水文情报是洪水预报预测的基础。与暴雨洪水预报预测关系密切的水文情报主要有降雨、水位、流量和泥沙等因素。
1.降雨观测
在各项水文情报中,以对降雨的观测为最早。从河南安阳出土的商代甲骨文中有大量水文、气象记述,对雨量有小雨、大雨、急雨等定性描述。到秦代,降雨观测和及时奏报已成为政府的制度。汉代以后偶有中断,但大部分朝代继承了降雨观测和奏报的制度。明代各地上报“雨泽”的奏章由通政司负责接收、汇总和向皇帝奏报。由于工作量大且繁琐,在1424年明仁宗继位之始,通政司奏请将这项工作移交给负责监察的官员收存。仁宗大怒,申斥说:祖宗所以令天下奏雨泽者,欲前知水旱,以施恤民之政,此良法美意。如果你们不重视这项工作,今后即将各地雨泽奏报直接送给我处理好了。这个故事说明,至少到了明代以后,雨泽观测已经成为预知水旱灾情并据以事先制定救灾措施的一项重要工作。
虽然古代雨情测报的历史很长,但当时所用的测量方法和工具却不得其详。在南宋时期秦九韶于1247年发表的著名数学著作《数学九章》中,有四道关于测雨和测雪的数学题,分别为天池测雨、圆罂测雨、峻积验雪和竹器验雪。这是最早的与降水测量有关的文字。它说明至少当时测量降水量的方法已经成熟。但统一的量雨器形制大约到了清朝才完成。现存于朝鲜国家历史文献馆里的铸造于“乾隆庚寅五月”(1770年)的雨量器是世界上现存最早的雨量器(1639年B·卡斯泰利创制了欧洲第一个雨量筒)。
自清雍正二年(1724年)起,北京开始逐日记录天气、降雨和降雪的起止时间和大小(定性描述),直到光绪二十九年(1903年)停止,连续记录180年。在此期间,其他地区或流域的雨量站陆续设立,到民国26年(1937年)全国的雨量站总数达到1592处(不包括台湾省),其中在东北地区有172处为日本侵略中国时设立的。
2.水位观测
水位测量首见于秦代的都江堰工程。据晋永和元年(345年)成书的《华阳国志·蜀志》记载,李冰修都江堰时,于玉女房下白沙邮作三尊石人。这三尊石人就是人形水尺,石人的肩和脚是水尺刻度。当江水浅至石人脚部以下时,下游灌区缺水;江水涨到石人肩部以上时,灌区发生水灾。这种对上游水位与下游水量之间关系的总结必然是长期观测积累的结果,据此推断,水位观测的实践要早于石人水尺的出现。
这种立石作水尺(后称为水则)的办法在东汉、三国时均有使用。隋代(581~618年)开始用木尺作志桩,志桩上标有丈、尺等刻度,以测量河水水位的消长情况。宋代时我国已普遍使用水则,其中南方应用的更为广泛。最著名的是苏州垂虹桥附近建于宋代的两个吴江水则,其中的右水则碑上分刻有十二个月,每月又分上、中、下旬,用来记录各旬的水位;左水则碑上刻有七则(七条线):“一则,水在此高低田俱无恙;二则,水在此极低田淹;三则,水在此稍低田淹;四则,水在此下中田淹;五则,水在此上中田淹;六则,水在此稍高田淹;七则,水在此极高田俱淹。”[1]
在江河两岸崖壁上刻下印记也是古代记录水位的一种方法。根据《水注经》中的记载,黄河支流伊河在三国时期魏黄初四年(223年)发生特大洪水,龙门处的崖壁上留下了水位涨高四丈五尺(折合10.9m)的刻痕。长江干支流两岸现存的洪水题记近千处,其中在干流重庆至宜昌段的河岸崖壁上的记载1153~1870年间6次特大洪水最高水位的石刻114处。
近代有关江河水位的系统观测和记录始于长江汉口。清同治元年(1862年),汉口海关设立水尺,自1865年1月1日起有连续的记录;光绪四年(1878年),黄河上采用公制海拔计观测水位;同年,天津海关开始观测海河潮水位;光绪二十二年(1896年),龙州海关在海关码头设立水尺观测左江水位;光绪二十四年(1898年),中东铁路管理机构在哈尔滨开始观测松花江水位。民国2年(1913年),江淮水利测量局设立了中国第一个水文站,民国4年(1915年)该局又在淮河中下游的蚌埠、中渡和里运河设站,以后又陆续在上中游设站,但多数只观测水位。同期,其他主要河流、湖泊也陆续开展水位观测,到民国26年(1937年),全国除台湾省外已设立水位站有636处。
3.流量观测
我国对流量的观测也很早。北魏孝昌三年(527年)郦道元的《水注经》中就有关于流量观测的叙述。北宋元丰元年(1078年),范子渊知都水监丞,在导洛通汴的建议里提出河流间的比较要考虑“积其广深”和“湍缓不同”,说明当时已经认识到构成流量的要素是过流面积和流速。清康熙十六年(1677年),河道总督靳辅在《河防述言》中提到陈潢(1638~1689年)对流量的估算:“水流速,则乃急行人,日可行二百里;水流徐,则乃缓行人,日可行七八十里,即以水流经过横一丈、高一丈为一方,计此河行几方。”雍正十年(1732年),何梦瑶在《算迪》中具体记述了用浮标测量流量的方法,“以木板一块置于水面,用验时仪坠子候之,看六十秒内木板流远几丈;”另求得“河口面积”,“以这个面积和以远乘之,即得水流之积数也”。(www.xing528.com)
