水文資料自動整編中的計算規(guī)約探討

許 潔，杜蓓蓓，楊沛霖

（寧波市水文站，浙江 寧波 315020）

1 問題的提出

水文資料整編是指將原始觀測資料經(jīng)整理、計算、審查后得到成果的過程。水文整編資料可分為說明資料、基本資料和調(diào)查資料。本文探討的整編資料為基本資料，即國家基本站的資料。國家基本站資料的整編均執(zhí)行SL 247 — 2012《水文資料整編規(guī)范》，規(guī)范中對于各要素的整編內(nèi)容、整編方法有詳細(xì)規(guī)定。

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，水文測站數(shù)據(jù)采集的自動化率也不斷提高。以浙江省為例，2016年共復(fù)審了清水位174站年、潮水位35站年、降水量638站年等，水位站的原始數(shù)據(jù)，除了2個站采用人工觀測外，其余均采用遙測設(shè)備采集。降水量站的原始數(shù)據(jù)，均采用遙測設(shè)備采集。很多站具有2套或以上遙測設(shè)備，確保采集數(shù)據(jù)的完整性。水文部門實時接收的水位、雨量數(shù)據(jù)，為在線整編提供了可能，而防汛抗旱、水資源管理等業(yè)務(wù)對水文監(jiān)測數(shù)據(jù)實時在線處理能力的要求，加快了在線整編系統(tǒng)的研發(fā)。

寧波地區(qū)水文資料在線整編系統(tǒng)，實現(xiàn)了對實時水位、潮位、雨量數(shù)據(jù)的檢查和自動整編等功能。系統(tǒng)在遵守水文資料整編規(guī)范的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化整編計算規(guī)約，使整編成果更準(zhǔn)確完整，同時更方便使用。本文就系統(tǒng)中水位、潮位、潮流量整編計算的規(guī)約進行探討。

2 水位整編

水位整編的成果表主要有逐日平均水位表、洪水水位摘錄表等。水文資料整編規(guī)范中規(guī)定，當(dāng)采用自動監(jiān)測資料進行水位整編時，應(yīng)先進行精簡。當(dāng)水位過程平緩時，可采用摘錄方式進行處理，并應(yīng)符合下列要求[1]：

（1）處理后的水位變化過程應(yīng)完整。

（2）經(jīng)處理后計算的日平均水位與采用所有數(shù)據(jù)計算的日平均水位相差不宜超過2 cm。

（3）有流量資料整編的測站，處理后的水位變化過程應(yīng)滿足推求流量的要求。

日平均水位計算方法，可采用算術(shù)平均法或面積包圍法計算，當(dāng)2種方法計算結(jié)果相差超過2 cm時，應(yīng)采用面積包圍法。

目前寧波市水雨情平臺接收到的水位數(shù)據(jù)均為5 min間隔的數(shù)據(jù)，這樣每站每日接收的數(shù)據(jù)為288個。為真實反映水位變化過程，同時進行必要的精簡，本系統(tǒng)采用新的摘錄規(guī)約：

（1）每日24 h整點摘錄，最高、最低點摘錄。

（2）5 min滑動計算，每1 h變化超過10 cm且5 min變化大于3 cm的點摘錄。

通常在水位平緩時，每天的摘錄點為24 ～ 26個，水位變化大時，隨著漲率的變化，摘錄點隨之變化。寧波市現(xiàn)有18個國家基本水位站，其中屬于山地河流的2個，屬于平原河網(wǎng)的16個，分別采用5 min原始數(shù)據(jù)和摘錄后的數(shù)據(jù)計算日平均水位，日平均水位計算結(jié)果保留至厘米整數(shù)位。通過對18個水位站7 — 9月共3個月數(shù)據(jù)的分析，2種計算方法的日平均水位樣本差值統(tǒng)計見表1。

表1 2種計算方法的日平均水位樣本差值統(tǒng)計表

由表1可以看出，全部水位站這3個月的日平均水位的差值都小于2 cm，符合規(guī)范規(guī)定的精簡原則，同時差值為0的比例達(dá)到96%，其中山區(qū)河流站，由于水位變化大，摘錄的點更多，差值為0的比例達(dá)到97%。

