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摘要：水文是水利工作和经济社会发展的重要支撑。为全面提升首都水文水资源管理水平、提高水文服务能力，以更好地适应首都水资源调度和水旱灾害防御等工作需求，基于北京市水文发展现状和存在的问题，结合新时期北京水务发展对水文工作提出的新要求，从水文监测站网布局、监测能力、管理机制、信息化服务等方面开展探究，提出新时期北京水文规划工作的重点任务，为进一步完善北京市水文监测站网体系、提升水文现代化监测水平等工作提供参考。
关键词：北京市；水文；监测体系；站网规划；新时期
水文是支撑国民经济和社会发展的基础性和公益性事业。北京市作为我国政治、经济和文化中心，做好水文服务更为重要。及时准确的水文信息是防汛调度、水资源管理和科学治水的重要依据，是保障首都河湖安澜、社会稳定的重要基础。多年来，北京水文基础设施建设和基础支撑能力建设取得长足进展。然而，经济社会的不断发展和新时期水务工作的不断改革，对水文发展提出了更高要求。本文系统总结了当前北京水文监测现状，客观分析水文监测面临的新形势与新挑战，提出了北京水文的发展目标和方向，规划了水文监测站网体系，以期为新时期北京水文现代化、智慧化发展提供参考。
一、北京水文监测现状
1.水文监测站网体系
自新中国成立以来，北京一直重视治水管水工作。经过几十年的努力，初步形成空间分布基本合理、监测项目比较齐全、测站功能较为完善的水文站网体系，基本实现了水文站网对重要河道及其主要支流、有重点防洪任务的中小河流水文监测覆盖。截至2022年年底，全市共有水务系统遥测雨量站688个，其中市级雨量站245个，覆盖中心城区63个、城市副中心5个，中心城区站网密度达6站/100km2，城市副中心3站/100km2，全部实现了在线自动采集、存储、传输，并配备北斗卫星通信系统。北京市级水文测站已增加到1891处，其中，国家基本水文站61处，专用水文站41处，区级专用水文站18个，水文监测设施153处。地下水监测站952处，水资源质量监测站600个，水生态监测站66个。监测要素包括降水、水位、流量、泥沙、蒸发、水质、地下水、冰情、水温等。
2.水文监测能力
随着现代科技的进步和发展，先进技术和仪器设备在水文领域不断推广应用，监测手段由传统人工观测逐步转向自动化监测，自动化水平逐步提高。
（1）水文测站
截至2022年年底，全市共有视频监控站点219个、电波流速仪56套、走航式声学多普勒流速仪13套、全球卫星导航系统5套、无线遥控雷达测流系统4套。巡测和驻测结合站点比例为62%，国家基本水文站自动监测率为100%，专用水文站自动监测率为100%，基本雨量站自动监测率100%，地下水站点自动监测率为100%。总体来看，降水、水位等水文要素基本实现自动监测，流量自动监测率有较大提高。
（2）水文巡测基地
北京有2个巡测基地，配置了走航式声学多普勒流速仪、电波流速仪、GPS、全站仪、超声波测深仪等各类仪器设备，承担着56个水文站的巡测任务以及生态补水、山洪灾害调查等应急任务，水文测报服务能力不断增强。
（3）水资源监测能力
全市共有1个中心、10个分中心，水质实验室检测能力达120项，配置了气相色谱仪、流动分析仪等水质检测仪器设备。
（4）水文应急监测
全市共有市级水文应急机动测验队3支，配备水文应急监测专业技术装备，初步构建了水文应急监测体系。
（5）水质应急监测
为应对突发水污染事件，配备了水质应急监测车和车载监测设备，编制了突发水污染事故应急预案等，确保30min以内可实施应急监测。
3.预报分析能力
