大數(shù)據(jù)思維下的水位流量關(guān)系無線推流方法

張英駿，劉林娟

（河北省秦皇島水文勘測研究中心，河北 秦皇島066004）

天然河流中的水位流量關(guān)系有時呈現(xiàn)單一關(guān)系，即穩(wěn)定的水位流量關(guān)系；有時呈現(xiàn)復(fù)雜關(guān)系，即不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。 受洪水漲落、 斷面沖於變化、水草等多種因素影響，任何斷面的水位流量呈現(xiàn)穩(wěn)定單一關(guān)系總是相對的，而不穩(wěn)定則是絕對的。多年來，許多從業(yè)人員和學(xué)者致力于水位推流的研究，通過引入遺傳算法［1，2］、蟻群算法［3］、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［4］等數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行優(yōu)化和提高精度， 也有采用多因素組合影響的水位流量關(guān)系的加權(quán)模型［5］，對其主要影響因素分別建立處理方案， 按影響因素方案的擬合方差的倒數(shù)進(jìn)行線性加權(quán)處理； 在計算機(jī)軟件開發(fā)應(yīng)用方面， 從嚴(yán)格遵從相關(guān)規(guī)范的實(shí)測流量資料的整編定線［6］，到德國KISTERS公司的水文水環(huán)境信息管理系統(tǒng)中的曲線率定模塊SKED［7］，無一不是以擬合或生成水位流量關(guān)系線為著眼點(diǎn)， 甚至是為了年度資料整編定線而定線，大多是數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難且對不同測流斷面的適應(yīng)性差， 不易實(shí)時加入新的測驗(yàn)數(shù)據(jù)參加分析， 而對那些沒有資料整編任務(wù)的臨時測流斷面， 則更談不上以整編定線成果支持推流作業(yè)。

本文探討一種擺脫一直以來的定線推流的復(fù)雜性，而是受大數(shù)據(jù)思維的啟發(fā)，用密集的數(shù)據(jù)替代數(shù)學(xué)公式的模式［8］，即在收集的盡量多和新的實(shí)測水位流量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，由計算機(jī)直接分析推流。不苛求相對存在的固定線，只依靠絕對散亂的動態(tài)點(diǎn)，并能夠讓使用者感到簡單、快捷、靈活、可信。

1 方法

1.1 收集實(shí)測數(shù)據(jù)

通過讀取水文數(shù)據(jù)庫得到測流斷面歷史實(shí)測成果數(shù)據(jù)；遍歷本部門各用戶得到該測流斷面近期實(shí)測成果數(shù)據(jù)；查詢獲取水情（分）中心實(shí)時接收的該斷面的最新實(shí)測流量報訊信息。上述實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)成推流的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包， 需要包含推流主要影響因素相應(yīng)水位H、實(shí)測流量Q、水勢Z和施測時間T，正確識別流速儀、ADCP等各種測驗(yàn)方法的測驗(yàn)成果，并能夠獲取其中的這些信息。對斷面受人為影響和嚴(yán)重沖於等變化之前的數(shù)據(jù)，以及明顯測驗(yàn)系統(tǒng)誤差的測次，要予以剔除。

1.2 推流分析計算

計算方法是：以推流水位H0為自變量，將數(shù)據(jù)包內(nèi)n個測次兩兩水位（Hi，Hj）和流量（Qi，Qj）直線內(nèi)插（延長），得到由N=n（n-1）/2個計算流量值組成的序列Qk，由N個計算流量值加權(quán)平均獲得推流流量Q0。

