实时监测自然水循环的终端设备

智慧水务自然水循环监测终端主要包括雨量监测、水文监测、蒸发及墒情监测等。监测以卫星遥感监测为主,同时结合地面监测。

4.2.2.1 雨量监测

1.监测目标

雨量监测主要是实现对降水、蒸发、土壤墒情和洪涝灾情等的及时、全面、准确监测,实现汛情信息全覆盖、监测时间全天候的智能化,为防汛抗旱工作提供有效的服务。

为达到大连市智慧水务中汛情监测的全面感知要求,雨量站的布设要求除对大连市的水雨情等情况能够全面及时地掌握外,同时还需要对洪水通过的主要河流、山洪易(高)发灾害区等地进行雨量站的加密布设,有效地解决瓦房店市、普兰店市和庄河市等山洪灾害高风险区域监测缺陷问题。

2.监测现状

根据智慧水务需求调研结果,分析掌握的有关大连市监测现状及已有资料,可知:大连市现有雨量站130个、水位站41个。其中,大连市水务局通讯中心负责85个雨量站、41个水位站;防汛抗旱指挥部办公室负责130个雨量站、41个水位站;碧流河水库管理局负责24个雨量站(包括非大连市境内的8个)、8个水位站;供水公司建设有9个雨量站、4个水位站等。

3.监测站点规划

根据《水文站网规划技术导则》(SL34—92),依据大连市各行政区划情况对大连市进行面雨量站的初步布设,结合大连市的实际情况,针对洪水通过的主要河流和山洪易(高)发灾害区进行加密布设雨量监测站,将初步布设的面雨量站与加密区站点进行合并汇总。

(1)大连市各行政区面雨量站初步布设。受资料条件限制,无法用雨量站网密度分析指标选用表来确定雨量站的取值范围。《水文站网规划技术导则》(SL34—92)中5.1.4节提及,对不具备分析条件的地区,可结合设站目的、地区特点,按照表4.1选定布站数目,湿润地区取上限附近数值,干旱地区取下限附近数值。

表4.1　面积与雨量站查算表

大连市属于半湿润半干旱地区,故取其均值较符合大连市的实际情况,具体各行政区雨量站的布设情况见表4.2。

表4.2　大连市各行政区雨量站数目

世界气象组织(WMO)1987年出版的《水文实践指南》第Ⅰ卷中提出:在温带、内陆热带山区,最合适的做法是按大约500m高差来规划高度带,在各个带上布设测站最小密度为100～250km2/站;对于人口稀疏、交通闭塞或其他经济相对落后的地区,最小密度为250～1000km2/站。大连市的地区高程差较小,按照表4.2中各行政区的站网密度基本符合温带地区布设测站的最小密度。

(2)洪水通过的主要河流站网加密。大连市境内碧流河流域面积1465km2,雨量站密度为98km2/站,达到《水文实践指南》第Ⅰ卷提到的最小密度要求,且在需求调查中碧流河水库管理局没有提出新增雨量站点的需求,故不考虑在碧流河流域新增雨量站点。由于碧流河是大连市防洪任务最为重要的河流,因此其他流域雨量站网密度可适当降低。若取其他流域的站网密度为130km2/站(初设平均密度为174km2/站,取值可在该值与碧流河密度之间选择),加密情况见表4.3的第三列。

(3)山洪地质灾害区站网加密。降水是径流的来源,暴雨是诱发山洪的主要原因,及时准确地监测降水量是预测山洪暴发的重要措施。根据大连市人民政府办公厅2013年印发的《2013年度地质灾害防治方案》,大连市的重点防范地质灾害点29处。北三市的北部地区,金州区向应街道、华家屯街道、亮甲店街道等区域为山洪灾害高发区。《大连市水务发展“十二五”规划》报告中提出要治理山洪灾害防治区11个,因此每个重点防范区至少需设1个雨量站。

表4.3　大连市雨量站网布设情况　单位:个

综上所述,考虑大连市防范地质灾害情况,雨量站需加密29个;考虑北三市的北部地区山洪灾害,雨量站需加密3个;考虑《大连市水务发展“十二五”规划》再增设11个。

综合考虑初步布设与加密布设情况:当加密区雨量站网密度大于行政区划雨量站网密度时采用加密区雨量站网密度,否则采用行政区划雨量站网密度,遵循这一原则达到大连市雨量站点综合布设,详见表4.3。

