新疆他什店數(shù)字化水文站建設(shè)及運行分析

周 紅

（新疆水文水資源局，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

近年來數(shù)字化技術(shù)迅猛發(fā)展，呈現(xiàn)出非常廣闊的應(yīng)用前景，數(shù)字化水文站建設(shè)在國內(nèi)很多地方已有比較成功的經(jīng)驗[1]。但是新疆地域遼闊，截止到2012 年底，只有國家基本水文站 132 個，且大多處在偏遠(yuǎn)山區(qū)，站網(wǎng)布設(shè)少且不合理。為滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，以數(shù)字化技術(shù)為手段提高水文站的測報能力，對改變新疆自動測報水平顯得尤其重要。

新疆他什店水文站建于 1981 年，屬國家重要水文站和報汛站，測驗河段地處孔雀河上游段，是迄今為止開都河、孔雀河流域通過孔雀河向塔里木河（以下簡稱塔河）輸水的水量控制站，在塔河水量調(diào)度中具有十分重要的作用。為了改變原先他什店水文站使用的測驗設(shè)施和設(shè)備陳舊落后，測驗方式傳統(tǒng)原始的狀況，2003 年塔河綜合治理工程將該站列為重要的水量調(diào)度控制站，并對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了現(xiàn)代化改造，具備了實現(xiàn)數(shù)字化水文站的基礎(chǔ)條件，目前他什店水文站已成為具有先進(jìn)技術(shù)裝備和管理系統(tǒng)的新疆第 1 座數(shù)字化水文站，為新疆?dāng)?shù)字化水文站建設(shè)起到示范作用。

1 他什店數(shù)字化水文站組成

他什店數(shù)字化水文站分為 4 層體系結(jié)構(gòu)，底層為數(shù)據(jù)采集層，利用各種傳感器將所需數(shù)據(jù)采集至前端 RTU 中，數(shù)據(jù)傳輸采用有線方式；第 2 層為數(shù)據(jù)傳輸層，將前端 RTU 采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字化處理后，通過多種通訊方式傳輸至網(wǎng)絡(luò)，主要有RS-485、無線超短波、光纖等多種通訊形式；第 3層為計算機(jī)局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過局域網(wǎng)連接服務(wù)器、接收處理計算機(jī)和查詢工作站，可在任何工作站上進(jìn)行水文信息的實時查詢及管理；最上層為廣域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可與上級主管部門進(jìn)行信息傳輸，同時也可通過廣域網(wǎng)查詢水文站的實時采集信息[2]。他什店數(shù)字化水文站結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 各子系統(tǒng)構(gòu)成及功能

2.1 數(shù)據(jù)采集層系統(tǒng)

2.1.1 水位自動監(jiān)測系統(tǒng)[3]

水位自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由超聲波水位計、水溫傳感器、無線電臺、超聲波水位顯示設(shè)備等組成?？蓪崿F(xiàn)以下功能：1）定時采集水位、水溫數(shù)據(jù)（可自定義采集時間）；2）水位、水溫數(shù)據(jù)自動存儲功能；3）水位、電壓、故障報警功能。

圖1 他什店數(shù)字化水文站結(jié)構(gòu)

2.1.2 流量自動監(jiān)測

流量自動監(jiān)測系統(tǒng)可實時測量全斷面的斷面流速和流量，主要由走航式 ADCP、筆記本電腦（備用數(shù)據(jù)采集平臺）、串口通訊服務(wù)器、通訊傳輸設(shè)備、電源等組成。系統(tǒng)工作時，只需對走航式 ADCP 進(jìn)行集成，通過光纖網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程進(jìn)行 ADCP 測流。

2.1.3 氣象多參數(shù)自動測報

氣象多參數(shù)自動測報系統(tǒng)主要由遙測雨量計、蒸發(fā)器，氣溫、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，以及遙測數(shù)傳終端、蓄電池、直流穩(wěn)壓源、485 轉(zhuǎn)換器、百葉箱等設(shè)備組成?？蓪崿F(xiàn)以下功能：1）實時采集雨量、蒸發(fā)量、氣溫、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等水文氣象要素；2）采集數(shù)據(jù)自動存儲功能。