1.2.1 分配權(quán)重

先賦予各影響因素的權(quán)值， 再采用模糊相對隸屬度賦權(quán)法［9］為每個內(nèi)插流量Qk分配權(quán)重Rk。

賦予同推流水位H0最接近的一對實(shí)測流量測次最高水位權(quán)Hk， 以兩個水位同H0差的絕對值之和表示，依次是水位級、水勢和施測時間。對斷面高中低水進(jìn)行分級， 一般是認(rèn)為同水位級具有相同的水流特性，水位同H0處于一個水位級的記0，否則記1，兩個測次相加得到水位級權(quán)Lk；同樣的思路和方法得到水勢權(quán)Zk； 賦予同當(dāng)前推流時間T0間隔最近的一對實(shí)測流量測次的施測時間最高時間權(quán)Tk，以兩個時間間隔之和表示，精確到分鐘，即最新的實(shí)測測次在推流計算中擁有最高的權(quán)值。將全部參加分析推流的實(shí)測測次兩兩內(nèi)插（延長）并取得上述影響因素權(quán)后，以Hk，Lk，Zk，Tk的順序定義排序條件，對序列的N條數(shù)據(jù)進(jìn)行升序排序后，逐條賦權(quán)值為N，N-1，N-2，…，1，經(jīng)歸一化處理，即分別除以N（N+1）/2得到每個內(nèi)插流量的權(quán)重Rk。顯然序列中最大權(quán)重和最小權(quán)重為別為R1和RN。

1.2.2 制定方案

雖然對各個影響因素和為全部內(nèi)插數(shù)據(jù)賦予了不同的權(quán)重，但考慮斷面水流特性的復(fù)雜性，特別是對于斷面形狀隨水位增大有明顯突變，或低水有嚴(yán)重水草影響等，使用全部數(shù)據(jù)進(jìn)行直線內(nèi)插無疑是不合理的，還要根據(jù)當(dāng)前水位和水勢考慮是否設(shè)定只使用同水位級或同漲同落的實(shí)測數(shù)據(jù)，以確保推流結(jié)果的科學(xué)性。每一次推流都要憑工作人員的經(jīng)驗(yàn)制定不同的推流方案，這當(dāng)然需要有足夠多的實(shí)測流量測次。

1.2.3 輸出報告

每次推流計算得到相應(yīng)水位的流量，根據(jù)大斷面數(shù)據(jù)一并解算輸出水面寬、斷面平均流速等必要的相關(guān)信息，形成完整的推流報告，對于缺乏實(shí)測大斷面資料的臨時測流斷面，可通過獲取最近一次實(shí)測流量的水位、起點(diǎn)距、各垂線有效水深等推算建立大斷面。

2 實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計思路

為使各項計算可直接借用“四舍六入”數(shù)字修約計算函數(shù)［10］、時間操作和規(guī)范圖形比例函數(shù)等，以及方便讀取大部分的實(shí)測流量原始記錄和推流結(jié)果直接用于推求日平均流量、徑流量，將該推流程序作為河流流量測驗(yàn)與成果管理系統(tǒng)（ITMS）的一個組成模塊，并共用其數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。 將制定推流方案和輸出推流結(jié)果設(shè)計在同一界面完成， 以不作任何篩選的全部實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)繪水位流量相關(guān)散點(diǎn)圖， 并把按方案推流的結(jié)果添加到其中供檢查對比，如圖1。

圖1 水位流量關(guān)系無線推流工作界面

同樣運(yùn)用PB12開發(fā)平臺的DataWindow的優(yōu)越特性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的排序、篩選，以及為權(quán)重分配和分析計算提供便利。

2.2 操作設(shè)計

實(shí)測數(shù)據(jù)的收集采取外部獲取、 本地讀取和人工添加共同完成的方式， 自動按施測時間檢索識別并過濾重復(fù)的測次。 不必按照大數(shù)據(jù)的法則分段讀取分段計算，而是直接在內(nèi)存中完成，因?yàn)橐粋€測流斷面的實(shí)測測次數(shù)量，即便是經(jīng)過兩兩組合后也不會形成真正意義上的“大”數(shù)據(jù)。不排除存在收集到的實(shí)測數(shù)據(jù)信息不完整而影響推流的實(shí)施，例如某測次的測驗(yàn)人員丟掉了水勢，甚至臨時斷面實(shí)測流量記錄中缺少相應(yīng)水位，這只能由人工來彌補(bǔ)完善，一般可剔除這類不可信的測次，體現(xiàn)該推流模式是靈活的。

每次推流完成后， 應(yīng)將使用的實(shí)測數(shù)據(jù)以文件的形式保存，下次直接調(diào)取并添加新的實(shí)測測次，使生成的推流數(shù)據(jù)序列始終保持生命力， 這對于傳統(tǒng)的定線推流是難以做到的。

3 評價

3.1 接受檢驗(yàn)