随着新技术发展及应用，北京市建成覆盖大中小型水库、主要河道干流、重点区域的洪水预报系统，集成了新安江、SWMM等水文模型，基本实现主干河道洪水预报及洪水风险研判，预警体系初步建成。现有洪水预警断面17处，面向社会公众发布洪水预警，开展山洪预警工作，着手内涝预警研究，为防洪减灾及水资源科学利用提供了重要支撑。
4.水文信息服务
近年，水文领域不断深化水文信息产品加工，丰富水文信息服务内容，为政府决策部门和社会公众提供全面信息服务。全市已建成水文站点的各类水文数据库，包括原始观测资料、实时水文数据、历史水文数据、地下水、水质等，实现了水文数据的数字化存储。雨水情、旱情等水文信息服务逐步深化。全市建立了“1+6”水文水资源集成系统平台，整合了水文自动化、水文巡测、地下水自动监测、水质监测信息、水情综合业务、洪水预报等6个专业模块，整合了视频会议、雨量、水位、流量、水质等实时监测信息系统，具备水库、重点河道的洪水预报功能，对雨水情、雷达回波等实时汛情进行了空间业务关联。
5.行业支撑能力
水资源保护和水生态修复支撑能力不断提升。为流域调水、生态补水、水环境生态考核提供准确的水文信息。近年北京市共建设66个水生态监测站点，加强了跨省界水文站点水量水质监测，支撑水生态水环境保护。同时完善地下水监测站点，及时发布地下水动态信息，为华北地区地下水超采综合治理、地下水资源监管和生态保护提供依据。水情信息报送能力不断增强。在现有水文站网的基础上，根据防汛抗旱工作需要，选取水文站网中数据质量优良、代表性强的站点建立水情报汛网，实现水情信息的传输。水情报汛时效不断提高，2022年全市各报汛单位10min到报率达到99%。应对突发灾害应急监测作用更加突出。近年来，在应对涉水应急事件处置中，水文迅速启动应急测报预案，派出水文应急机动测验队，及时提供各类水文监测信息和预测、预报、分析成果。工程建设管理服务能力显著增强。为满足水利水电工程建设和调度管理需求，发挥长系列水文基础资料作用，科学分析评估，及时提供基础数据和分析整改，为水利工程规划、设计、施工和运行管理等提供了重要的科学数据。
二、北京水文监测存在问题与挑战
1.现阶段存在的主要问题
北京市水文监测逐渐形成以城市水文监测为核心，以地表水、地下水、水环境、水生态为重点内容，驻测、巡测、应急监测相结合的监测体系，降雨量、水位要素全部实现自动化监测与采集传输，流量、水质、泥沙、蒸发在线监测得到广泛应用，水文现代化监测能力得到显著提升。
（1）水文智能监测感知能力亟待提升
一是水文监测站网亟待优化。全市重点河道、生态补偿、区域防洪、城市防洪等水文监测站点不足，覆盖率为62%，视频监测覆盖度较低，水生态站点尚未实现全覆盖，站网规划与布局调整需进一步合理优化。二是水文监测感知能力不足。中小河流、小型水库、山洪沟道监测站点数量较少，水情监测设备缺乏；部分雨水情设施建设年代早，设备老化，信息通达率低；部分测站基础设施薄弱，测验手段和应急装备落后；设备在线监测、自动传输等现代化、智能化水平亟需提升。
（2）水文智慧化服务水平有待加强
一是稳定通畅的通信链路保障不足。北京市水文信息采集点2/3以上处于山区，现有的多种通信方式在山区覆盖能力较为薄弱，水文信息传输缺乏保障，很难支撑水文监测视频、多媒体等流量数据传输。区级水文部门不能直接连接水文业务网，数据上传、互通速度较慢。二是数据汇聚不充分、数据治理有待提升。数据汇聚在行业管理制度保障和标准规范支撑上较为薄弱，技术手段匮乏；数据治理程度较低，目前只实现了部分数据的在线整编。水情报汛手段仍需完善，基层报汛站点信息传输效率还需要进一步提高。三是共享服务平台不够完善，水文智慧化应用不足。目前，北京市缺乏完善的水文信息共享服务平台，水文信息服务范围有限，不能完整覆盖北京市委办局、北京市水务系统、相关科研单位、社会公众以及重大活动水文信息保障。水文智慧应用尚浅、水文分析计算处于初步阶段、水文大数据挖掘分析几乎空白，水质、水量变化情况预测、预警能力薄弱，难以应对突发情况。
