自記水位條件下河道徑流演進(jìn)分析技術(shù)及應(yīng)用

王育杰 劉合永 羅勐 孟先新 婁書建

摘要：依靠現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段河道遙測(cè)水位設(shè)施設(shè)備進(jìn)行了高效繼承，對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)與徑流演進(jìn)預(yù)報(bào)應(yīng)用進(jìn)行了深度融合。實(shí)踐表明：不同地域、不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、不同終端、不同瀏覽器用戶能夠全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)河道水位、流量變化及徑流演進(jìn)傳播等，實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化與實(shí)時(shí)性，并且具備自動(dòng)跟進(jìn)校正特點(diǎn)，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：徑流演進(jìn)；自動(dòng)校正；遙測(cè)水位；河道

中圖分類號(hào)：P333；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.004

1 概述

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外依據(jù)水文測(cè)站自記水位計(jì)開展河道水流傳播演進(jìn)分析及預(yù)測(cè)的應(yīng)用研究尚屬空白。一些受斷面沖淤、洪水漲落及變動(dòng)回水影響的測(cè)站，因水位一流量關(guān)系點(diǎn)沿時(shí)序的連線常為分布散亂的非單值化曲線或繩套曲線，故給水文測(cè)報(bào)、資料整編及自動(dòng)化應(yīng)用帶來(lái)很大困擾。多年來(lái)，我國(guó)少數(shù)水文部門在一些水位一流量關(guān)系（包括繩套關(guān)系）良好的測(cè)站以落差指數(shù)法等方法進(jìn)行單值化處理，以遙測(cè)水位推求瞬時(shí)流量，但這種方法的自動(dòng)化程度十分有限。同時(shí)，分時(shí)期、分時(shí)段進(jìn)行的人工修線及后續(xù)應(yīng)用存在著嚴(yán)重的繁瑣性、滯后性與低效性，不但缺乏即時(shí)跟進(jìn)的自動(dòng)校正技術(shù)和傳播演進(jìn)自動(dòng)分析與預(yù)測(cè)技術(shù)，而且不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)條件下移動(dòng)終端用戶的自由應(yīng)用。

本研究的主要目的是實(shí)現(xiàn)由實(shí)時(shí)遙測(cè)水位合理地推求相應(yīng)的瞬時(shí)流量，由相應(yīng)的瞬時(shí)流量自動(dòng)推求傳播至下一水文測(cè)站所需的平均耗時(shí)，由平均耗時(shí)推求到達(dá)下一水文測(cè)站的相應(yīng)時(shí)刻；當(dāng)用戶鼠標(biāo)指針指向遙測(cè)水位過(guò)程線上的節(jié)點(diǎn)時(shí)，能夠即時(shí)顯示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的綜合信息，同時(shí)能夠依據(jù)測(cè)站報(bào)汛信息及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)校正或人工強(qiáng)制干預(yù)校正。

在研發(fā)過(guò)程中，筆者發(fā)明了一種低功耗太陽(yáng)能電池充電控制裝置及一種可無(wú)線喚醒的遙測(cè)水位計(jì)LED發(fā)布裝置，研發(fā)了一種兼容多類水位傳感設(shè)備的格雷碼輸出協(xié)議轉(zhuǎn)換器及一種通用極低功耗水文傳感器無(wú)線透?jìng)鬟m配器。依靠現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)及計(jì)算機(jī)編程技術(shù)等解決了一系列難題，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用高度自動(dòng)化、智能化和實(shí)時(shí)化，在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、不同終端及不同瀏覽器條件下，用戶可全天候監(jiān)測(cè)河道徑流的演進(jìn)傳播過(guò)程并進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，顯著地提升了應(yīng)用的技術(shù)水平。

2 實(shí)時(shí)遙測(cè)信息同步傳輸與寫庫(kù)

在一般水文測(cè)站，通過(guò)應(yīng)用低功耗太陽(yáng)能電池充電控制裝置、多類遙測(cè)水位傳感設(shè)備輸出轉(zhuǎn)換器及無(wú)線透?jìng)鬟m配器等設(shè)備，結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)站遙測(cè)水位的異地轉(zhuǎn)發(fā)、上傳和數(shù)據(jù)庫(kù)寫庫(kù)任務(wù)。

要將測(cè)站實(shí)時(shí)遙測(cè)水位同步轉(zhuǎn)發(fā)、無(wú)線上傳和寫入指定數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅需要在不同類型的遙測(cè)水位接收處理機(jī)中接人轉(zhuǎn)換器，而且需要增加工業(yè)級(jí)GPRS模塊及SIM卡，同時(shí)還需要開發(fā)遙測(cè)水位接收處理軟件，這樣才能實(shí)現(xiàn)異地上傳及數(shù)據(jù)庫(kù)寫庫(kù)任務(wù)。

