井配浮子式水位计方案将被简易一体化仪器房配气泡压力式水位计取代；测船、缆道的渡河方案将被皮卡车拖曳快艇、桥上牵引浮体、无人机、无人船、简易跨河索等方式取代；仪器设备向智能化、简维护、可远程控制等方向发展；全面巡测；流量测次大幅度精简；职工单兵作战能力强，人均管理的水文站数量大幅增加。

③具备“互联网+”的特征。“互联网+”与水文监测的结合，将产生“互联网+水文测验”，带来水文测验工序流程和生产方式的改变，在线测验、在线整编、在线汇交成果是必然趋势。从流程上看，测验现场视频或图片与原始测验成果通过互联网传至数据中心，经审核入库，外业人员方进行下一作业；另一方面，审核工作完成后，整编采取网络在线审查，可大大减少年终整编工作量，提高效率；第三，与单站孤立测验整编相比，测验整编数据统一在数据中心存储，数据版本唯一性也得到保证，可防止因版本差异导致的非预期错误；第四，实时在线的整编成果，对防洪抗旱水雨情信息编报、水文预报的实时精度检校与修正等工作的支撑作用进一步增强。

2.关键技术盘点

①水文自动测报技术。当前的水文自动测报技术已经十分成熟，下一步的发展方向是实现单站的智能感知、智能控制、智能管理，并构建智能化的物联网络体系。②高效监测技术。主要是自动监测技术、在线监测技术，也包括高效的渡河方式、通信方式、监测手段、测验方法、信息生产过程等。③单值化技术。单值化是开展水文巡测的灵魂，包括落差指数法等落差方法类、特征河长法、校正因素法、本站水位后移法、上游站水位法等。④现代测绘技术。主要包括GNSS、GIS、无人机地形测绘系统、多波速测深系统、浅层剖面仪探测系统等。⑤水文定量遥感。可用于水体面积、水位、降水量等要素的监测，亦可能用于河道平面形态、崩岸、洲滩、弯道、岔道形态及变化观测。⑥现代信息技术。主要有物联网、虚拟化、云计算、大数据分析等新兴技术。应用实例如长江水文提出的“数据资源一个中心，信息共享一张图，应用服务一个平台”为特征的信息化工程体系。⑦数据分析技术。⑧人工智能技术。将来的决策支持也许不仅仅是现代意义上的计算机系统，或许会出现与智能化综合应用服务平台随时联网的水文智能机器人。

3.有关问题与对策

（1）测验精度

站类层面，基本站、专用站、应急监测的测验精度要求各不相同，基本站的流量测验精度又分三个类别；测验方式层面，驻测、巡测、间测、检测的工作要求各异；测验方法层面，不同类的仪器设备、不同的测验方法，可达到的测验精度不尽相同；测验方案层面，测次的多少，测线、测点的繁简，测验历时的长短，都是影响测验精度的重要因素。在看待精度方面，随着规范体系的日趋完备，需研究和揭示可能精度与需要精度的关系，引入技术经济学理念制订、修订技术标准，实现适用性质量观向符合性的质量观的转变。在固守断面的测验方式以及与之配套的管理规则（包括技术标准）方面，我国迫切需要研究水文测验精简模式。另一方面，需通过地理信息系统、数字高程、数据仓库、联机分析处理、数据挖掘等新技术的应用，提高水文测验技术含量和信息服务水平。

（2）泥沙和水质监测自动化

水体悬移质泥沙观测主要有两种途径：一是通过光电技术等物理技术直接观测水体的泥沙数量及颗粒形态；二是通过汲取水样，经过室内水样烘干称重等处理后，推求含沙量以及进行级配分析。

