1.1 研究背景
我国1955年颁布的《水文测站暂行规范》确定全国水文测站采用驻测方式并一直沿用。驻测方式管理的测验断面较少，效率低下，且导致大量水文观测人员困守水文测站。随着社会的进步，原有水文测站正远远不能满足社会对水文信息的需求，增加水文测站受人力物力限制又有其极限。如何用有限的人力资源获取最多的水文信息，同时满足我国对水文测验时效和精度的要求？通过发展先进的水文测验方法和技术手段，创新原有的水文测验管理体系，并构建适应新的水文测验管理体系的水文测验服务体系、技术支撑体系，以及质量控制体系是水文监测发展的必然之路。
水文测验的内容涉及降水量、蒸发量以及河流、湖泊内的水位、流量、泥沙、水体化学成分的变化过程。随着自动化、信息化技术的迅猛发展，我国水位、降水量的信息采集、储存与传输实现了自动化。而流量、泥沙测验因受现有技术水平的限制，仍使用传统的测验方式，效率低下。若不对流量、泥沙项目的测验方法实施创新，将导致大量水文观测人员困守水文测站，众多需要水文信息的地方无力开展水文监测工作。同时，我国现有的基于水文测站驻守的管理体制，使得水文勘测工仅满足于常规测量、取沙等简单的重复劳动，制约了水文测验的技术进步。
本研究总结了长江委水文局承担的国家“六五”“七五”“八五”“九五”“十五”科技攻关，“十一五”科技支撑计划，国家基础研究计划，水利部公益项目专项，“948”引进技术等科研成果，是长江委水文局科技成果的集成。
1.1.1 国内外水文监测体系差别
我国水文监测管理体系和流量、泥沙项目的测验方法与发达国家相比，主要存在着以下方面的差异。
1.水文测验管理体系
发达国家因社会保险体系较为完备，当洪水灾害来临时，可通过大量气象、水文信息来判断可能灾害的大小量级即可，因而对单个水文测站的时效性、准确性要求不是太高。发达国家的水文站网密度大，水文测员少，其流量、泥沙测验项目均为巡测方式，即1人或数人开展某一区域较多水文测站的巡测工作，以区域各类测站信息弥补单站信息的不足。我国由于雨热同季，洪灾严重，绝大多数水文测站最初的设站目的主要为防洪，外加我国沿江沿河人口密集，对水文测验的时效性及相应的预报精度要求较高，故绝大多数的水文测站的流量、泥沙测验则实行的是驻测方式，约平均10个职工（含各级水文管理人员）承担1个水文站的测验工作，与发达国家的水文测验管理体系差异明显。
2.流量、泥沙测验技术
流量测验技术方面，发达国家众多水文测站通过水平式声学多普勒流速仪、超声时差法实现了流量实时在线测量，对于大江大河也均使用了流量快速测验技术，如采用走航式声学多普勒流速仪进行流量巡测等。我国受国力和技术所限，除极个别水文测站实现实时在线测流或采用流量快速测量技术外，绝大多数水文站仍使用常规流速仪按测线测点布设方式进行流量测验，测验工作量大且费时较多，这也是导致我国水文测站采用驻测方式且人员较多的原因。泥沙测验技术上，发达国家水文测站泥沙测次要求较少，通常使用激光（或超声波）类等新技术制造的现场测沙仪进行测量，测验完毕即可提交泥沙成果。我国绝大多数水文站的泥沙测验仪器则比较陈旧，在缆道站主要使用调压式积时式采样器，在水文测船上则仍使用古老的横式采样器，采样经沉淀、过滤、浓缩、烘干、称重、计算等工作流程完成后才能整理出泥沙成果，两者技术上存在较大的差异。
3.单站水文测次数量方面
