珠江河口原型觀測(cè)平臺(tái)水文數(shù)據(jù)處理和分析軟件開發(fā)及應(yīng)用

方神光，許劼婧，劉晉高

(珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

珠江河口作為粵港澳大灣區(qū)的核心區(qū)域，其水域的保護(hù)、開發(fā)及利用顯得尤為重要。近些年，珠江河口動(dòng)力和水沙鹽等物質(zhì)輸移以及灘槽演變呈現(xiàn)出一些新的特征[1-5]。為增強(qiáng)河口原型觀測(cè)能力，豐富河口水文、泥沙、水質(zhì)原型資料，目前在珠江河口建成了由12個(gè)浮標(biāo)平臺(tái)組成的原型觀測(cè)試驗(yàn)站，其中內(nèi)伶仃洋水域布放4個(gè)，中國澳門管轄水域布設(shè)3個(gè)，磨刀門水域布設(shè)3個(gè)，黃茅海布設(shè)2個(gè)，該原型觀測(cè)試驗(yàn)站所屬的浮標(biāo)平臺(tái)已陸續(xù)投入使用并獲取了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為充分發(fā)揮該試驗(yàn)站在珠江河口水資源保護(hù)、防洪減災(zāi)、水環(huán)境治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面的作用，急需對(duì)獲取的海量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整編、特征值提取和深入分析等方面的研究工作。針對(duì)水文資料整編，章樹安等[6]對(duì)中國水文資料整編的主要技術(shù)方法、數(shù)據(jù)庫技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)成就等進(jìn)行了回顧和總結(jié)；陳望春[7]則通過建立灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)各階段的水文資料質(zhì)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)評(píng)估；在水文資料分析手段方面，詹壽根[8]探討了Excel軟件在徑流量、降水量、灌溉庫容和經(jīng)驗(yàn)頻率等特征值計(jì)算分析中的應(yīng)用；陳德清等[9]基于全球廣泛應(yīng)用的水文水環(huán)境數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)(WISKI)進(jìn)行了本地化和二次開發(fā)；謝加球等[10]將HEC-RAS 水文分析軟件推廣應(yīng)用到水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)中；韓燈亮等[11]通過對(duì)南方片水文資料整編軟件測(cè)試顯示其功能強(qiáng)大，整編成果更切合實(shí)際，輸出成果基本不需要人工干預(yù)，并建議在潮位統(tǒng)計(jì)和遙測(cè)數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)一步完善；郭磊等[12]、盛壽龍等[13]通過自己開發(fā)的水文頻率計(jì)算軟件不僅節(jié)省了工作量，還極大提高了適配曲線的擬合精度；總體來看，有關(guān)水文資料的整編技術(shù)規(guī)范規(guī)程已經(jīng)相當(dāng)成熟，但在資料分析和特征值的計(jì)算等方面，各學(xué)者主要結(jié)合地方特色和自身研究需要利用現(xiàn)有軟件或獨(dú)立開發(fā)處理軟件。針對(duì)當(dāng)前珠江河口建立的原型觀測(cè)試驗(yàn)站獲取的海量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，一方面要對(duì)水文數(shù)據(jù)依據(jù)規(guī)范規(guī)程進(jìn)行整編，另一方面還需要單獨(dú)研發(fā)相應(yīng)的水文分析處理軟件，以適應(yīng)當(dāng)前珠江河口治理和保護(hù)的需要，更好的服務(wù)于粵港澳大灣區(qū)的建設(shè)。

1 原型觀測(cè)試驗(yàn)站的觀測(cè)要素及特征數(shù)據(jù)提取

1.1 觀測(cè)要素

珠江河口原型觀測(cè)試驗(yàn)站均由原型觀測(cè)浮體、數(shù)據(jù)采集傳輸與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收管理系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)及自檢系統(tǒng)及儀器自動(dòng)升降系統(tǒng)組成，并配套安裝有聲學(xué)多普勒流速儀，泥沙、鹽度、水質(zhì)多參數(shù)觀測(cè)儀，聲學(xué)多普勒波浪剖面流速儀，風(fēng)速、風(fēng)向儀，氨氮、COD二合一監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)珠江河口水域水深、潮流、波浪、泥沙、鹽度、水質(zhì)、風(fēng)況等多要素的實(shí)時(shí)同步觀測(cè)及自動(dòng)在線傳輸，見圖1。

