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從字母“C”管窺水文監測技術現代化

來源:監測處 時間:2019-08-05 作者:趙昕 編輯:蔣純

2018年白格堰塞湖之后,大家追問,在科技高度發達的今天,為什么我們水文監測的技術手段還是相對落后?水文監測技術現代化的問題,需要在整個技術發展的視野下考察,才能得出答案。

近30年水文監測技術發展的這出大戲中,ADCP幾乎是唯一的主角。水位、雨量自記這些“老戲骨”們,盡管“演技純熟”,但自身“戲路狹窄”,難免過氣;而無人機、雷達測流、激光測沙等“小鮮肉”們,雖然圈粉無數,因其“演技浮夸”而實力不濟,難堪大用。唯有ADCP,以一己之力,撐起這段發展大戲。

此文嘗試從一個字母出發,探究水文監測技術的歷史流變與現今困境,探討今后的發展可能。這個字母,就是ADCP中的“C”。

一、從來沒有什么先進的水文監測“專用”設備

被譯作“聲學多普勒流速剖面儀”(英文名Acoustic Doppler Current Profiler)的ADCP,許多人都會認為,它是一種根紅苗正的水文“專用”測流設備。

然而,回溯ADCP的發展史,它和水文監測之間的關系,今后可能會“白頭偕老”,但最初絕非“青梅竹馬”。ADCP中的“C”所代表的“Current”,既沒有流速(velocity)的意思,也沒有流量(discharge)的含義,由此可見,在ADCP研發和命名之初,它與河流測驗是沒有直接關系的。

恰恰是“Current”一詞的本意——海流、洋流,揭示了ADCP真正的源頭。沒錯,ADCP本來是一種海洋設備。ADCP作為流量測驗設備,應用于內陸河流,既不是它的研發初衷,也不是它的最佳應用,更不是它技術進步的驅動力所在。

事實上,不僅僅是ADCP,我們所謂的先進水文監測“專用”設備中,沒有哪一種是為水文監測專門研發的。雷達測掃、LISST、OBS、回聲儀全部源于對海洋的探索和研究。

其中的原因,并不難解釋。海洋探索的背后,蘊藏著巨大的戰略意義,反映了國家的根本利益。在國家毫不計較投入產出,投入巨大沉沒成本的前提下,才能在聲學技術領域產生深厚積淀,研發出ADCP等先進設備。

體量小、底子薄的水文行業,在30年前,絕無可能通過自己的技術力量和市場規模,產生革命性的創新技術。ADCP們,不過是海洋技術的內陸民用轉化,是海洋工業發展到一定階段的產業轉移,一種簡單而又自然的派生而已。

二、中國水文的需求,并沒有得到完全滿足

ADCP們,作為海洋高精尖技術的轉化產品,過去,曾推動了水文監測的革命性發展;未來,則很有可能阻礙水文監測的現代化進程。

30年前,在水文行業還比較弱小、經費十分有限的時候,中國的水文監測,能夠用上這些前期花費巨資研發的ADCP們,可以說是一種幸運,是撿了大便宜。

然而,30年過去,我們慢慢發現,因為ADCP們是一種基于海洋技術的討巧轉化和順勢派生,并不是針對水文行業而原生研發,因此,水文的需求并沒有得到有效的滿足。

現在的水文監測人,不再有使用ADCP們之初的興奮,更多則是這些設備固有局限帶來的困擾,諸如:ADCP大含沙量條件下不適用,LISST需要加裝光程縮短器,聲學測沙領域遲遲未能拓展,回聲儀對不同沙型河床的識別能力很差,不一而足。更不要說,在白格堰塞湖這類極端情況下,所謂的“先進”手段難以作為。

這些問題,如果不深入分析研究,往往將其歸咎于技術本身的限制,難以突破。其實不然,解決這些問題的技術準備早已成熟,只不過是海洋應用沒有相應的需求,產品沒有針對水文行業進行研發罷了。

三、美國的技術框架,不應成為中國水文監測現代化的藩籬

關于水文監測技術現代化,更令人遺憾的,還不是我們的需求沒有得到完全滿足,而是,我們很少思考,中國水文的需求究竟是什么。我們思考的限制,不僅僅來自海洋,更多的來自美國。

美國水文(美國地質調查局USGS),聯合相關企業,通過轉化海洋技術,發明了內河適用的ADCP,并推廣到了全世界。內河ADCP,只不過是美國水文,來滿足美國需求、解決美國問題的產品。然而,美國的需求,不同于中國的需求;美國的問題,也不是中國的問題。

美國自然氣候條件決定了它的災害特性,美國沒有我們這么大的防汛壓力,不需要在白浪滔天、河流封航的情況下,仍然堅持出船測驗,更不需要在超萬年一遇洪水(如白格堰塞湖)的極端情況下進行監測。這就是中國不同于美國的危難險重任務之特點,這也是中國水文人不同于美國水文人的使命擔當之所在。