2.1.4 視頻監(jiān)控設(shè)施

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)由攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)、可變焦鏡頭、室外防護(hù)罩、室外全向云臺等設(shè)備組成， 通過光纖網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測采集的圖像數(shù)據(jù)傳送至中控室?？蓪崿F(xiàn)以下功能：1）實時采集視頻信號；2）視頻服務(wù)器可實現(xiàn)對云臺的操作控制；3）視頻計算機(jī)可實現(xiàn)對鏡頭的變焦控制；4）視頻信號可實時錄像。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)將前端監(jiān)控設(shè)施采集到的水文數(shù)據(jù)實時傳輸至中心站點的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以便于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的計算機(jī)對其進(jìn)行分析與處理。

1）水位測量數(shù)據(jù)傳輸。本項目中的水位斷面距中心機(jī)房約 480 m，通過超聲波水位計將采集的水位數(shù)據(jù)傳輸至觀測房前端 RTU。通過無線電臺通訊系統(tǒng)與中心站實現(xiàn)通信，同時在觀測房增建水溫傳感器 1 臺，與水位數(shù)據(jù)一起傳輸至中心機(jī)房。

2）流量數(shù)據(jù)傳輸。自動流量測量（ADCP）系統(tǒng)距中心站 480 多 m，在觀測房增加 1 臺 RS-232 轉(zhuǎn)換網(wǎng)口的設(shè)備，由光纖通過交換機(jī)轉(zhuǎn) RS-232 遠(yuǎn)程進(jìn)行 ADCP 測流，再將每次測量結(jié)果轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)庫。

3）遠(yuǎn)程監(jiān)視圖像傳輸和查詢。在觀測房通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光纖收發(fā)器將遠(yuǎn)程監(jiān)視圖像傳輸至中心站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，中心站點的工作站通過遠(yuǎn)程方式，實現(xiàn)現(xiàn)場所有實時圖像的調(diào)閱及錄像的查詢，也可對全方位云臺及攝像機(jī)的焦距進(jìn)行調(diào)整和控制。

4）氣象測量參數(shù)傳輸。氣象場距中心站 40 m，將所有氣象測量參數(shù)由設(shè)在現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集儀采集存儲，利用 RS-485 通訊傳輸至中心站計算機(jī)。

2.3 中心控制系統(tǒng)

中心控制系統(tǒng)是各項信息接收處理的核心。利用信息接收處理軟件，實現(xiàn)對水位、水溫、流量、多參數(shù)氣象信息的接收和初步處理及入庫；同時對入庫信息進(jìn)行加工處理，生成所需的數(shù)據(jù)；再利用信息服務(wù)軟件實現(xiàn)對各種入庫信息的管理、存貯、處理、實時監(jiān)測、查詢、分析等。

2.3.1 數(shù)據(jù)的實時接收入庫

2.3.2 數(shù)據(jù)的處理及報文生成

數(shù)據(jù)的處理軟件利用觸發(fā)器技術(shù)，將實時采集的入庫數(shù)據(jù)，在滿足指定的條件下，按照SL247-1999《水文資料整編規(guī)范》和《地面氣象觀測規(guī)范》的要求，分別計算出相應(yīng)的日、旬和月值，同時裝入國家實時雨水情數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的日表或統(tǒng)計表中。同時從實時采集的數(shù)據(jù)值中挑選出相應(yīng)的日、旬、月極值，裝入相應(yīng)的極值表中。因為水文與氣象規(guī)范在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)時不完全一致，如降水、蒸發(fā)的觀測在水文上以每日上午 8∶00 為日分界，而在氣象上卻以每日 20∶00 為日分界，因此數(shù)據(jù)處理時遵循的原則是先水文規(guī)范，后氣象規(guī)范。

報文生成是按照 SL330-2005《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》的要求，根據(jù)入庫的實時、日、旬、月數(shù)據(jù)，在規(guī)定的每日、旬、月上午的 8∶00，分別編制成水情日、旬和月報，同時將形成的報文數(shù)據(jù)入庫，并可隨時將形成的報文發(fā)送至上級主管部門[4]。