（3）水文行业监管能力还需强化
一是水文条例的配套地方政策法规体系尚不完整，相关标准与本地适宜性、先进性、及时性要求还有距离，水文标准化和规范化管理有待增强。二是水文数据共享机制不健全。当前，北京市水文系统仍然存在数据报送不稳定的情况，部分业务单位对数据保障的执行力度不够，数据共享困难重重，水文数据汇聚很大程度上依然一事一议，缺乏常态化的数据共享机制。导致数据不连续，可用性不强。水情报汛能力有待提高。三是基层水文测站技术人员不足、报汛人员变动较大、人员编制不能满足日常工作任务的需要，人才队伍结构不尽合理。四是水文行业法律法规宣贯工作薄弱，水文行业开放性和透明程度不够，全社会和水务行业对水文工作的了解和重视程度不够，依法加强行业管理的意识不强。
2.新的机遇与挑战
（1）国家发展战略对水文发展提出新要求
在京津冀协同发展重大国家战略背景下，北京作为首都应发挥首善精神，立足流域管理与津冀协同应对流域性洪水威胁、水资源配置和生态修复等问题。在洪水测报、水生态环境测报基础上，推进华北地区地下水超采治理，对北京水文工作的保障能力提出更高要求。开展海绵城市建设，充分发挥绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，需要进行降雨径流水质水量监测，对水文感知、复杂下垫面条件下的水文监测提出新要求。
（2）新时期水务工作赋予水文发展新任务
一是需要建设更加精准的水文监测体系。近年城市极端降雨频繁发生，2004年以来共有158个雨量站点、累计210站次出现过极端降雨，各主要河道、城市河湖、山区小流域时常发生内涝灾害，给城市运行和人民生命财产安全造成较大影响。为应对极端降雨、突发洪涝灾害等汛期水安全事件呈现的突发性和严重性态势，水文监测、水文情报、预报预警需要更加及时、精准。二是需要建立更加完善的跨界断面水文监测评价体系。围绕洁净、生态、优美的发展目标，打造“洁净、流动、畅通、多样”的生态河湖，通过水生态区域落实市政府改善水环境、修复水生态的责任，遏制上游层层拦截河湖生态流量行为，维护河湖在流域的系统性和水生态的整体性，需构建河湖入境、出界和跨区断面的水量监测评价体系。三是需要构建更加贴心的水文信息服务体系。围绕为民水务的发展目标，需构建水文社会化服务体系。围绕水文惠民，构建和拓展水文数据社会服务应用场景，做好水文的社会化服务，是新时期水文工作重点任务。
（3）智慧水务对水文发展提出新要求
水文数据是水务数据最重要的组成部分，水文工作的主要任务是对水循环数据进行感知、在数据挖掘的基础上提供水文信息服务。北京智慧水文是智慧水务四大监测体系的主体之一，占有重要地位。智慧水务为智慧水文构建水文专有云提供计算、存储、网络及安全等部署和运行的云资源环境，为智慧水文提供水文信息公共服务门户，也为智慧水文提供来自其他部门或水管单位的水位、流量、取水量、污染源等数据。智慧水文可为智慧水务提供雨量、水位、流量、蒸发、洪水预报、地表水监测、地下水监测等水灾害、水资源、水环境、水生态方面的水文数据支撑和洪水预报、水资源管理、水资源评价、地下水预报预警等水文业务系统的分析数据。如何顺应智慧水务发展趋势和建管工作新机制，创新水文工作体制机制，依法加强水文行业管理，给北京水文行业发展带来了新挑战。
（4）新技术为水文现代化建设提供更多选择
卫星遥感、无人机、视频智能识别等先进技术发展日新月异，可实现多方式、多手段水文感知，为水文大数据中心建设获取多源异构水文数据；5G、NB-IOT、北斗、LTE等多种通信技术可优化通信链路升级，支持视频、语音等各种水文数据传输通畅；云计算技术可满足算力、存储、网络和安全的需要和弹性配置；大数据、人工智能（AI）和深度学习等先进技术可用于水文大数据全面治理、深度挖掘、透彻分析、直观可视化和决策服务。新技术的发展可为提高水文智慧化水平提供有力支撑。