由于GPRS網(wǎng)絡(luò)本身是一個(gè)分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet互通，并且具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無(wú)線上網(wǎng)、移動(dòng)辦公等領(lǐng)域具有無(wú)可比擬的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用此技術(shù)即可充分利用和繼承基層水文測(cè)站現(xiàn)有遙測(cè)水位設(shè)施與設(shè)備，通過(guò)轉(zhuǎn)換器將遙測(cè)水位實(shí)時(shí)信息發(fā)送至工業(yè)級(jí)GPRS模塊，模塊內(nèi)置的SIM卡可通過(guò)移動(dòng)基站與移動(dòng)中心服務(wù)器保持連接，建立TCP/IP通道。當(dāng)GPRS模塊收到水位接收機(jī)傳來(lái)的遙測(cè)水位信息后，便與公網(wǎng)IP地址端口進(jìn)行封包處理與分組傳送，通過(guò)已建立的TCP/IP通道上傳至移動(dòng)中心服務(wù)器內(nèi)GGSN設(shè)備（即GPRS路由器）。該路由器把GPRS模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至Internet網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)至外網(wǎng)企業(yè)路由器端口。若該端口已通過(guò)網(wǎng)路映射方式指向特定數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，則GPRS模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)包就會(huì)自動(dòng)通過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)至指定服務(wù)器上，由部署在該服務(wù)器上的數(shù)據(jù)接收處理軟件完成數(shù)據(jù)包的解析和寫庫(kù)任務(wù)。這種傳輸方式不受距離限制，無(wú)延時(shí)，不丟包，數(shù)據(jù)包進(jìn)行了加密處理并自定協(xié)議，確保了傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?。三門峽水庫(kù)入庫(kù)北干流控制站——禹門口站遙測(cè)水位的轉(zhuǎn)發(fā)、上傳與寫庫(kù)即為此類方式。

3 推流原理與徑流演進(jìn)分析方法

3.1 由遙測(cè)水位推求實(shí)時(shí)流量

為實(shí)現(xiàn)由水文測(cè)站實(shí)時(shí)遙測(cè)水位合理推求相應(yīng)瞬時(shí)流量，首先需要建立測(cè)驗(yàn)斷面遙測(cè)水位一流量關(guān)系基本曲線。這些基本曲線主要包括5類：斷面普遍沖刷型、斷面普遍淤積型、斷面不沖不淤型、斷面上沖下淤型和斷面上淤下沖型。前3類曲線較常見，可視為近似同型曲線，多數(shù)情況下可以通過(guò)沿坐標(biāo)軸方向上下與左右平移進(jìn)行轉(zhuǎn)換或近似表達(dá)，為后期的即時(shí)動(dòng)態(tài)校正提供了可能。后2類曲線一般需根據(jù)測(cè)站遙測(cè)水位一流量關(guān)系進(jìn)行特型定線，定型后也可加入動(dòng)態(tài)校正功能以取得近似應(yīng)用。應(yīng)用中依據(jù)上述5類基本曲線，可參考測(cè)站最新報(bào)汛（推流或測(cè)流）信息及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)校正，由遙測(cè)水位快速推求相對(duì)準(zhǔn)確的瞬時(shí)流量，顯著減少人工分析等繁瑣環(huán)節(jié)與流程，大幅降低工作量，充分體現(xiàn)快速性與靈活性。

3.2 由實(shí)時(shí)流量推求傳播耗時(shí)

由測(cè)站實(shí)時(shí)遙測(cè)水位快速推得相應(yīng)瞬時(shí)流量，為快速推求此瞬時(shí)流量的水流傳播演進(jìn)至下一站所需耗時(shí)提供了可能。當(dāng)然，這種推求是基于區(qū)間來(lái)水較小及水流傳播演進(jìn)過(guò)程近似無(wú)坦化變形為前提的。根據(jù)近幾年黃河北干流及渭河下游主要控制站斷面實(shí)測(cè)流量與平均流速之間的關(guān)系，結(jié)合站間河段長(zhǎng)度、平均縱比降、沿程斷面形態(tài)特點(diǎn)及站間傳播演進(jìn)峰谷擬合分析技術(shù)，可以率定和建立起流量一平均傳播耗時(shí)之間的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式。依據(jù)此表達(dá)式及ASP.net編程技術(shù)，可以由上一站實(shí)時(shí)流量快速推求傳播至下一站的耗時(shí)，并即時(shí)呈現(xiàn)于用戶窗口內(nèi)。

3.3 由傳播耗時(shí)推求到達(dá)下站時(shí)刻

根據(jù)測(cè)站間不同流量一平均傳播耗時(shí)的關(guān)系求得傳播耗時(shí)后，將上一站遙測(cè)水位過(guò)程線上節(jié)點(diǎn)時(shí)刻與之相加，即可求得水流傳播演進(jìn)至下一站的相應(yīng)時(shí)刻。