2.3.3 實現(xiàn)的功能

中心控制系統(tǒng)主要包括以下幾個功能：1）對實時采集數(shù)據(jù)的監(jiān)控及超警戒報警?？梢员O(jiān)控所采集的水位、水溫、流量、降水、蒸發(fā)等要素，并對異?；虺渌?、流量進(jìn)行報警。2）數(shù)據(jù)的查詢。可以對入庫的所有項目實時數(shù)據(jù)和計算成果進(jìn)行查詢。3）數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。可以對時段水量和雨量進(jìn)行統(tǒng)計分析，并能點繪雨量、流量過程線圖。4）用戶管理。對用戶和權(quán)限進(jìn)行管理，保證數(shù)據(jù)使用的安全性。5）流量自動測量和計算。主要通過遠(yuǎn)程控制流量的自動測量和計算。6）視頻監(jiān)控。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控斷面的水位變化。7）電源管理。通過遠(yuǎn)程控制觀測房內(nèi)電源的開關(guān)。8）報文發(fā)送。提取入庫的報文，將其發(fā)送到指定目的地。

3 他什店數(shù)字化水文站運行分析

他什店數(shù)字化水文站于 2009 年 7 月安裝調(diào)試完成，8 月進(jìn)行了初驗，年底進(jìn)行了終驗，并投入正式運行。為保證自動采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對自動監(jiān)測與人工觀測的數(shù)據(jù)值進(jìn)行了對比分析。首先對自動采集入庫的數(shù)據(jù)次數(shù)與根據(jù)設(shè)置要求應(yīng)該入庫的次數(shù)進(jìn)行對比，分析數(shù)據(jù)入庫的完整率；其次將自動采集入庫的數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)值進(jìn)行對比，以判斷數(shù)據(jù)之間是否存在誤差，誤差是否滿足測驗規(guī)范的要求。由于數(shù)據(jù)較多，經(jīng)分析在汛期數(shù)據(jù)變化比較頻繁，絕對值誤差相對較大，因此選取了 2012 年 7月 1 日至 8 月 17 日之間的數(shù)據(jù)，作為代表性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用 1 個多月連續(xù)觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，說明數(shù)據(jù)采集入庫較及時，不存在漏傳現(xiàn)象，因此只對數(shù)據(jù)的絕對誤差進(jìn)行分析。

根據(jù)他什店數(shù)字化水文站的情況，對于自動采集的水位、水溫、蒸發(fā)及氣溫等數(shù)據(jù)設(shè)置為每小時入庫 1 次。

課堂教學(xué)設(shè)計是根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和教學(xué)對象的特點，將教學(xué)諸要素合理安排與優(yōu)化組合，確定合適而有效的教學(xué)方案的設(shè)想和計劃，它對課堂教學(xué)具有定向作用。一般主要包括教學(xué)內(nèi)容(或課題)、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點、教學(xué)難點、教學(xué)方法、教學(xué)過程等。在課堂教學(xué)設(shè)計中，要重視“四個圍繞”：要圍繞技能形成，能力培養(yǎng)、素養(yǎng)提升設(shè)計過程；要圍繞知識系統(tǒng)優(yōu)化整體設(shè)計；要圍繞轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式改進(jìn)教學(xué)組織；要圍繞效益提升整合教學(xué)策略。

3.1 水位對比分析

3.1.1 實時水位數(shù)據(jù)的對比分析

實時水位數(shù)據(jù)的對比分析是將 8 和 20 時自動采集與人工觀測的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。本次對比選取人工觀測與自動采集的 96 次數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，其中絕對值差小于 2 cm 的有 93 次，占總測次數(shù)的 96.875%；絕對值差大于 2 cm 的有 3 次，其中最大的差值為 4 cm。逐時水位值誤差對比分析如圖2 所示。

圖2 逐時水位值誤差對比分析圖

3.1.2 日平均水位的對比分析

日平均水位的計算方法分為面積包圍法和算術(shù)平均法 2 種，當(dāng)觀測時距相等時，可采用算術(shù)平均法代替面積包圍法。由于在他什店站水位采集時間為等時距，符合算術(shù)平均法水位計算要求，因此采用算術(shù)平均法計算（日平均水位計算以 0-24 時為 1 日）[5]24。

