長江水文資料在線整編系統(tǒng)應(yīng)用研究

張亭　賴厚桂　牟蕓　周智

摘要：為解決當(dāng)前水文測驗(yàn)到整編網(wǎng)絡(luò)化水平不高、水文信息時(shí)效性不夠的問題，開發(fā)了長江水文資料在線整編系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，將測驗(yàn)、整編、報(bào)汛信息連為一體，達(dá)到實(shí)時(shí)整編、服務(wù)報(bào)汛的目的。在2020年洪水測報(bào)中的應(yīng)用表明：該系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)架構(gòu)、成熟完善的算法，符合規(guī)范要求，配備的繪圖功能操作簡潔、功能強(qiáng)大，改變了水文資料整編工作方式和方法，能夠?qū)崿F(xiàn)智能推薦測次布置和測驗(yàn)-整編-報(bào)汛的一體化銜接。長江水文資料在線整編的開發(fā)運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了按月整編，信息發(fā)布的時(shí)效性增強(qiáng)，對測驗(yàn)指導(dǎo)和水情報(bào)汛起到了支撐作用。

關(guān)鍵詞：長江水文資料; 在線整編系統(tǒng); 水文測驗(yàn)-整編-報(bào)汛一體化; 數(shù)據(jù)服務(wù)接口; 水位流量關(guān)系 曲線; 長江2020年洪水

中圖法分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.020

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0117 - 05

0 引 言

水文資料整編是對原始水文資料按科學(xué)方法和統(tǒng)一規(guī)格進(jìn)行整理、分析、統(tǒng)計(jì)、審查、匯編刊印等工作的總稱[1-2]。它是對水文資料去偽存真的處理，是不斷逼近真值的過程。開展測驗(yàn)誤差評定，利用歸納總結(jié)出的水文要素規(guī)律對資料做合理性檢查，可加強(qiáng)對水文要素時(shí)空變化規(guī)律的認(rèn)識[3]。傳統(tǒng)的水文資料整編需要經(jīng)過在站整編、勘測局審查、流域或省局復(fù)審、資料匯編等階段，過程繁瑣，時(shí)間較長。

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，不斷滿足水生態(tài)文明建設(shè)、最嚴(yán)格水資源管理、河湖長制管理等工作對水文整編資料的高時(shí)效性要求，2018年以來，根據(jù)水利部對水文資料整編“日清月結(jié)”的要求，長江水利委員會(huì)（以下簡稱“長江委”）水文局基于縱向生產(chǎn)和業(yè)務(wù)實(shí)際，開展了水文資料在線整編的需求分析、基礎(chǔ)研究、開發(fā)測試等工作，完成了長江水文資料在線整編系統(tǒng)的研發(fā)。該系統(tǒng)的投入使用為傳統(tǒng)的水文資料整編提供了新方法。2020年，長江流域主要水系陸續(xù)發(fā)生了超保證、超歷史洪水，沿岸人民的生命、財(cái)產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅，長江防汛任務(wù)艱巨。在2020年測報(bào)工作中，水文資料在線整編系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用，為取得抗洪斗爭的勝利提供了可靠的水情信息。該系統(tǒng)被選為水利部智慧水利先行先試優(yōu)秀案例，擬在全國范圍內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

長江水文資料在線整編系統(tǒng)經(jīng)歷了實(shí)踐的考驗(yàn)，并在應(yīng)用中摸索出了在線整編的發(fā)展方向，為后續(xù)的系統(tǒng)升級應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

水文資料整編傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分散、數(shù)據(jù)共享程度低、原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不完備、工作量繁重、生產(chǎn)周期長等問題，導(dǎo)致整編成果滯后，難以滿足當(dāng)前應(yīng)用的需要。