3.4 在遙測(cè)水位過(guò)程線上即時(shí)顯示綜合信息

利用微軟ASP.net編程技術(shù)研發(fā)Web服務(wù)器應(yīng)用程序的過(guò)程中，通過(guò)逐項(xiàng)推導(dǎo)與分析計(jì)算，可以快速求得用戶鼠標(biāo)指針指示節(jié)點(diǎn)處綜合信息并顯示在遙測(cè)水位過(guò)程線圖形中。顯示內(nèi)容包括當(dāng)前時(shí)刻、相應(yīng)遙測(cè)水位、推求與校正后的瞬時(shí)流量、傳播至下一測(cè)站的耗時(shí)、到達(dá)下一測(cè)站的相應(yīng)時(shí)刻，為掌握河道徑流演進(jìn)信息和開展實(shí)時(shí)徑流預(yù)報(bào)提供了極大的便利。

4 自動(dòng)校正前提及依據(jù)

4.1 自動(dòng)校正前提

在實(shí)際工作中，由實(shí)時(shí)遙測(cè)水位推求相應(yīng)瞬時(shí)流量時(shí)，要依據(jù)符合當(dāng)前實(shí)際情況的遙測(cè)水位一流量關(guān)系曲線來(lái)推流，而這一關(guān)系曲線往往要依靠測(cè)站相關(guān)人員及時(shí)跟進(jìn)的修線工作來(lái)取得。受繁瑣環(huán)節(jié)與復(fù)雜因素的共同制約，異地很難快速取得測(cè)站最新修線信息，特別是電子化信息。因此，要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)校正或人工輔助干預(yù)校正這一最高效的工作方式，就必須充分利用測(cè)站最新率定或定型的5類曲線關(guān)系式及實(shí)際報(bào)汛中所隱含的最新修線信息，這是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正的基本前提。

4.2 依據(jù)報(bào)汛信息自動(dòng)校正

一般情況下，承擔(dān)報(bào)汛任務(wù)的水文測(cè)站在不同時(shí)段和報(bào)汛段次各不相同，但是每日8時(shí)必定報(bào)汛，據(jù)此，由實(shí)時(shí)遙測(cè)水位進(jìn)行推流的自動(dòng)校正工作，每日最少可以更新一次。當(dāng)然，隨著測(cè)站報(bào)汛頻次的增加，或測(cè)站應(yīng)用流速儀等設(shè)備對(duì)斷面流量進(jìn)行實(shí)測(cè)，每天利用測(cè)站推流、測(cè)流信息進(jìn)行自動(dòng)校正的機(jī)會(huì)也會(huì)增加。

4.3 人工干預(yù)校正

當(dāng)測(cè)站測(cè)驗(yàn)斷面的遙測(cè)水位一流量關(guān)系曲線與“普遍沖刷、普遍淤積、不沖不淤、上沖下淤、上淤下沖”5種類型中任何一種不符時(shí)，可以考慮建立特殊的水位一流量關(guān)系進(jìn)行人工強(qiáng)制干預(yù)校正，以提高推流成果的精度，滿足流量過(guò)程預(yù)報(bào)需求。

5 Web服務(wù)程序研發(fā)及應(yīng)用

5.1 ASP.net平臺(tái)技術(shù)

應(yīng)用程序研發(fā)采用B/S架構(gòu)，基于微軟ASP.net 4.0平臺(tái)，保證研發(fā)成果的通用性和可擴(kuò)展性，理論上可以使用任何編程語(yǔ)言如C++、VB、JS等。最適合的編程語(yǔ)言是微軟為.Net Framework專門推出的C#。它是面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，具有面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言的一切特性，如封裝性、繼承性、多態(tài)性等，能很好地克服傳統(tǒng)ASP使用腳本語(yǔ)言編程的缺點(diǎn)與弱點(diǎn)。

5.2 Web組件技術(shù)

該應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，圖與表的顯示使用了新版Web組件技術(shù)，不但無(wú)需下載和安裝任何瀏覽器插件即可實(shí)現(xiàn)類似C/S架構(gòu)的界面風(fēng)格及操作習(xí)慣，根除了以往B/S架構(gòu)難以滿足用戶高品質(zhì)體驗(yàn)的需求等諸多缺陷，而且還能使可擴(kuò)展的UI數(shù)據(jù)層與第三方開發(fā)框架快速整合，充分保證Web界面的擴(kuò)展性與靈活性。對(duì)于使用頻率較高的功能模塊，如圖表顯示、站點(diǎn)選擇等廣泛使用了這一技術(shù)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)站結(jié)構(gòu)、提升了用戶訪問(wèn)速度，還為未來(lái)網(wǎng)站的修改與擴(kuò)展提供了充足的空間。