流量测次方面，发达国家极少有固定值守的水文测站，大多采用巡测断面模式。以美国为例，每个巡测断面每年的流量测次一般在8～12次，大洪水年份也不超过30次。在我国的大多数水文站，天然河道上的常年站其流量测次一般在100次左右，大洪水年份流量测次会更多，达200次以上；在受水利工程建设影响的水文测站，其流量测次则在300次左右，有的甚至更多。在泥沙测次方面，因发达国家水土保护较好，河水清澈，含沙量较小，泥沙测次极少，大多数水文测验断面不进行泥沙测验，极少数水文站的泥沙测验主要集中在汛期，测次与流量基本相当。我国主要江河上均开展泥沙测验工作，特别是黄河、长江，其泥沙测验任务则更大，一般水文站的单样含沙量（以下简称“单沙”）测次数量一般在200次左右，有的多达300次以上；断面平均含沙量（以下简称“断沙”）的测次数量，使用单—断沙关系进行整编的站，断沙测次数量一般在30次左右；使用断沙过程线整编的站，其测次数量在100次左右。由此可见，我国水文站的流量、泥沙测次与美国相比较明显偏多。
1.1.2 水文监测体系创新难点
针对我国水文监测体系及流量、泥沙测验技术与发达国家存在的差距，除要充分发挥现有水文职工的工作积极性外，还应以创新流量、泥沙测验方法为手段，借鉴发达国家水文监测体系的经验，促进我国水文监测体系创新，逐步形成“与国际接轨，有中国特色”的水文监测管理体系，即满足我国经济社会对水文测报各类需求的“巡测优先、驻巡结合、应急补充”的综合水文监测体系。
然而，我国现有的水文测验技术水平与创新的水文监测体系不相适应，主要是水文测验自动化、信息化水平严重落后发达国家。为使水文更多更好地为社会提供服务，逐步实现具有“巡测优先、驻巡结合、应急补充”的中国特色水文监测体系，需开展以下工作。
1.水文测站驻测、巡测、间测的需求技术
水文监测体系的创新，一方面要打破由驻守水文站进行流量、泥沙测验的管理体系，对现有的水文测验方式与管理体系进行创新；另一方面，还要对实现水文巡测、间测的技术与方案进行研究探索，并根据水文测站在防汛减灾与最严格的水资源管理等方面的重要作用，合理安排重要防洪或水资源管理控制测站的驻测时机。
如何确定哪类水文测站实行巡测，哪类水文测站开展间测，重要防洪控制水文测站驻测时间的选择等，我国水文测验技术规范尚无明文规定或成熟的技术。结合我国各类经济社会发展需求，开展现有及新建水文测站的观测项目的精度、频次等需求分析研究，确定水文测站实行巡测、间测、驻测条件与技术要求，扩大新设水文测验站网的规模，是我国水文监测体系创新的关键。
2.水文全要素测验方案优化技术
我国现有的水文站已收集近50年完整的系列资料，水位、降水量已实现了自动记录、自动储存与自动传输，如何在保证流量、泥沙测验与整编精度的前提下，充分利用水位—流量、单沙—断沙的稳定关系，或将水位—流量关系通过单值化合理地安排流量、泥沙的测次分布，确定水文测站的流量、泥沙测验的优化方案，是我国水文监测体系创新的基础。
3.水文测验的实时在线技术
我国许多水文站的流量、泥沙测验都面临两个方面的问题：一方面是受工程影响，水位与流量关系、流量与含沙量的关系、水沙运动规律都发生了变化，测站水文各要素间的相互关系变得越来越复杂，传统的水文测验与资料整编方法遇到困难。另一个方面是防洪减灾与最严格的水资源管理对水文服务提出了更严的要求，如在警戒水位以上，水文测次分布要以满足以防洪减灾预报的需求；在枯水时期，水文测次分布则应满足实施最严格的水资源管理的需求，以保证江河、湖泊的生态基流所需的流量。要解决上述问题与满足社会经济发展对水文测验的要求，水文测站则必须大力推进实时在线新仪器、新技术的应用，在保证水文测验精度的要求下，提高水文测验的时效性。