摘錄出來的水位，保證每天都有整點的水位記錄，對使用者來說，不需要內(nèi)插，就可以得到完整的逐時水位過程，與降水量逐時摘錄過程配套。通過水位流量關(guān)系推算流量的站，其洪水水文要素摘錄表列出逐時的流量過程，與降水量、水位同時展現(xiàn)，便于分析和判斷。而以往采用控制轉(zhuǎn)折點的方式摘錄水位，主要是受到整編過程中的人力、后期數(shù)據(jù)存儲容量、紙質(zhì)版年鑒刊印時的厚度等限制，現(xiàn)在都可以通過信息化技術(shù)手段解決。

3 潮位整編

潮位整編的成果表主要有逐日高低潮位表、逐時潮位表、潮位月年統(tǒng)計表等。整編原則是從全部5 min間隔的潮位過程數(shù)據(jù)上選取逐日高低潮位和逐時潮位。通過計算每個5 min潮位的斜率，判斷出現(xiàn)拐點的潮位及其時刻，來確定高低潮位。實際摘錄時，經(jīng)常遇到高潮或低潮平潮時間較長或上下波動的情況，下面以寧波站9月7日的潮位過程為例說明，過程線見圖1 ～ 2，潮位數(shù)據(jù)見表2。由圖1可見，在低潮附近有2個最低點，分別為4:40的-0.32 m和4:50的-0.32 m。

在現(xiàn)在廣泛使用的南方片整編程序中，程序?qū)⑷?0.32 m為低潮潮位，取平均時間4:45，而實際上4:45對應(yīng)的潮位為-0.31 m，這樣選取低潮時間欠合理。尤其當(dāng)平均時間恰好為整點時刻時，該整點時刻的潮位也被摘錄進逐時潮位表，就會產(chǎn)生同一時刻2個潮位的矛盾現(xiàn)象。

為了避免出現(xiàn)這種矛盾現(xiàn)象，本系統(tǒng)采取的規(guī)約是，只摘錄合適的瞬時潮位，不對同一潮位值的前后潮時作平均計算。當(dāng)遇到平潮（潮位不變）時間較長時，則選取中間時刻，即從連續(xù)奇數(shù)或偶數(shù)個5 min中挑出處于中間位置的那個時刻，當(dāng)遇到潮位一致，但有多谷或多峰時，則選取第一個出現(xiàn)的時刻。

以上是單站自動摘錄時的規(guī)約，在合理性分析時，要考慮多個因素。當(dāng)高低潮發(fā)生平潮或停潮，不超過20 min時，可將該時段中間位置作為高潮、低潮潮時；超過20 min時，應(yīng)根據(jù)前后潮、漲落潮歷時、漲落潮間隙及上下游、相鄰站的潮位潮時分析，選取合理的時刻確定為最高最低潮位的潮時[2]。對于高低潮時段出現(xiàn)多峰、多谷的情況，需要人工干預(yù)，并且考慮上下游情況綜合分析確定哪一波峰或波谷選作高潮或低潮及潮時。

對于洪水期間，水位起漲后出現(xiàn)低潮或洪水退水階段出現(xiàn)高潮等潮洪混雜情況，系統(tǒng)根據(jù)水位的拐點來判斷，第一個出現(xiàn)的低谷（高峰）作為第一個低潮（高潮），第二個出現(xiàn)的低谷（高峰）作為第二個低潮（高潮）。對于這種情況，要進行人工干預(yù)，手工選取水位轉(zhuǎn)折點，并作標(biāo)記。按照水文年鑒規(guī)范要求，潮洪混雜情況下，高低潮按照洪水水位摘錄，潮別欄任其空白，潮差不作統(tǒng)計。

圖1 寧波站2018年9月7日潮位過程圖

圖2 寧波站2018年9月7日潮位低潮部分放大圖

表2 寧波站2018年9月7日低潮附近潮位數(shù)據(jù)表

由于潮位自動整編過程中，選取高低潮是通過計算潮位過程中的拐點來實現(xiàn)的，因此該系統(tǒng)適用于規(guī)則半日潮、不規(guī)則半日潮，也適用于全日潮河段，但對于強涌潮的河口區(qū)域，因潮位過程復(fù)雜，漲落潮規(guī)律性不明顯，需要人工干預(yù)較多，則不適用。