圖1 珠江河口原型觀測(cè)平臺(tái)浮標(biāo)站

1.2 潮位特征值的提取

主要提取一段時(shí)間內(nèi)隨時(shí)間變化過程中的所有高潮位和低潮位數(shù)據(jù)點(diǎn)，以此計(jì)算此段時(shí)間內(nèi)平均潮差、最大潮差、平均高潮位和平均低潮位等要素，見圖2。某一時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)的高潮位值一般高于前后時(shí)間點(diǎn)的潮位，出現(xiàn)的低潮位則小于前后時(shí)間點(diǎn)的潮位，采用這一特征通過編制計(jì)算機(jī)程序可以自動(dòng)提取；由于原型觀測(cè)平臺(tái)的水位(水深)實(shí)測(cè)頻率為10 min一次，頻次相對(duì)較高，為避免局部波動(dòng)導(dǎo)致提取的潮位值為虛假特征值，采用通過增加比較特征點(diǎn)前后潮位值的個(gè)數(shù)以及特征值出現(xiàn)的時(shí)間間隔來過濾掉提取的虛假值。

1.3 潮流特征值的提取

原型觀測(cè)試驗(yàn)站給出潮流實(shí)測(cè)值會(huì)根據(jù)水深變化而自動(dòng)分層給出各水深測(cè)點(diǎn)的水深值、實(shí)測(cè)層數(shù)、流速E分量、流速N分量及流速和流向，通過E分量和N分量也可以合成流速和流向。在對(duì)潮流特征值的分析中，一般較為關(guān)注的特征值有：漲急流速和流向、落急流速和流向、漲潮平均流速和流向、落潮平均流速和流向、余流流速和流向、漲潮流歷時(shí)和落潮流歷時(shí)等特征值，同時(shí)以上特征值還需要區(qū)分所處水深位置，一般水文規(guī)范上要求給出表層(0.2 h)、中層(0.6 h)、底層(0.8 h)位置的特征值。

圖2 潮位特征值示意

原型觀測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)的潮流觀測(cè)值一般分為10層左右，觀測(cè)頻率也為10 min一次，當(dāng)需要分析較長時(shí)間如半月潮、全月潮、季度潮或更長時(shí)間內(nèi)的特征值時(shí)，需要處理的數(shù)據(jù)量將非常大，此處通過開發(fā)專用軟件分析平臺(tái)來處理海量數(shù)據(jù)，程序流程見圖3。該軟件平臺(tái)的主要特點(diǎn)如下。

a) 該軟件平臺(tái)圍繞原型觀測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)和需要進(jìn)行的處理和分析而開發(fā)，可自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)格式，根據(jù)用戶對(duì)數(shù)據(jù)層數(shù)的需求自動(dòng)差值和提取所需層數(shù)的數(shù)據(jù)。

b) 針對(duì)往復(fù)流，先找出漲、落急流向夾角的中線為界限，然后根據(jù)其他時(shí)刻流向所處的區(qū)間來區(qū)分其為漲潮還是落潮；針對(duì)旋轉(zhuǎn)流，先提取高、低潮位的時(shí)刻，然后根據(jù)每個(gè)潮流值的測(cè)量時(shí)間來區(qū)分漲潮還是落潮。

c) 在區(qū)分所有流速值的漲、落潮特性后，找出漲憩和落憩出現(xiàn)的時(shí)刻，計(jì)算每個(gè)漲(落)潮時(shí)段內(nèi)流速曲線與時(shí)間所圍的面積以及漲潮歷時(shí)和落潮歷時(shí)，并計(jì)算每個(gè)漲(落)潮時(shí)段內(nèi)的平均流速和流向，以及余流流速和流向。

圖3 潮流特征值提取軟件平臺(tái)開發(fā)流程

1.4 其他要素特征值的提取

其他特征要素主要為含沙量、鹽度、水質(zhì)等要素的漲潮平均值、落潮平均值、漲潮時(shí)段最大值、落潮時(shí)段最大值等。同樣由于數(shù)據(jù)量很大，需要通過開發(fā)相應(yīng)的軟件平臺(tái)來處理，在已經(jīng)區(qū)分了漲潮流和落潮流時(shí)段的前提下，主要流程與流速特征值提取類似。

a) 確定實(shí)測(cè)要素值所處的漲(落)潮時(shí)段區(qū)間，針對(duì)往復(fù)流，采用往復(fù)流的漲(落)憩時(shí)間點(diǎn)來控制，針對(duì)旋轉(zhuǎn)流，采用高、底潮位時(shí)間點(diǎn)來區(qū)分。

b) 計(jì)算每個(gè)漲(落)潮時(shí)段內(nèi)實(shí)測(cè)要素曲線與時(shí)間的面積，通過與該漲(落)潮時(shí)段的時(shí)長相除來計(jì)算漲(落)潮時(shí)段的平均值，通過大小來判斷漲(落)潮時(shí)段內(nèi)的最大值和最小值。