5.3 兼容性插件與移動(dòng)終端支持

在遠(yuǎn)離日常辦公環(huán)境條件下，用戶可用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境多為廣域網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)，用戶終端為各類PC（如臺(tái)式電腦、筆記本電腦等）或移動(dòng)設(shè)備（如Wad、智能手機(jī)等），用戶瀏覽器也千差萬(wàn)別（如IE、Firefox、Chrome、Safari等）。這些復(fù)雜條件對(duì)Web服務(wù)程序研發(fā)提出了更高要求，即必須兼適不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、不同終端及不同瀏覽器的自由應(yīng)用。為此，不僅要考慮各類PC及移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)的支持性，而且要選擇上述瀏覽器均能兼容的插件。該應(yīng)用系統(tǒng)在Apple系列等移動(dòng)設(shè)備及瀏覽器上取得了滿意效果，其服務(wù)器部署在局域網(wǎng)內(nèi)，在廣域網(wǎng)或移動(dòng)通訊網(wǎng)環(huán)境下，用戶可以借助VPN網(wǎng)絡(luò)隧道或端口映射實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的連接，保障了安全訪問(wèn)與自由應(yīng)用。

5.4 功能模塊及應(yīng)用

以C#語(yǔ)言為主開發(fā)的功能模塊，為瀏覽器用戶提供了瀏覽、查詢及推演分析等實(shí)用功能。五大功能模塊為遙測(cè)水位過(guò)程（Z-t）線/表、實(shí)時(shí)流量過(guò)程（Q-t）線/表Z-t線節(jié)點(diǎn)處綜合信息即時(shí)顯示。這些模塊采用Chart圖標(biāo)插件及快速靜態(tài)化響應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的靜態(tài)圖表高效推送。

對(duì)于Z-t線，Web服務(wù)程序直接從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)YC RIVER R表，即時(shí)讀取最近一周遙測(cè)水位信息，以折線圖形式顯示，橫軸為時(shí)間t，縱軸為水位Z。當(dāng)鼠標(biāo)指針置于Z-t線某一節(jié)點(diǎn)時(shí)，可即時(shí)顯示相應(yīng)時(shí)刻及水位值。為使Z一線圖形總以最佳比例呈現(xiàn)，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)高精算法來(lái)確定圖形縱坐標(biāo)刻度上下限。首先應(yīng)用程序自動(dòng)搜索和計(jì)算該時(shí)段內(nèi)遙測(cè)水位最大值與最小值之間的差值，以最大值加上差值的1/2作為臨時(shí)上限，以最小值減去差值的1/2作為臨時(shí)下限。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)縱坐標(biāo)5等分主刻度值精確到0.1m，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將臨時(shí)上下限循環(huán)遞增一個(gè)固定值，直至圖形顯示及縱坐標(biāo)主刻度值完全滿足精度要求為止。這一自分析判斷技術(shù)及功能使圖形自適應(yīng)功能得到了最大程度的發(fā)揮，使得縱坐標(biāo)的取值及圖形顯示比例總處于最佳狀態(tài)。

對(duì)Z-t線節(jié)點(diǎn)綜合信息的即時(shí)顯示，系統(tǒng)默認(rèn)以平均線進(jìn)行推流計(jì)算（此設(shè)置可以變更），以測(cè)站最近一次測(cè)流或推流信息進(jìn)行自動(dòng)校正，以站間不同流量一平均傳播耗時(shí)關(guān)系推演水流到達(dá)下站的相應(yīng)時(shí)刻，能快速顯示節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)時(shí)刻、遙測(cè)水位、推求流量、傳播耗時(shí)、到達(dá)下站時(shí)刻等信息。它對(duì)用戶掌握各站水位漲落宏觀過(guò)程及河道徑流演進(jìn)傳播到達(dá)時(shí)刻等具有重要意義，同時(shí)也為自判式變因子動(dòng)模型河道流量自動(dòng)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用研究提供了重要補(bǔ)充與佐證。

6 結(jié)論

通過(guò)將實(shí)時(shí)遙測(cè)水位信息采集傳輸系統(tǒng)與徑流演進(jìn)預(yù)報(bào)深度融合，解決了自記水位條件下河道徑流演進(jìn)預(yù)測(cè)的應(yīng)用難題，并使系統(tǒng)具有了分析對(duì)比及自動(dòng)校正功能，實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化與實(shí)時(shí)性，在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、不同終端及不同瀏覽器條件下，用戶可全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)河道徑流演進(jìn)傳播過(guò)程并進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，顯著提升了水文監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)水平。

從現(xiàn)代通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)看，該應(yīng)用對(duì)測(cè)站現(xiàn)有遙測(cè)設(shè)施、設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)等做到了高效繼承，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)，維護(hù)管理成本低廉，升級(jí)換代簡(jiǎn)單易行，客戶端實(shí)現(xiàn)了真正的“零維護(hù)”。