三、北京水文监测站网规划主要内容
1.指导思想
坚持“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，落实“安全、洁净、生态、优美、为民”首都水务发展目标，以建设高质量现代化水文站网为主线，以完善水文站网布局、提升自动监测水平和强化“四预”措施为抓手，以强化水文科技创新为支撑，以加强水文管理能力为保障，以优质的水文服务推动新阶段水务高质量发展提供可靠支撑，在全国率先实现水文现代化。
2.规划原则
一是坚持依法监管、协调发展。持续加强水文制度建设，与京津冀协调发展、北京城市总体规划和国家水文现代化规划、水务发展规划重点任务相衔接，统筹兼顾流域与区域、有关部门，以及各类站点协调发展，强化水文行业标准化管理。二是坚持统一规划、分步实施。由全市实施统一规划，各水管单位、区水务局及相关单位按照行业管理要求，分别建设所需要的水文监测设施。三是坚持创新引领、适度超前。依靠前沿科学技术，结合北京水务发展实际，从水资源管理、供用水管理、水环境管理等多角度出发，率先实现水文“站网建设、监测技术、智能处理、质量控制、场景服务”全要素链条管理。四是坚持安全共享、有序开放。打造开放共享的数据中心，同时采用软硬件安全防护技术和装备、进口替代、数据共享管理制度等措施保障数据安全，为水务行业科技创新和社会运行提供数据信息服务。
3.规划指标
依据水利部水文现代化发展指标，结合北京水文发展现状与目标，遵循先进性、科学性、代表性和可操作原则，从水文站网、水文监测能力、信息服务、行业标准化管理等方面，提出北京水文发展规划指标体系，主要规划指标如表1。
4.规划主要内容
针对重要河道、中小河流、跨界河流、地下水超采区、行政管理边界、重要河湖、饮用水源等监测对象，统筹流域与区域、地表水与地下水、水量与水质，完善水文监测站网体系，通过改建和新建做到重要节点全覆盖。
（1）监测站网体系
①雨量站。规划将245个市级雨量站全部升级为称重式雨量计，实现汛期与非汛期降水量的实时监测。规划新建重点功能区雨量站17个，包括凉水河、永定河等，其中区级水务局2个，水管单位15个。持续开展重大活动场馆区域、重点城市功能区的雨量监测站点建设。②水文站。根据水旱灾害防御、水资源管理需求，新建重要河道水量监测站点70处，全市108条流域面积50km2以上河流实现水文监测全覆盖，236条流域面积20km2以上河流布设水文站点的可达到158条，水文监测覆盖率达到67%，比建设前提升34.8%。补充完善中小水库水雨情监测预警设施，并对现有水文监测设施进行改建，实现中小水库水雨情及蓄水量监测预警设施全覆盖，支撑中小水库洪水防御和安全运行需求。新建中小型水库水文监测设施21处。为满足生态基流监测需求，新建生态补偿断面监测设施23处。③水质站。实现全市425条河流、41个湖泊水质监测全覆盖，新建地表水资源质量监测站345个；完善平原区地下水保护监测站网体系，新建地下水资源质量监测站393个；根据北京市饮用水源地名录，新建地表水饮用水源地监测站49个，地下水饮用水源地监测站150个。各类站合计为937个。④地下水监测站。以华北地区地下水超采综合治理为重点，结合地下水管理与保护涵养、地下水水位变化通报、地下水超采区划定工作，在大兴和通州区加密新建深层地下水监测站50个；升级改建地下水监测站55个，其中中心城区和玉泉山及白浮泉泉域地下水监测站30个、潮白河沿线地下水自动监测站17个、核心区8个。
（2）水文感知体系