對水位日表中人工觀測與自動采集的 48 次數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，絕對值差小于 2 cm 的有 46 次，符合規(guī)范要求的占總測次數(shù)的 95.83%；絕對值差大于 2 cm的 2 次中，最大的值差為 3 cm。逐日平均水位值誤差對比分析如圖3 所示。

圖3 逐日水位值誤差對比分析圖

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，雖然水位觀測數(shù)據(jù)存在誤差，但誤差與儀器本身因素及數(shù)據(jù)采集和人工觀測時間不完全一致有關(guān)系。根據(jù)分析結(jié)果，水位觀測隨機(jī)誤差在測驗范圍之內(nèi)，滿足測驗規(guī)范要求。

3.2 水溫資料對比分析

自動觀測日均值采用算術(shù)平均法計算，而人工只在每天 8 和 20 時進(jìn)行觀測，根據(jù) SL247-1999《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定，只將每日 8 時值作為日平均水溫[5]61，因此與自動觀測計算的結(jié)果存在一定的誤差，經(jīng)對比大部分誤差在 1°C 左右，與算法有很大的關(guān)系。為此將自動采集水溫日均值的計算方法改為與人工觀測日均值的計算方法一致，這樣可減小因計算方法不同造成的誤差。

實時水溫數(shù)據(jù)的對比分析是將 8 和 20 時自動采集和人工觀測的水溫進(jìn)行對比分析。水溫實時表中人工觀測與自動采集的 96 次對比觀測中，絕對值差小于 0.2°C 的有 70 次，占總測次數(shù)的 72.92%；絕對值差小于 0.4°C 的有 86 次，占總測次數(shù)的90%。

日平均水溫對比分析是將 8 時的自動采集和人工觀測位進(jìn)行對比分析。在水溫日表中人工觀測與自動采集的 48 次對比觀測中，絕對值差小于 0.2°C的有 43 次，絕對值差大于 0.2°C 的有 5 次，占總測次數(shù)的 10.4%。

根據(jù)對比分析結(jié)果，水溫觀測存在隨機(jī)誤差，也存在系統(tǒng)誤差，雖然基本在測驗范圍之內(nèi)，但需進(jìn)一步對采集儀器進(jìn)行校驗，或通過修正測驗數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)誤差，以滿足測驗規(guī)范要求。

3.3 降水資料對比分析

根據(jù)他什店數(shù)字化水文站降水采集情況，降水每達(dá)到 0.2 mm，自動采集儀進(jìn)行 1 次操作和記錄。降水量的統(tǒng)計只進(jìn)行日值對照，人工觀測計算方法為以前日 8 時至次日 8 時降水量累加總和作為前 1日觀測量[5]64；自動觀測計算方法是根據(jù)日時界劃分要求，將該日自動采集的雨量總和進(jìn)行累加求得日降水量。根據(jù)連續(xù)人工觀測與自動采集的 48 次值進(jìn)行對比分析，絕對值差小于 0.2 mm 的有 46 次，符合規(guī)范要求的占總測次的 95.83%。在絕對值差大于0.2 mm 的 2 次中最大的差值為 0.6 mm，另 1 次為0.3 mm。逐日降水量誤差對比分析如圖4 所示。

由于他什店數(shù)字化水文站處于干旱的塔里木盆地，降水量少，雖然總的精度較高，但是在有限的觀測次數(shù)中絕對誤差還是比較大的。由于儀器本身存在一定誤差，既存在隨機(jī)誤差，也存在系統(tǒng)誤差。因此需對雨量傳感器進(jìn)行校驗，或通過修正測驗數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)誤差，以滿足測驗規(guī)范要求。

圖4 逐日降水量誤差對比分析圖

3.4 蒸發(fā)資料對比分析

蒸發(fā)量的統(tǒng)計只進(jìn)行日值對照，人工觀測計算方法為，以前日 8 時至次日 8 時的蒸發(fā)值作為前 1日觀測量，根據(jù)前日 8 時蒸發(fā)量觀測值減去次日 8時蒸發(fā)量觀測值加上前日的降水量值為前日蒸發(fā)量值[5]65。自動采集計算方法是將不同時段的蒸發(fā)量進(jìn)行累加求得。