从表4.3中可以看出,按上述布设的雨量站总数小于现状总数,显然所取河流站网密度偏低。若取碧流河以外其他流域的雨量站网密度也为98km2/站,即与碧流河流域一致,大连市的雨量站网综合布设情况见表4.4。

分析结论:大连市现有雨量站130个,雨量站网密度为97km2/站,其中碧流河流域有24个雨量站。该密度超过了世界气象组织推荐的雨量站网容许最稀密度100km2/站,介于《水文站网规划技术导则》(SL34—2013)表6.0.3中的站网密度72km2/站与125km2/站之间。

表4.4　大连市雨量站网布设　单位:个

世界气象组织推荐的站网容许最稀密度是在20世纪80年代推出,距今已有30多年。在这30多年中,我国社会经济快速发展,城镇化进程加快,加之全球气候变化,这些综合因素导致的极端水文事件不断出现,原来的雨量站网容许最稀密度已经远远不能满足实际需要,而目前大连市的雨量站网密度仍接近20世纪80年代的水平,需要进行重新考量。

按《水文站网规划技术导则》(SL34—2013)规定,大连市雨量站网密度仍处于中下水平。考虑到大连市对雨量站网的实际需求,如果按72km2/站的站网密度规划大连市雨量站点数目,那么大连市需要雨量站175个,减去现状雨量站数目130个,拟建雨量站45个。

4.2.2.2 水文监测

地表水水文监测主要指河道水文监测、水库水文监测、潮汐水文监测、城市易涝处水文监测等,监测项目主要包括流量、水位等。地下水水文监测主要指地下水水位、水质、水温监测等。

1.地表水水文监测

(1)水文监测目标。为满足大连市智慧水务智能感知业务需求,结合《大连市水务发展“十二五”规划》等规划报告中的相关内容,对大连市水文监测站点进行分析。(www.xing528.com)

地表水水文监测项目众多,范围很广。主要包括河道水文监测、水库水文监测、河口水文监测、潮汐水文监测、城市易涝处水文监测等。

(2)监测现状分析。

1)河道水文站。全市现状过流河道中汛期有洪水通过的河道包括大连市北部地区的7条主要河流,分别为碧流河、复州河、大沙河、庄河、英那河、浮渡河和湖里河等,以及金州以南地区的北大河、三十里河、登沙河等。在河流交汇处、重要的引退水口等位置因流量会发生很大的变化,需设水文站以监测流量、水位等重要信息,为防洪业务提供有效数据。分析已有资料可知大连市现有河道水文站7处;《大连市水资源可持续利用综合规划水资源保护专项规划》以2007年为基准年、2015年为近期规划水平年、2020年为中期规划水平年、2030年为远期规划水平年,提出拟建河道水文站4处(表4.5)。

表4.5　拟建河道水文站

2)水库水文站。为满足防洪业务的需求,需要实现对防洪水库的水位、流量、水质等的实时监测。

大连市已建6座大型水库均已设置水文站。

3)河口水文站。河口属陆海交汇地带,陆地污染物会通过河口进入海洋,对周边海域造成污染。大连市是一个沿海城市,因此有必要在河口处设立水文站点,实现对水质、水量等的监测,满足水生态环境及水资源管理等业务需求。

在大连市主要入海河流河口处设立河口多功能监测站,大河因河流长度大可设立河道与河口两处水文监测站;小河从经济可行性等多方面考虑,仅需在河口处设立河口多功能监测站。《大连市水资源可持续利用综合规划水资源保护专项规划》给出拟建的河口水文站点,涵盖了大连市的主要入海河流河口。

4)潮汐水文站。大连市因其特有的地域特征,会面临沿海风暴潮灾害的威胁,遇到诸如风暴潮、海水入侵等自然灾害,为保证沿海经济健康平稳的发展,减少风暴潮的危害,预知潮位对河道行洪的影响等,需要规划潮汐水文站,同时结合防潮堤工程保障大连市防汛防台工作的顺利进行。《大连市水资源可持续利用综合规划水资源保护专项规划》中提出恢复2处潮汐水文站(表4.6)。