规划构建空—天—地一体化的水文数据立体感知体系，实现水文数据全面感知。充分利用卫星遥感、航摄、智能视频、三维激光扫描、移动巡查等新技术提升水文数据感知能力，实现水情、水文测量、气象、水质、工情、泥沙、冰情以及间接数据的感知。打造统一化、标准化、多源数据接入的水文物联网云平台，统一接入多源、多种类监测数据，进行统一化管理，完成数据感知、数据汇聚、数据集成、数据入库，可进一步实现对水文+水利业务领域的全面感知。构建遥感监测平台。开展五大水系干流、重要支流、大中型水库对象目标的大规模、高频次、多目标提取，应用于黑臭水体治理效果、蓝藻水华、有水河长、有水面积、河湖自然岸线、生态流量等方面监测，摸清河流、水库行蓄滞洪能力。建立智能视频监控系统，实现对水文站点、城市积水点等远程视频实时监控和智能分析，对河道水位、水量智能化监测、突发性水污染以及山洪监控等建立无人机自动巡检系统，支持远程操控无人机对河湖水质、突发险情、调水跟踪、洪水洪灾影响调查、突发水污染事故现场调查。研发无人船自动巡检系统，可远程操控无人船巡航，实现河湖的水质采集、河道断面测量等。通过三维激光扫描设备，利用三维点云建模技术，实现非接触测量，可应用于河道水库淤积测验；获取水工建筑物的典型断面及其主要坐标点信息，进行变形分析及三维可视化和虚拟仿真。构建鸟类等物种AI智能识别自动监测平台，实现对鸟类等流动性大、人工监测难度大的关键物种自动监测；构建eDNA监测技术平台，实现对贝类等底栖动物的监测，提高外来物种监测能力。
（3）水文服务体系
面向全市继续发挥水文信息服务的基础性、保障性、支撑性的“底座”能力，初步构建较为完善的水文信息服务体系，提升水文场景化服务能力。分流域和重点河道，综合应用GIS（地理信息系统）、BIM（建筑信息模型）、CIM（城市信息模型）数据信息技术，对重要控制性工程开展水文场景化应用服水水文气象要素数据的时空分布特征及调度过程；嵌入河道、水库、闸坝等的工程指标、洪水特征值、调度预案资料，接入实时降雨、水位、流量、雷达图、视频等动态信息，综合开展水库、闸坝等洪水调度可视化决策支撑，监测融入调度应用。建立自动巡航在线水资源质量监测技术，建设自动巡航在线水资源质量监测船，实现对湖泊、水库和开阔水域的突发水污染、水华暴发等水资源质量事件时水域中心区采样和应急水资源质量监测。建立全市地表水—地下水耦合数值模型，根据丰水年、平水年、枯水年气候条件，预测不同水资源调度和地下水压采方案下的地表水和地下水的时空演变趋势，以及典型场次降水和区域生态补水的影响情况，揭示全市径流系数、降水入渗系数、蒸散发系数和产水模数的空间分布特征；开展地下水位分析与预报预警、资源量计算和补水影响区域分析；构建中长期和短期的水资源评价服务平台，快速评价和预报预警全市及区域水资源量，更好地服务于北京市的水资源管理和调度等工作。在北京市洪水预报中引入气象数值预报成果，即短期临近降雨预报、短期降雨预报、中长期降雨预报、雷达反演雨量数据耦合洪水预报数据成果，有助于延长洪水预报的预见期，提高洪水预报精度。通过建设数值天气预报预处理成果分析表；中尺度数值天气预报数据成果分析耦合水文预报数据成果；提供次洪分析和参数自动优化，以提高洪水预报精度。
四、结语
大力推动水文现代化建设，完善水文监测功能，构建多元化、智慧化、标准化的水文监测站网体系是新时期水文工作的重要内容。围绕新时代水利和经济社会发展对水文服务的需求，从提升监测能力、提高管理服务水平等方面，对北京市新时期水文站网规划进行探究，初步提出了较为完善的水文监测长效运行机制。实现监测站点全覆盖、信息化自动采集传输、科学高效的管理服务体系，为北京市水文现代化建设提供参考。
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作者:王槿妍 王亚娟 李波 王玉雪 范庆莲 崔寅鹤 郭硕 刘婷婷 单位:北京市水文总站