水文資料在線整編系統(tǒng)致力于解決上述問題。通過建設(shè)1套水文在線監(jiān)測數(shù)據(jù)智能實(shí)時(shí)識別整編與應(yīng)用系統(tǒng)，在用戶分散完成各項(xiàng)業(yè)務(wù)工作的同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、共享機(jī)制和業(yè)務(wù)全流程的聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)測站管理、水文測驗(yàn)、資料整編、數(shù)據(jù)應(yīng)用等水文數(shù)據(jù)在線業(yè)務(wù)處理服務(wù)的自動(dòng)化、一體化。通過將大量計(jì)算工作交給計(jì)算機(jī)完成，不僅減輕人工工作量，還大幅提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

長江水文資料在線整編系統(tǒng)總體框架見圖1，主要分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、用戶界面層（前端UI）。數(shù)據(jù)層通過水文數(shù)據(jù)組織實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，建立整編人員信息庫、測站信息、整編成果表、實(shí)測數(shù)據(jù)表等，使整編對象、實(shí)施人員、實(shí)施過程實(shí)現(xiàn)信息化，與數(shù)據(jù)庫聯(lián)合起來形成在線整編數(shù)據(jù)源。

（1） 系統(tǒng)業(yè)務(wù)層主體為實(shí)時(shí)智能整編部分，是在線整編系統(tǒng)的核心。主要由水流沙、降水、潮流等整編API以及后臺數(shù)據(jù)預(yù)處理服務(wù)組成。業(yè)務(wù)層系統(tǒng)對原始測驗(yàn)數(shù)據(jù)在后臺預(yù)處理，進(jìn)行智能整合、插補(bǔ)、除錯(cuò)后，存入原始整編數(shù)據(jù)中。后臺業(yè)務(wù)模塊通過智能識別、匹配數(shù)據(jù)、調(diào)用相關(guān)API實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整編。水流沙API提供豐富的整編方法，滿足各類測站的整編。

（2） 用戶界面層，采用html5標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建Web瀏覽器界面，進(jìn)行整編數(shù)據(jù)查看，展示各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表、對比過程圖等。

（3） 在線整編系統(tǒng)中的Z-Q繪線模塊，是在線整編系統(tǒng)的難點(diǎn)，處于用戶界面層，提供自動(dòng)擬合繪線、人工調(diào)整優(yōu)化水位流量關(guān)系的功能。

（4） 作為整編作業(yè)的上游數(shù)據(jù)產(chǎn)地，流量監(jiān)測系統(tǒng)、實(shí)時(shí)水雨情系統(tǒng)等水文在線監(jiān)測系統(tǒng)，使用在線整編數(shù)據(jù)服務(wù)接口，把自動(dòng)采集或人工觀測的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳輸至整編系統(tǒng)進(jìn)行整編。水文在線監(jiān)測系統(tǒng)、在線整編系統(tǒng)、實(shí)時(shí)整編推送服務(wù)等系統(tǒng)共同組成了測驗(yàn)、整編、報(bào)汛一體化的重要應(yīng)用，是在線整編系統(tǒng)的重點(diǎn)應(yīng)用。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

長江水文資料在線整編可實(shí)現(xiàn)日清月結(jié)、按月整編，能夠大幅度提高資料整編的時(shí)效性，使水文資料可以快速共享，也實(shí)現(xiàn)了高頻次的資料審查，進(jìn)而提高水文資料的成果質(zhì)量。

（1） 吸取全國水文資料整編系統(tǒng)5.0的全部優(yōu)點(diǎn)，整編方法滿足河道、水庫、堰閘、潮位等各類測站整編需求，整編成果符合水文規(guī)范要求，具有在全國推廣應(yīng)用的價(jià)值。

（2） 使用統(tǒng)一的系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫有利于資料的規(guī)范化，保證數(shù)據(jù)的唯一性。在線整編系統(tǒng)按照水文資料整編規(guī)范要求開發(fā)的整編算法，各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)、數(shù)值修約等更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

（3） 采用先進(jìn)的軟件開發(fā)技術(shù)，具有易用性、先進(jìn)性、實(shí)用性、可擴(kuò)展性、安全可靠性、可維護(hù)性，滿足多樣的用戶需求，具有廣泛的應(yīng)用，系統(tǒng)維護(hù)更加簡便。