随着科学技术的发展，实时在线水文测验的新仪器、新技术的不断涌现，但因我国的技术规范未能将其列入其中，从而限制了其在水文基本资料测验中的应用。如何使研制或引进的新仪器、新技术满足我国水文测验技术规范的要求，使之保证水文资料系列的连续性与一贯性，开展流量、泥沙测验的新仪器、新技术的应用性研究是基础，也是水文监测体系创新的前提。
4.提高现有水文站快速测验技术
我国绝大多数水文测站采用缆道或测船进行水文要素的测量，流量测量仪器主要采用流速仪，悬移质泥沙仪器主要采用横式采样器或积时式采样器。流速仪测量采用逐线逐点进行，每点测时不得少于60～100s，极为费时费力，且缆道或测船控制困难；悬移质泥沙则需与流量测验同时进行，进一步增加了测验的时间与难度，同时，悬移质泥沙样品还需经沉淀、过滤、浓缩、烘干、称重、计算等程序，时效性极差。
在我国尚无能力全面配置实时在线测验设备的情况下，如何充分挖掘现有水文监测设备潜力？开展现有水文站快速测验的技术研究，使现有设施设备自动化，测验结果的现场化，流量与泥沙测验的异步化，对水文监测体系创新异常重要。
1.1.3 水文监测体系创新进程
水文监测体系创新涉及的范围极广，既有水文测验管理体系的创新，又有水文测验理论体系的创新，还有测验仪器设备的研制、引进、消化，技术的创新等。长江委水文局自成立以来一直致力于上述内容的创新，主要体现在以下几点。
1.水位—流量关系单值化理论与水文巡测的实施
20世纪80年代以前，我国所有水文测站全部为驻守测站，1972年，长江委水文局将原用连时序法进行测验与整编定线的监利站试用落差指数法处理，获得了水位—流量关系单值化的初步成果。其后，为推进测验体制创新，实行站队结合、巡测、间测的需要，对受变动回水和洪水涨落混合因素影响的水位—流量关系单值化处理方法进行研究，首次提出了综合落差指数的概念，并在处理技术上取得了成功，并成为我国首个水文巡测队——洞庭湖水文水资源勘测队成立的技术支撑，开创了我国水位—流量关系单值化研究与应用的先河，为实施测站流量测验的巡测、间测奠定坚实的基础。
长江委水文局在2005年7月1日在全国率先实现了全流域自动报汛，在实施水位、降水量测报自动化方面取得成功，并在流量、泥沙测验自动传输方面进行了有益尝试。为解决流量、泥沙测验时效性等问题，长江委水文局于2008年开始将各类仪器、设备、方法创新进行总结、归纳及推广应用，完成了水文测验方式方法创新，并按新体系、新方式、新方法进行运行。
目前，长江委水文局在交通条件较好的水文勘测队（或勘测分局）测区，结合所属巡测范围，分别实施驻测、巡测、间测、校测或几种方法相结合的管理模式。对已积累较长系列资料且具有较好水位—流量关系为单一线的测站已按“无人值守，有人看管”模式进行水文测验与管理，并使用先进的测验仪器（如声学多普勒流速仪）提高测验能力，按《水文巡测规范》（SL 195—97）要求实行水文巡测，水文监测体系创新成果初步显现。
2.水文测验载体的创新
我国水文测验过河设备主要为水文缆道和测船。1956年，长江委水文局在北碚水文站首创了我国第一座水文测验专用的机动缆道，缆道建成后，国内各地以及当时苏联纷纷索取资料，并进行研究与推广应用。20世纪70年代后期又对测深、测速、测沙控制和信号传输、防雷等组织攻关，从而使我国水文缆道技术在国际上处于领先水平，直至现在发达国家来华访问水文缆道亦为参观首选。近年来，主要针对水文缆道的自动控制、智能控制方面进行创新，长江委水文局成功研制了“EKZ-1型水文缆道测验智能控制仪”，并在所有利用缆道测验载体的水文站进行推广应用，使水文缆道的流量、泥沙测验实现了自动化或半自动化，为巡测、无人值守创造条件。