2 示范應(yīng)用

珠江河口澳門水域7號(hào)浮標(biāo)站位置見圖4，位于澳門機(jī)場(chǎng)以南海域，該浮標(biāo)站投放時(shí)間較早，運(yùn)行狀態(tài)較為穩(wěn)定，已有較為完整的水深及潮流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過分析該站點(diǎn)實(shí)測(cè)水文資料可以掌握澳門水域南側(cè)外海潮流的特征。此處選取該站點(diǎn)2017年12月—2018年3月枯季連續(xù)4個(gè)月的潮流實(shí)測(cè)值作為此處開發(fā)軟件應(yīng)用示范的數(shù)據(jù)來源，需要處理的數(shù)據(jù)量有20萬個(gè)左右，處理后的各月特征值見表1，分層數(shù)據(jù)的提取及表1中4個(gè)月內(nèi)潮流特征值的計(jì)算總共用時(shí)不超過2 s，圖5為連續(xù)4個(gè)月的表、中、底層流速玫瑰?？擅鞔_澳門機(jī)場(chǎng)以南海域枯季潮流具有以下特征。

a) 漲、落潮流速和流向：該海域漲潮平均流速較小，都在0.2 m/s左右，且沿水深相差不大；落潮平均流速在0.3～0.6 m/s，明顯大于漲潮流速，且由表層向底層遞減。漲潮主流向以NW～E向?yàn)橹鳎D(zhuǎn)較大，落潮主流向以SSW向?yàn)橹鳎^為集中。

b) 漲、落潮流歷時(shí)：該海域落潮流歷時(shí)顯著大于漲潮流歷時(shí)，且漲潮流歷時(shí)由底層向表層遞增，落潮歷時(shí)由表層向底層遞減。表、中、底層平均漲潮流歷時(shí)分別為2.6、4.5、8.7 h，平均落潮流歷時(shí)分別為21.4、19.5、15.3 h。

c) 余流流速和流向：該海域余流流向與落潮流主流向一致，以SSW向?yàn)橹?，表、中、底層余流流速分別是0.42、0.25、0.13 m/s，由表層向底層遞減。

圖4 三灶站潮位與7號(hào)浮標(biāo)站水深的相關(guān)擬合線

位置月份平均漲潮流速/(m·s-1)平均落潮流速/ (m·s-1)漲急流速/(m·s-1)漲急流向/(°)落急流速/(m·s-1)落急流向/(°)漲潮流歷時(shí)/h落潮流歷時(shí)/h余流流速/(m·s-1)余流流向/(°)表層120.170.450.42421.142151.8 22.2 0.3821210.170.590.412981.622051.9 22.1 0.521320.180.560.443181.481932.4 21.6 0.4820330.20.440.543151.551944.9 19.1 0.48220中層120.210.330.51200.92077.4 16.6 0.1622510.220.460.53881.252014.7 19.3 0.3221320.20.350.51200.92034.9 19.1 0.2821030.220.390.4871.031954.6 19.4 0.28211底層120.180.270.48230.772079.7 14.3 0.0923710.20.330.46320.862037.6 16.4 0.1622420.190.30.48200.772038.6 15.4 0.1322530.20.330.463540.762078.9 15.1 0.13211

3 結(jié)論

自珠江河口原型觀測(cè)平臺(tái)12個(gè)浮標(biāo)站陸續(xù)投入試運(yùn)行以來，其觀測(cè)頻次達(dá)到10 min一次，觀測(cè)要素逐漸增加，需要處理的數(shù)據(jù)量極為驚人。為實(shí)現(xiàn)珠江河口原型觀測(cè)平臺(tái)建設(shè)的目的，更好的發(fā)揮其在河口治理與保護(hù)中的作用，此處開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析軟件，并應(yīng)用在7號(hào)浮標(biāo)站枯季4個(gè)月實(shí)測(cè)約20萬個(gè)海流數(shù)據(jù)的處理分析中，結(jié)論如下。

a) 測(cè)試顯示，針對(duì)原型觀測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開發(fā)的處理和分析軟件極大提高了工作效率，使科研人員有更多的精力投入到對(duì)珠江河口水沙環(huán)境運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析和認(rèn)識(shí)中。

a)表層 b)中層 c)底層圖5 枯季7號(hào)測(cè)站流速分層玫瑰(2017年12月至2018年3月)

b) 采用該軟件對(duì)澳門機(jī)場(chǎng)以南海域7號(hào)浮標(biāo)站海流數(shù)據(jù)的分析顯示，枯季該海域落潮流占優(yōu)，落潮流向以SSW向?yàn)橹?，流向集中，平均落潮歷時(shí)達(dá)到18.7 h，落潮歷時(shí)由表層至底層逐漸減?。槐韺佑嗔鳛?.42 m/s，流向?yàn)镾SW向，余流流速由表層至底層逐漸減小。