3 適應(yīng)流量監(jiān)測新技術(shù)的在線整編方法

流量資料的整編是整編系統(tǒng)的核心功能。河流的流量代表著水資源量的大小，是最重要的水文數(shù)據(jù)。從水文監(jiān)測原始資料推算出流量過程，也是整編中最為復(fù)雜的。一般不穩(wěn)定的Z-Q關(guān)系流量資料整編方法，可分為時(shí)序型和水力因素型兩種方法。時(shí)序型包括連時(shí)序法、臨時(shí)曲線法、改正水位、改正系數(shù)等;水力因素法包括校正因數(shù)法、落差指數(shù)法、上游水位法等。在線整編系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以上全部的整編方法，同時(shí)針對新的監(jiān)測技術(shù)開發(fā)了適用的新整編方法。

水文在線監(jiān)測流量新技術(shù)逐漸成熟，聲學(xué)、電學(xué)、影像等在線監(jiān)測儀器廣泛使用，相應(yīng)地需要選擇配套的、科學(xué)合理的資料整編方法。例如，水平ADCP在線監(jiān)測[2-3]主要采用代表線法和人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[4]進(jìn)行流量整編（圖2）。兩種方法比較相似，均為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模。

在線整編系統(tǒng)采用當(dāng)前主流軟件技術(shù)，開發(fā)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的整編推流技術(shù)[5]，滿足流量監(jiān)測新技術(shù)的整編要求。

4 水文測驗(yàn)-整編-報(bào)汛集成一體化

在處理水位、雨量、實(shí)測流量等原始測驗(yàn)資料時(shí)，在線整編系統(tǒng)分析了各要素的數(shù)據(jù)來源、類型，理清測驗(yàn)數(shù)據(jù)、整編數(shù)據(jù)的界限，為水文測驗(yàn)數(shù)據(jù)與整編數(shù)據(jù)的有效銜接做好前提。

在線整編系統(tǒng)開發(fā)了一系列的API數(shù)據(jù)服務(wù)接口，如水位、雨量接口，包括時(shí)間、水位、雨量參數(shù)，實(shí)測流量接口包括時(shí)間、相應(yīng)水位、實(shí)測流量等參數(shù)，Z-Q關(guān)系節(jié)點(diǎn)接口包括水位、流量結(jié)點(diǎn)參數(shù)等。

使用這些API數(shù)據(jù)服務(wù)接口，水文監(jiān)測系統(tǒng)（WISH系統(tǒng)）可以將實(shí)測流量成果寫入整編成果庫，水位雨量月報(bào)處理完成實(shí)時(shí)水位雨量的處理后，直接寫入水位雨量整編庫。水位流量關(guān)系實(shí)時(shí)處理模塊將實(shí)測流量擬合成Z-Q關(guān)系曲線，并可修訂關(guān)系曲線以符合測站特性。在線整編的核心模塊調(diào)用Z-Q關(guān)系曲線節(jié)點(diǎn)和水位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的推算流量，并推送服務(wù)應(yīng)用，如水情報(bào)汛等，實(shí)測測驗(yàn)、整編、報(bào)汛的一體化。測驗(yàn)整編報(bào)汛一體化示意圖見圖3。

在線整編實(shí)時(shí)流量用于相應(yīng)流量報(bào)汛可提高報(bào)汛精度。相對于水情分中心報(bào)汛軟件定線工具，在線整編系統(tǒng)中的水位流量關(guān)系曲線定線功能更加完善，支持的整編定線方法較多，如水位落差關(guān)系圖、水位過程圖等輔助關(guān)系定線工具豐富，確定的水位流量關(guān)系曲線更加符合測站特性，也更具合理性、可靠性。

5 水位流量關(guān)系曲線實(shí)時(shí)處理

Z-Q關(guān)系曲線是測站特性的重要外在表現(xiàn)，是流量資料整編工作中最重要的環(huán)節(jié)之一。一般Z-Q關(guān)系曲線是通過實(shí)測流量點(diǎn)的點(diǎn)群中心繪制的臨時(shí)繩套曲線，實(shí)測點(diǎn)離線誤差要滿足規(guī)范要求。人工繪圖效率低，工作量大。