目前的测沙仪器按其工作原理可分为瞬时式采样器、积时式采样器和物理测沙仪器。瞬时式采样器和积时式采样器采集的水样还需要经过室内的沉淀、烘干、称重、计算等步骤才能求得含量，时间周期较长。快速测沙仪器是物理测沙仪器，主要有同位素测沙仪、光学测沙仪、声学测沙仪、振动式测沙仪等几类。ADCP声学测沙利用接受声波强度来进行悬沙浓度的估算，具有不需要采样、不干扰水体流场以及可以实时、不间断测量等诸多优势和良好前景，在世界范围内的研究也仅处于起步阶段。泥沙测验分析一直是水文测验技术发展的瓶颈，实现自动监测分析乃至在线监测分析还有很长的路要走。机器人技术或可成为解决泥沙及水质自动监测的一个途径。

水质指标很多，常规方法是采样后在水质实验室通过化学或物理学方法等测定，该类方法均不能用于水质的实时动态监测，近年在部分水质自动监测站投入运行，但该类水质自动监测站所能测定的参数较少，一般是最普通的物理参数，且采样点位置的代表性存在一定问题，因此水质实时动态监测未在全国普及，特别是在水利系统的普及率较低。

（3）核心设备国产化

我国水文系统大量使用进口仪器设备，“中国智造”战略的提出将推动水文设备特别是核心设备的国产化进程。据悉，有关机构已经开展了声学多普勒剖面流速仪、激光粒度仪、多波束测深系统的国产设备应用研究并初见成效，但受国际贸易保护政策、国内政策及机制的影响，全面实现水文核心设备的国产化之路还很长。

4.创新驱动机制

现阶段的关键创新主要包括水文监测管理体系创新、水文监测服务体系创新、水文监测技术支撑体系创新、水文监测质量保障体系创新。水文监测管理体系的创新，其核心是应用“巡测优先、驻测结合、测报自动、应急补充”的水文监测管理体系。但在推行巡测化的同时，不能以牺牲单次测验成果质量为代价。水文监测服务体系以需求为主导，给出防洪抗旱减灾、工程水文计算、最严格水资源管理等需求对水文测验系列长度、测次控制、测验方式、误差精度等指标。水文监测技术支撑体系是在丰富完善水文测验理论方法和水文测验实用技术的基础上，最终确立水文测验技术方案和测验手段。水文监测质量保障体系创新，需结合以新需求主导的水文监测误差评价方法，构建新的水文测验作业流程过程，改编不适应新体系要求的旧规程规范，增加新的规程规范，从而形成新体系下完整的质量质控体系，实现适应性质量观向符合性质量观的转变。

四、结 语

随着经济社会的发展，水文的公益定位、服务职能进一步彰显，服务范围不断扩展。要满足这些不断增长的服务需求，水文智慧化是水文事业发展的必然趋势。现阶段，智慧水文构建需与水文信息化建设协同实施，并同步实施智慧水文业务管理体系构建、智慧水文支撑保障体系构建。另外，智慧水文体系构建应开放、共享，具备可扩展性、可持续性，并与社会水文、绿色水文、和谐水文高度耦合。

[1]王俊.水文行业发展的方向性问题探讨（长江）[R].长江水利委员会水文局，2016.

[2]陈松生．泛论水文测验学科发展[R]．长江水利委员会水文局，2015．

[3]长江水利委员会水文局．长江水文信息化建设工作大纲[R]．2015．

[4]张建云，等．水文现代化建设指导意见[J]．水文，2006（1）．

[5]林祚顶，等．水文现代化与水文新技术[M]．北京：中国水利水电出版社，2012．

Discussions on construction of “smart hydrology”

//Xu Dibing

“Smart hydrology” composes of monitoring system,think tank data analysis system and modernized integrated service platform that supplemented by hydrological business management system and supporting and safeguarding system.On the basis of examination of general framework,key elements,connotation and characters of smart hydrology,discussions are made from the angles of establishment of monitoring system,key technologies and problems.It is recommended to create a system with characters of openness and sharing as well as expandability and sustainability,which should be highly integrated with society and focus on green and harmony.

smart hydrology;monitoring system;key technology;creative mechanism

P33

B

1000-1123（2017）19-0015-04

2017-09-26

许弟兵，高级工程师，主要从事水文测验等研究和管理工作。

责任编辑 车小磊