嘉庆二十四年(1819年),为永定河防汛需要,曾在卢沟桥进行流量测验,光绪三十年(1904年),海河测水机构在天津德国码头开始施测流量。宣统二年(1910年),又在天津小孙庄开始施测流量。民国以后测流点渐增,大致是每逢发生大水灾或建立流域水利机构时,都要着手建立一批水文站。到民国26年,全国共设水文站409处。
4.泥沙观测
对泥沙观测的历史可上溯至西汉时期(公元前206年~25年)。《汉书·沟洫志》中的一首民谣讲的是黄河支流泾河河水中的含沙量情况:“泾水一石,其泥数斗,且溉且粪,长我禾黍。”另外一种说法是:“河水重浊,号为一石水而六斗泥。”表明当时已经知道用沉淀后泥沙的毛体积与浑水体积之比作为衡量含沙量的指标。
明代的刘天和曾创制用来采集河中含沙水样的“乘沙量水器”[2]。清光绪十五年(1889年),荷兰工程师单百克和魏舍来华对黄河下游进行考察,在河南铜瓦厢、山东泺口等处实测过黄河的泥沙含量。
近代连续的含沙量测验开始于清光绪十八年(1892年),海河天津小孙庄站从那时起有实测含沙量记录。较早开始近代泥沙测验的还有:黄河,光绪二十八年;西江,民国4年(1915年);淮河,民国10年(1921年);长江,民国11年(1922年)。民国21年(1932年),华北水利委员会、山东河务局和导淮委员会等,在济南泺口和利津宫家坝的黄河河道断面处,各分左、中、右三点采取河床质泥沙样品,寄往德国汉诺佛水工试验所,进行首次泥沙颗粒分析。
中华人民共和国成立以后,水文情报测报站的数量迅速增加,并按照网状系统布设,到20世纪末期,全国的雨量观测站总数已经达到2万多个,在大、中、小河流的控制断面设水位站1100多个、流量站(同时也测量水位)3000多个、泥沙测站2000多个,形成了布局大致合理的水文站网。泥沙测站中包括近1600个悬移质测站、20多个推移质测站和400多个泥沙颗粒分析站。雨量站、水位站和流量站网按规定的时间对降雨量和河流水情的变化进行监测,其中有8600多处雨量站和全部的水位站、流量站根据规定的时段向各级防汛部门和用户单位等报告观测结果,使这些部门和单位能够及时掌握所在流域或地区的雨量分布和河流水位、流量的变化情况,以便其制定和实施防汛抗洪的决策部署。
早期的降雨量和水位观测均由人工操作,民国时期开始引入自动记录技术,以后又逐步增加了遥测、雷达观测和卫星观测等。到20世纪末,全国各地的水利部门(含农水部门)、电力部门、农业及气象部门等组建的水情遥测系统约500多个。
早期水文情报的传递也是由人工完成,明代的万恭(1515~1592年)在《治水筌蹄》一书中提到,当年“黄河盛发,照飞报边情,摆设塘马,上自潼关,下至宿迁,每三十里为一节,一日夜驰五百里,其行速于水汛”。这是黄河从上游潼关向下游传送水情的最早记载。清代的黄河上还有用羊皮筏报汛的历史。具体做法是,兰州附近涨水后,在一个兵卒的腰间系上刻有兰州水位的水签,再把这个兵卒绑在用整个羊皮充气制成的“皮混沌”上,放入水中,顺流而下,进入河南境内后开始掷签报警。19世纪80年代晚期以后,水文情报的传送中开始使用电话、电报和传真;20世纪80年代以来,又增加了超短波、短波和卫星等传送方式,以及各种传送方式的组合。
用电报传递的水文情报在相当长的时间里是由人工翻译的,效率很低。1984年,我国成功地开发出计算机实时水情信息接收处理系统。经过多年实际运行的检验和完善,这套实时水情信息接收处理系统逐步取代手工,在全国28个省(自治区、直辖市)和流域机构的水文、防汛部门以及电力调度部门得到推广应用。
长期以来,特别是系统化布设水文情报站网以来,连续观测的降水、水位、流量和泥沙等洪水要素的样本数量越来越多,样本规模越来越大,样本分布越来越合理,因而对引起较大洪水的降雨时空分布规律和河道水、沙运动规律的了解越来越清楚,同时,遥测、雷达观测和卫星观测等水文情报自动测报技术的引入大大提高了水文情报的精度,并加快了水文情报的传递速度,这些进步都为做出准确及时的洪水预报提供了越来越好的基础。
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