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从字母“C”管窥水文监测技术现代化

来源:监测处 时间:2019-08-05 作者:赵昕 编辑:蒋纯

2018年白格堰塞湖之后,大家追问,在科技高度发达的今天,为什么我们水文监测的技术手段还是相对落后?水文监测技术现代化的问题,需要在整个技术发展的视野下考察,才能得出答案。

近30年水文监测技术发展的这出大戏中,ADCP几乎是唯一的主角。水位、雨量自记这些“老戏骨”们,尽管“演技纯熟”,但自身“戏路狭窄”,难免过气;而无人机、雷达测流、激光测沙等“小鲜肉”们,虽然圈粉无数,因其“演技浮夸”而实力不济,难堪大用。唯有ADCP,以一己之力,撑起这段发展大戏。

此文尝试从一个字母出发,探究水文监测技术的历史流变与现今困境,探讨今后的发展可能。这个字母,就是ADCP中的“C”。

一、从来没有什么先进的水文监测“专用”设备

被译作“声学多普勒流速剖面仪”(英文名Acoustic Doppler Current Profiler)的ADCP,许多人都会认为,它是一种根红苗正的水文“专用”测流设备。

然而,回溯ADCP的发展史,它和水文监测之间的关系,今后可能会“白头偕老”,但最初绝非“青梅竹马”。ADCP中的“C”所代表的“Current”,既没有流速(velocity)的意思,也没有流量(discharge)的含义,由此可见,在ADCP研发和命名之初,它与河流测验是没有直接关系的。

恰恰是“Current”一词的本意——海流、洋流,揭示了ADCP真正的源头。没错,ADCP本来是一种海洋设备。ADCP作为流量测验设备,应用于内陆河流,既不是它的研发初衷,也不是它的最佳应用,更不是它技术进步的驱动力所在。

事实上,不仅仅是ADCP,我们所谓的先进水文监测“专用”设备中,没有哪一种是为水文监测专门研发的。雷达测扫、LISST、OBS、回声仪全部源于对海洋的探索和研究。

其中的原因,并不难解释。海洋探索的背后,蕴藏着巨大的战略意义,反映了国家的根本利益。在国家毫不计较投入产出,投入巨大沉没成本的前提下,才能在声学技术领域产生深厚积淀,研发出ADCP等先进设备。

体量小、底子薄的水文行业,在30年前,绝无可能通过自己的技术力量和市场规模,产生革命性的创新技术。ADCP们,不过是海洋技术的内陆民用转化,是海洋工业发展到一定阶段的产业转移,一种简单而又自然的派生而已。

二、中国水文的需求,并没有得到完全满足

ADCP们,作为海洋高精尖技术的转化产品,过去,曾推动了水文监测的革命性发展;未来,则很有可能阻碍水文监测的现代化进程。

30年前,在水文行业还比较弱小、经费十分有限的时候,中国的水文监测,能够用上这些前期花费巨资研发的ADCP们,可以说是一种幸运,是捡了大便宜。

然而,30年过去,我们慢慢发现,因为ADCP们是一种基于海洋技术的讨巧转化和顺势派生,并不是针对水文行业而原生研发,因此,水文的需求并没有得到有效的满足。

现在的水文监测人,不再有使用ADCP们之初的兴奋,更多则是这些设备固有局限带来的困扰,诸如:ADCP大含沙量条件下不适用,LISST需要加装光程缩短器,声学测沙领域迟迟未能拓展,回声仪对不同沙型河床的识别能力很差,不一而足。更不要说,在白格堰塞湖这类极端情况下,所谓的“先进”手段难以作为。

这些问题,如果不深入分析研究,往往将其归咎于技术本身的限制,难以突破。其实不然,解决这些问题的技术准备早已成熟,只不过是海洋应用没有相应的需求,产品没有针对水文行业进行研发罢了。

三、美国的技术框架,不应成为中国水文监测现代化的藩篱

关于水文监测技术现代化,更令人遗憾的,还不是我们的需求没有得到完全满足,而是,我们很少思考,中国水文的需求究竟是什么。我们思考的限制,不仅仅来自海洋,更多的来自美国。

美国水文(美国地质调查局USGS),联合相关企业,通过转化海洋技术,发明了内河适用的ADCP,并推广到了全世界。内河ADCP,只不过是美国水文,来满足美国需求、解决美国问题的产品。然而,美国的需求,不同于中国的需求;美国的问题,也不是中国的问题。