誠然,科學技術沒有國界,但是科技應用,卻不應脫離一個國家具體的自然條件和國情民意,也不應脫離水文行業的職責要求而空談。

對于應對中國急難險重監測任務的利器——水文監測先進技術,如果眼睛僅僅瞄著美國,當然只能是它給什么,我們就用什么,而無法去深入考慮中國的國情是什么,中國的河流特性是什么,我們到底需要什么。但是,中國水文如果僅僅停留在美國的技術框架下,采用美國的方式手段,是無法解決我們自己特有的問題的。

四、中國的科技積淀,完全能夠支撐自主創新

面對中國水深沙多、災害頻發、環境惡劣的監測條件,其實,ADCP們完全可以突破現在的美式技術框架。未來,滿足中國需求的自主ADCP,能不能是可變聲波編碼的,是水下聲學通訊的,或者是流動監測的?甚至,能否是根據每個測站的不同水文特性,“一站一策”地定制波形識別算法,進行沙量和級配實時監測的?

完全依靠自己的力量,走出一條自主創新之路,我們能夠做到嗎?我的答案是,完全可能,至少技術積累上沒有問題。國產ADCP已經有幾家公司量產,性能也非常接近美國產品。而無論是哪一家企業,之所以能夠在短短幾年內,將技術含量并不低的ADCP國產化,是因為他們背后依靠的是中國強大的科研實力和完整的工業體系。這些力量早已在聲學行業深耕幾十年,不但有深厚的技術積淀,而且在深潛、探測、艦艇等海洋領域有了成熟應用。ADCP的國產化,就是順理成章的事情了。

中國的需求,一直沒變,特殊而強烈;中國的技術,早已就緒,強大而成熟。這是不是意味著,適應中國需要的水文監測關鍵技術,就一定能自發取得革命性發展呢?其實,還有一個重要因素,等待我們去突破。

五、我們只需要做最擅長的事情——集中力量辦大事

通過比較研究,可以發現,發達國家的水文管理,大多是全國一統的。美國,一個典型聯邦制國家,各州地方政府之間具有極大的獨立性,容易各自為政、一盤散沙。然而美國的水文行業,居然是由聯邦政府(相當于中央政府)統一進行組織管理的,全美的水文部門,都是聯邦的派出機構。不僅美國,英、澳、日、韓,也是這樣。

究其根本,山川形便的自然流域,與犬牙交錯的行政區劃,從來都不是重合一致的。這便是一個國家,需要對水文進行跨行政區域、集中統一管理的根本動因。而不產生直接和現實效益的水文公益,也難以由負責局部的地方政府來完全承擔。正是意識到了這兩點,西方國家,在地方與中央充分分權的政治體制下,仍然堅持水文行業的全國(或流域)集中管理。

這種全國一統的管理模式,優點很多,僅就水文監測技術而言,其意義在于,能夠形成集合優勢、產生規模效應、增加話語權、加強創新力,一句話,就是能夠集中力量辦大事。ADCP的內河應用就是最好的例子,其研發與實驗,是USGS舉全美水文之力,根據美國的水文需求,與海洋工業、研發機構、私人企業一起合作完成的。ADCP內河應用成功所依靠的,不僅是美國強大的科技力量,還有USGS的聯邦直屬集中管理體制。

關于集中管理,一個更為人熟知的成功案例,是中國高鐵的發展。我們不妨設想一下,假如高鐵是各省獨立建設管理,假如技術裝備是以車站為單元進行配置,假如創新任務分散到各個地方鐵路局,恐怕,現在我們都還只能乘坐綠皮車吧。

集中力量辦大事原本就是我們國家的制度優勢。令人鼓舞的是,水利部水文司今年啟動了一系列水文監測關鍵技術的科研、創新和建設的統一行動,為打破條塊分割、集中整合資源、形成創新合力,提供了創新機制和運作平臺。

結語

作為中國水文監測的一員,我既為祖國國力的空前強盛而自豪,也為過去水文創新能力的稍遜而略有遺憾,同時,還對水文監測的美好將來而倍感憧憬。

現在中國水文監測的投入,已經十倍、百倍于30年前的規模。水文監測技術的現代化不應該僅僅滿足于“拿來主義”,滿足于配備那些并非針對中國特點研發、技術售后保障不力的美式ADCP們。

建立國家(流域)主導模式,進一步厘清中國水文真實需求,加強“產學研一體化”,探索新的合作研究機制,集中力量辦好大事,我們一定能夠共同擁抱中國水文燦爛美好的明天!

責任編輯:鄭力
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