4 潮流量整編

潮流量整編的成果主要有實測潮流量成果表、實測潮量成果統(tǒng)計表、逐潮潮量或感潮閘壩站的逐日平均流量等。

潮流量的計算應(yīng)按潮流期統(tǒng)計漲潮、落潮和全潮潮流期的潮總量、潮流歷時、潮平均流量。潮流期的劃分應(yīng)按下列規(guī)定執(zhí)行[2]：

（1）按斷面流量過程線內(nèi)插獲得的憩流時刻或?qū)崪y憩流時刻劃分。

（2）一個潮流期為2個相鄰的落潮憩流（低憩）的過程，由漲潮憩流（高憩）在潮流期內(nèi)劃分漲潮流和落潮流。

目前各潮流量站整編的潮量要素統(tǒng)計表中的數(shù)據(jù)均來源于實測，由于潮流量站，斷面一般較寬，流速大，施測難度大，所以每年測次不多，由此得出的潮量要素統(tǒng)計表數(shù)據(jù)量較少。現(xiàn)在有些潮流量站安裝了固定式ADCP，可以實時監(jiān)測潮流速過程，通過繪制斷面平均流速與實時監(jiān)測的代表流速關(guān)系曲線，結(jié)合斷面數(shù)據(jù)，就可以推算出實時潮流量，以此推算的實時潮流過程來進行潮量計算，就可以得到整年的潮量要素統(tǒng)計表。當(dāng)然，采用實時監(jiān)測潮流速過程的站，采用流速相關(guān)法時，要進行定線并通過檢驗。圖3為澄浪堰站的實時潮位、潮流量過程圖。

圖3中，上方曲線表示潮位過程，下方曲線表示潮流量過程，低潮過后的第一次流量為0的點為落憩時刻，高潮過后的第一次流量為0的點為漲憩時刻。當(dāng)潮流量過程為5 min間隔的連續(xù)過程時，可以通過在線整編程序自動計算，首先通過插值方式確定落憩、漲憩的時間，再劃分出漲潮流和落潮流，再計算漲潮潮量、落潮潮量、凈潮量、漲潮平均流量和落潮平均流量等。

圖3 澄浪堰站實時潮位、潮流量過程圖

利用在線整編程序的自動計算功能，可以大大減少手工挑選憩流點、潮流期的時間，提高整編效率。一方面，由于每隔5 min就有采集的流量數(shù)據(jù)，所以確定落憩、漲憩時間的誤差只在10 min之內(nèi)，提高了漲落潮時判斷的精度；另一方面，通過全年完整流量過程的統(tǒng)計，可以計算出月年的潮流量的變化，對探索潮流月年變化特征有重要意義。

潮量要素統(tǒng)計表在基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)中屬于實測表類[3]，不屬于整編結(jié)果表類，本系統(tǒng)根據(jù)規(guī)范建立庫表結(jié)構(gòu)，無法將整編計算后的結(jié)果存儲于實測表類中。因此，建議標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)表結(jié)構(gòu)中增加推算潮量統(tǒng)計表。

5 結(jié) 論

（1）本文介紹寧波地區(qū)水文資料在線整編系統(tǒng)研發(fā)中采用的整編計算規(guī)約，規(guī)約在滿足整編規(guī)范要求的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，使整編后的水位過程、潮位過程更準(zhǔn)確反映真實過程，同時又便于使用者處理、分析。自動摘錄瞬時高低潮位的原則，適用于規(guī)則半日潮和不規(guī)則半日潮河段，也適用于日潮河段。

（2）鑒于部分潮流量站已安裝在線流量監(jiān)測設(shè)備的情況，認(rèn)為可以與推算流量整編出逐日平均流量表一樣，將推算的潮流量整編計算出潮量統(tǒng)計表，建議標(biāo)準(zhǔn)水文數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)中增加相關(guān)的計算類表格。

（3）隨著水文資料整編及時性要求的提高，以及原始采集數(shù)據(jù)的完整性的提高和實時性的保證，水文資料自動整編方面急需形成一整套新的計算規(guī)約，為水文行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展提供新思路。