美国自然气候条件决定了它的灾害特性,美国没有我们这么大的防汛压力,不需要在白浪滔天、河流封航的情况下,仍然坚持出船测验,更不需要在超万年一遇洪水(如白格堰塞湖)的极端情况下进行监测。这就是中国不同于美国的危难险重任务之特点,这也是中国水文人不同于美国水文人的使命担当之所在。

诚然,科学技术没有国界,但是科技应用,却不应脱离一个国家具体的自然条件和国情民意,也不应脱离水文行业的职责要求而空谈。

对于应对中国急难险重监测任务的利器——水文监测先进技术,如果眼睛仅仅瞄着美国,当然只能是它给什么,我们就用什么,而无法去深入考虑中国的国情是什么,中国的河流特性是什么,我们到底需要什么。但是,中国水文如果仅仅停留在美国的技术框架下,采用美国的方式手段,是无法解决我们自己特有的问题的。

四、中国的科技积淀,完全能够支撑自主创新

面对中国水深沙多、灾害频发、环境恶劣的监测条件,其实,ADCP们完全可以突破现在的美式技术框架。未来,满足中国需求的自主ADCP,能不能是可变声波编码的,是水下声学通讯的,或者是流动监测的?甚至,能否是根据每个测站的不同水文特性,“一站一策”地定制波形识别算法,进行沙量和级配实时监测的?

完全依靠自己的力量,走出一条自主创新之路,我们能够做到吗?我的答案是,完全可能,至少技术积累上没有问题。国产ADCP已经有几家公司量产,性能也非常接近美国产品。而无论是哪一家企业,之所以能够在短短几年内,将技术含量并不低的ADCP国产化,是因为他们背后依靠的是中国强大的科研实力和完整的工业体系。这些力量早已在声学行业深耕几十年,不但有深厚的技术积淀,而且在深潜、探测、舰艇等海洋领域有了成熟应用。ADCP的国产化,就是顺理成章的事情了。

中国的需求,一直没变,特殊而强烈;中国的技术,早已就绪,强大而成熟。这是不是意味着,适应中国需要的水文监测关键技术,就一定能自发取得革命性发展呢?其实,还有一个重要因素,等待我们去突破。

五、我们只需要做最擅长的事情——集中力量办大事

通过比较研究,可以发现,发达国家的水文管理,大多是全国一统的。美国,一个典型联邦制国家,各州地方政府之间具有极大的独立性,容易各自为政、一盘散沙。然而美国的水文行业,居然是由联邦政府(相当于中央政府)统一进行组织管理的,全美的水文部门,都是联邦的派出机构。不仅美国,英、澳、日、韩,也是这样。

究其根本,山川形便的自然流域,与犬牙交错的行政区划,从来都不是重合一致的。这便是一个国家,需要对水文进行跨行政区域、集中统一管理的根本动因。而不产生直接和现实效益的水文公益,也难以由负责局部的地方政府来完全承担。正是意识到了这两点,西方国家,在地方与中央充分分权的政治体制下,仍然坚持水文行业的全国(或流域)集中管理。

这种全国一统的管理模式,优点很多,仅就水文监测技术而言,其意义在于,能够形成集合优势、产生规模效应、增加话语权、加强创新力,一句话,就是能够集中力量办大事。ADCP的内河应用就是最好的例子,其研发与实验,是USGS举全美水文之力,根据美国的水文需求,与海洋工业、研发机构、私人企业一起合作完成的。ADCP内河应用成功所依靠的,不仅是美国强大的科技力量,还有USGS的联邦直属集中管理体制。

关于集中管理,一个更为人熟知的成功案例,是中国高铁的发展。我们不妨设想一下,假如高铁是各省独立建设管理,假如技术装备是以车站为单元进行配置,假如创新任务分散到各个地方铁路局,恐怕,现在我们都还只能乘坐绿皮车吧。

集中力量办大事原本就是我们国家的制度优势。令人鼓舞的是,水利部水文司今年启动了一系列水文监测关键技术的科研、创新和建设的统一行动,为打破条块分割、集中整合资源、形成创新合力,提供了创新机制和运作平台。

结语

作为中国水文监测的一员,我既为祖国国力的空前强盛而自豪,也为过去水文创新能力的稍逊而略有遗憾,同时,还对水文监测的美好将来而倍感憧憬。

现在中国水文监测的投入,已经十倍、百倍于30年前的规模。水文监测技术的现代化不应该仅仅满足于“拿来主义”,满足于配备那些并非针对中国特点研发、技术售后保障不力的美式ADCP们。

建立国家(流域)主导模式,进一步厘清中国水文真实需求,加强“产学研一体化”,探索新的合作研究机制,集中力量办好大事,我们一定能够共同拥抱中国水文灿烂美好的明天!

责任编辑:郑力
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