表4.6　大连市潮汐水文站

5)城市积水处水文监测站。城市排水系统是以防止雨洪内涝、排除和处理污水、保护城市公共水域水质为目的进行建设的。随着全球城市化的发展,城市排水系统在社会可持续发展中起着越来越重要的作用。所以设立水文监测站以实现对大连市排水系统的有效监测是智慧水务中防汛业务的感知需要。

因受资料所限,未能获取现状及规划布设监测站点。

(3)水文监测。分析大连市水文监测现状可知:到规划水平年2020年,大连市主要河道上都建有水文站,但根据需求还需要在部分重要河道、河流交汇口等处增设新的河道站点;大连市大中型水库有23座,都具有防洪任务,需要设置水文监测站;另外,大连地区受潮汐影响较小,站点不宜设置过多,恢复后的渤海岸的东岗潮汐站及黄海岸的城子坦潮汐站可实现对潮位等信息的监测,为汛期防洪等业务提供相应的潮汐预报。

水文监测规划情况如下。

1)河道水文站。到规划水平年2020年,大连市重要河道没有全部规划建设水文站,需要在浮渡河、湖里河、北大河以及三十里河等处增设4个水文站;在主要河流交汇处、重要的引退水口等流量会发生很大的变化的断面,需设立水文站以监测流量、水位等重要信息。

2)水库水文站。根据《水文站网规划技术导则》(SL34—92)中4.6.1节提及内容:总库容不小于10亿m3的已建或规划中的大(1)型水库均应设立基本水文站;总库容不小于1亿m3的水库是否设立基本水文站可由省(自治区、直辖市)或流域水利领导部门确定。

大连市除6座已建大型水库已设置水文站外,其余17座中型水库均需拟建水库水文站。

(4)水文站网评价。综上分析,大连市防汛监测体系中应布设水文站点共计60个(含已建),其中河道水文站20个、水库水文站23个、河口水文站6个、潮汐水文站2个、水文(巡测)站9个,详见表4.7。

表4.7　大连市水文监测站汇总表　单位:个

站网密度是水文站网评定的重要指标,针对大连市已有、拟建、规划3类水文站点的总数量进行评定如下。

根据世界气象组织编写的《水文实践指南》第Ⅰ卷中有关容许最稀站网的要求确定站数:温带、内陆和热带的山区(湿润山区)每站面积为300～1000km2;困难条件下的暂时标准可放宽到每站面积为1000～5000km2;极困难条件下,每站面积可扩展到10000km2;在降水很不均匀有很密河网的山丘小岛屿,每站控制面积为140～300km2。大连市防汛监测体系中水文站应布设13～42个,规划总数为60个,可认为大连市水文监测站点在数量、范围与功能上均满足智慧水务监测需要。

2.地下水水文监测

对于地下径流的监测,将在水生态环境监测中地下水水功能区监测展开。综上所述,应布设水文站点共计60个(含已建),详见表4.7。

4.2.2.3 蒸发及墒情监测

布设水面蒸发站网是为满足研究面上流域蒸发计算和水面蒸发的地带规律需要。站网密度应根据本地区的分析成果来确定,一般2500～5000km2设1站;平原水网区为水量平衡研究的需要,可采用1500km2设1站。大连市属于多山地丘陵地区,虽部分地区为平原,但由于平原面积较小,故大连市的水面蒸发站可按照一般情况进行布设。大连市总占地面积12574km2,应布设蒸发测站数为3～6站。

墒情监测站网分国家墒情监测站网和地方监测站网。大连市属于多丘陵地区,依据《土壤墒情监测规范》(SL364—2006),大连市建设的国家墒情监测站网密度应为10000～50000hm2/站。此外,大连市还需结合实际情况,考虑国家墒情监测站网建设,确定地方墒情监测站网密度。

大连市建有墒情遥测站36个,其中碧流河流域12个,均设在碧流河流域的12个雨量遥测站旁。

4.2.2.4 小结

综上分析,大连市自然水循环(雨量站、水文站、蒸发站、墒情站)监测站点布设情况如附图1所示。