蒸發(fā)日表中連續(xù)人工觀測與自動采集的 48 次對比觀測中，絕對值差都小于 0.2 mm 只有 11 次，占總測次數(shù)的 23%；小于 1.0 mm 的有 43 次，占總測次數(shù)的 90 %。

蒸發(fā)觀測對比分析的絕對誤差比較大，主要原因是儀器采用稱重方式讀取數(shù)據(jù)，本身存在一定誤差，既有隨機(jī)誤差，也有系統(tǒng)誤差。需進(jìn)一步對采集儀器進(jìn)行校驗，或通過修正測驗數(shù)據(jù)校正系統(tǒng)誤差，以滿足測驗規(guī)范要求。

3.5 氣溫資料對比分析

氣溫自動觀測日均值采用算術(shù)平均法計算，人工每天只進(jìn)行 3 次觀測（8，14，20 時），根據(jù)規(guī)范計算的結(jié)果與自動采集計算的結(jié)果存在一定的誤差。根據(jù)兩者計算結(jié)果，日平均值相差 1°C 左右，有些甚至更高，這與算法有很大的關(guān)系。而根據(jù)逐時觀測值與人工值進(jìn)行比測，誤差絕對值大部分都小于日觀測值誤差。鑒于以上原因，將自動采集氣溫日均值的計算方法改為與人工觀測日均值的計算方法一致，這樣可減小因計算方法不同造成的誤差。人工觀測日平均值計算方法為當(dāng)日 2，8，14，20 時氣溫觀測值的算術(shù)平均值[6]。但 2 時氣溫的人工觀測值為插補值，而自動采集為觀測值，因此在這一點上也存在誤差。日平均氣溫計算方法以每日20 時為日分界。

氣溫日表中連續(xù)人工觀測與自動采集的 48 次對比觀測中，絕對值差都大于 0.2 °C，但大部分小于1.0 °C，大于 1.0 °C 的有 4 次，占總測次數(shù)的 8.3%。

氣溫逐時表中人工觀測與自動采集的 144 次對比觀測中，絕對值差小于 0.2 °C 的有 45 次；大部分都介于 0.2～1.0 °C 之間；大于 1.0 °C 的有 10 次，占總測次的 6.94%。

氣溫的逐時和逐日觀測與對比值之間存在的誤差較大，有隨機(jī)和系統(tǒng)誤差，說明溫度自動觀測還存在一定問題，需要通過對儀器校準(zhǔn)、環(huán)境條件控制等環(huán)節(jié)來減小系統(tǒng)誤差的限值。

3.6 流量、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等對比分析

流量自動測量儀器在本項目中只進(jìn)行了集成，精度已作過對比分析，符合測驗規(guī)范要求，因此在此沒有再做對比分析；濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等項目因為他什店水文站以前一直沒有觀測，因此本次沒有再進(jìn)行對比分析。

4 結(jié)語

通過對他什店數(shù)字化水文站使用的儀器進(jìn)行對比分析，結(jié)論如下：水位、流量設(shè)備誤差較小，滿足測驗精度要求；氣象設(shè)備誤差較大，雖然對氣象儀器重新進(jìn)行了校準(zhǔn)、調(diào)試等，效果不是太理想，但誤差仍然在分析的范圍之內(nèi)，基本滿足整個系統(tǒng)的正常運行和用戶需求。

通過與同類數(shù)字化水文站建設(shè)成果：海河閘水文站運行情況進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)對比分析的結(jié)果基本一致[7]。同時也與《自動氣象站與人工觀測數(shù)據(jù)差異的原因分析》一文中氣象數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果基本一致[8]。

新疆他什店數(shù)字化水文站的建設(shè)，實現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)從自動采集、傳輸，到接收、處理、分析、信息服務(wù)于一體的自動化，提高了水文站的工作效率，全面提升了水文信息處理能力和服務(wù)水平，為今后新疆?dāng)?shù)字化水文站建設(shè)提供了經(jīng)驗，同時也為提高全疆水文自動監(jiān)測技術(shù)水平，實現(xiàn)水文現(xiàn)代化打下堅實的基礎(chǔ)。

但還應(yīng)進(jìn)一步研究分析氣象自動觀測中數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差的原因，為提高氣象自動觀測數(shù)據(jù)精度提供依據(jù)。

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