雖然該方法得到的結(jié)果是點(diǎn)中點(diǎn)， 而不是線中點(diǎn)， 但這并不妨礙使用流量資料整編的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。 以西洋河富貴莊站2年計46次實(shí)測流量數(shù)據(jù)推流為例，假定從水位55.10m至57.90m以步長0.10m各推流計算1次，得到29次推流流量，如圖2，就形成了一條水位流量關(guān)系曲線。

圖2 推流計算形成的水位流量關(guān)系曲線

考慮該斷面形狀較復(fù)雜， 水位55.9以下是由2條溝渠組成的復(fù)合斷面且汛期水草密集，水位55.9m以上出現(xiàn)灘地且有植樹和農(nóng)作物。 依此設(shè)定高、中、低3個水位級，落入其中點(diǎn)子的數(shù)量分別為：高水17個，中水19個，低水10個。 推流時勾選“篩選同水位級測次”進(jìn)行分析計算，因?qū)崪y測次偏少，不再考慮區(qū)分水勢為同漲同落。

目測圖形可以看到，低水段同中水段趨勢明顯不同，中水段同高水段不太突出。 通過對此計算形成的水位流量關(guān)系曲線按高、中、低水分段做偏離數(shù)值檢驗(yàn)和t學(xué)生氏檢驗(yàn)均得到可接受的、令人滿意的結(jié)果。

3.2 誤差分析

3.2.1 同定線推流對比

定線推流的原則是通過點(diǎn)群中心定出一條平滑的關(guān)系曲線，這樣可以消除一部分測驗(yàn)誤差［11］，而在這里是在點(diǎn)群中心找到一個點(diǎn)作為推流結(jié)果，更有利于消除測驗(yàn)誤差，但這些點(diǎn)連在一起顯然不是平滑曲線，是完全依賴實(shí)測數(shù)據(jù)趨勢的曲線，且會隨著實(shí)測數(shù)據(jù)的增減而動態(tài)變化，盡管同整編要求相悖，但這是該方法的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。

3.2.2 處理突出點(diǎn)

為防止由測驗(yàn)系統(tǒng)誤差帶來的推流系統(tǒng)誤差，需在程序提示下人為對突出點(diǎn)進(jìn)行處理。任何特殊原因造成的某測次甚至多個測次出現(xiàn)較大偏離，都會較大影響一般情況下斷面推流的精度， 因?yàn)閷個實(shí)測點(diǎn)中的1個測次將有n-1個內(nèi)插結(jié)果參與計算，勢必產(chǎn)生較大的影響權(quán)重。 事實(shí)上，通過程序調(diào)試功能查看兩兩內(nèi)插結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，由突出點(diǎn)參與的內(nèi)插結(jié)果已經(jīng)失去意義，甚至向下延長的情況會出現(xiàn)流量為負(fù)數(shù)。

3.3 運(yùn)行效率

通過在普通配置水平的計算機(jī)上試驗(yàn)， 對不設(shè)篩選條件的122個測次進(jìn)行測試性推流，完成其兩兩組合7381次內(nèi)插計算和排序分配權(quán)重完成加權(quán)計算輸出結(jié)果，僅需13s時間。

4 結(jié)語

這種以積累越來越多的實(shí)測數(shù)據(jù)做支撐，每次推流都由計算機(jī)進(jìn)行較大強(qiáng)度的運(yùn)算得到推流結(jié)果的方式，操作簡單快捷。 測驗(yàn)規(guī)范要求的嚴(yán)密性和測驗(yàn)手段的先進(jìn)性，大大提高了測驗(yàn)結(jié)果的可信性，更為推流結(jié)果的可靠性提供了保障。通過多個測流斷面在水情服務(wù)方面的實(shí)際應(yīng)用看，相比傳統(tǒng)的定線推流有著更大優(yōu)勢， 且更為目前眾多水文基層測報人員接受。 與其說該方式同流量資料整編要求脫節(jié)，不如說這是行業(yè)上流量資料整編業(yè)務(wù)的一點(diǎn)創(chuàng)新，是推動水文基層業(yè)務(wù)工作現(xiàn)代化、信息化的具體嘗試。

但從文中使用的方法和考慮的影響因素等可發(fā)現(xiàn)，這種方法大多是機(jī)械性運(yùn)算，甚至只能憑測報人員的經(jīng)驗(yàn)，雖實(shí)用但缺乏充分的理論依據(jù)，因此需要進(jìn)一步完善。