水文测船如用常规流速仪测流、常规采样器取沙，则实施控制测船与、测速、测沙的仪器是难点。1973年，长江委水文局综合各类水文绞车的优点，将锚位、测速、测沙控制技术融为一体，设计定型了GD-150型水文绞车，其基本格局一直沿用至今。近年来，根据水文绞车受力特点及技术进步，主要在自动控制等方面进行了创新，长江委水文局在2005年研制成功了“EKZ-2型水文测船测验智能控制仪”，实现了水文测船流量、泥沙测验的自动化。
3.快速测流技术的突破
1979年，长江委水文局受水利部水文局的委托，开展动船测流仪器设备的研制、试验，于1981年研制成功了DCY型动船测流仪。DCY型动船测流仪首创了以陀螺为测角指示方向，解决了将机械角转换成电讯号的技术关键，能自动测角和瞬时测速，开创了大江大河流量快速测量的新时期。1985年又研制成功了IHZ-2A型动船测流仪，进一步提高了自动化程度。20世纪90年代，长江委水文局率先引进了声学多普勒流速仪全方位地开展了声学多普勒流速仪比测试验与研究工作。为解决铁质测船对声学多普勒流速仪工作磁场的干扰，以及河床泥沙输移运动对测船航速相对位移的影响，通过使用外接设备GPS罗经，解决了铁质测船对声学多普勒流速仪磁场的干扰问题；外接高精度GPS，解决了河床底部沙质推移质运动给水文测船航速的影响问题，实现了流量快速测验技术的突破。
4.泥沙测验仪器的研制
悬移质泥沙测验是水文测验的难点之一，其最大的问题在于水样采取工作量大，泥沙处理时间长，效率极为低下。为提高泥沙采样效率，长江委水文局进行了大量的研究工作，于1970年研制并完善了二通道平堵式JL-1型调压积时式采样器；1985年又研制了四通道滑阀JL-3型缆道采样器和JX型采样器，通过鉴定后先后投入使用；2005年，又研制了YAX2-1型调压积时式采样器，成功用于缆道、测船测站的悬移质泥沙测验。进入21世纪后，为提高泥沙测验的时效性，长江委水文局引进了悬移质泥沙测验仪器——现场测沙仪器（如LISST系列仪器，OBS、浊度计等）和泥沙颗粒分析仪——激光粒度分布仪，并根据长江干流不同河段的泥沙特性，使用不同类型的现场测沙仪进行比测试验。如在长江口河段使用OBS类仪器、在中下游河段使用LISST类仪器、在上游河段使用浊度计与传统的测沙仪器进行泥沙比测试验工作，为悬移质沙的快速监测和实时在线监测创造了条件，为开展泥沙巡测奠定了基础。
长江委水文局于20世纪70年代初期，研制完成了长江73型沙质推移质采样器，1978年研制成Y78-1型沙质推移质采样器。经水槽试验、野外比测与天然河道坑测法比较，证明Y78-1仪器性能稳定、成果可靠。1985年7月，作为中美双方交换的推移质仪器在美国圣海仑水文试验站与美国史密斯采样器比测，获美国水文界的认同，并被列入国际水文技术交流HOMS咨询手册。
1964年长江委水文局研制成功了64型砾卵石推移质采样器，1980年在64型的基础上研制成果了长江80型、长江80-1型砾卵石推移质采样器，经过试验，该型号的采样器的采样效果与64型砾卵石推移质采样器一样好。20世纪80年代在80型砾卵石采样器的基础上，又研制成功了80-2型砾卵石推移质采样器。