在線整編系統(tǒng)提供了Z-Q曲線定線模塊，具有繪制連時(shí)序法、臨時(shí)曲線法、校正因素法、落差指數(shù)法、單一線法、連實(shí)測流量過程線法等曲線功能，以及單斷沙關(guān)系曲線定線、反推入庫洪水的編輯功能。

該模塊實(shí)時(shí)點(diǎn)繪實(shí)測流量點(diǎn)，展現(xiàn)實(shí)測流量點(diǎn)的分布情況，通過點(diǎn)群中心自動(dòng)擬合關(guān)系曲線，自動(dòng)檢驗(yàn)實(shí)測點(diǎn)與水位流量關(guān)系線的偏離情況[6-7]，可對關(guān)系線進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，并作3種檢驗(yàn);實(shí)現(xiàn)曲線的管理、連接、編輯修改等功能。

此外，該模塊開發(fā)了功能齊全的輔助定線功能。如對單一線、連時(shí)序線開展多年綜合線、場次洪水Z-Q關(guān)系曲線對照，快速找出水位流量關(guān)系的變化范圍，驗(yàn)證單次測驗(yàn)成果的合理性，從而指導(dǎo)水文測驗(yàn);提供本站水位、上下游水位、落差過程與Z-Q關(guān)系圖的同步對照功能。通過輔助線對照，不同Z-Q關(guān)系受不同的影響因素更加清晰、直觀，實(shí)時(shí)關(guān)系曲線處理更具合理性。

6 在2020年長江洪水測報(bào)中的應(yīng)用

6.1 對2020年長江洪水測驗(yàn)的指導(dǎo)作用

在線整編系統(tǒng)快速收集測驗(yàn)資料，并快速完成水位流量（Z-Q）關(guān)系的繪制，進(jìn)行推流整編，使內(nèi)業(yè)整編對測驗(yàn)指導(dǎo)作用更加突出。在線整編實(shí)現(xiàn)了智能測次布置，指導(dǎo)測驗(yàn)控制流量過程重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，提高了流量成果的合理性、可靠性。

根據(jù)Z-Q關(guān)系圖，尋找Z-Q關(guān)系轉(zhuǎn)折處，智能推薦峰（谷）前峰（谷）后實(shí)測流量時(shí)間。2020年7月興隆站最大洪水過程利用在線整編推薦的測次布置，及時(shí)在上游過峰后、水位上漲超0.5 m布置了測次，抓住了轉(zhuǎn)折點(diǎn)測驗(yàn)時(shí)機(jī)，見圖4。

根據(jù)上下游水情變化情況，抓住Z-Q關(guān)系變化處測驗(yàn)時(shí)機(jī)，增加流量測次。2020年8月北碚站最大洪水過程中，上游東津沱站落水過程突變，觸發(fā)測驗(yàn)時(shí)機(jī)，推薦的測次控制了重要的關(guān)系變化，見圖5。

在線整編根據(jù)測站水沙特性，制定測驗(yàn)推薦規(guī)則，如選擇在洪峰前或洪峰后搶測沙峰，也可以共享上下游整編成果、Z-Q關(guān)系圖，更好地進(jìn)行上下游聯(lián)動(dòng)測驗(yàn)，提前做好施測準(zhǔn)備。

在高洪測驗(yàn)工作中，在線整編系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)測驗(yàn)、外業(yè)整編共享一個(gè)系統(tǒng)，協(xié)同工作，對各種備用測驗(yàn)方法的系數(shù)，如流量系數(shù)、流速系數(shù)、浮標(biāo)系數(shù)、電波流速儀系數(shù)、水平ADCP回歸方程等，快速評估適用范圍、選擇適宜的方法、內(nèi)外業(yè)聯(lián)合，審慎地實(shí)施測洪方案。

在測驗(yàn)實(shí)施過程中，測驗(yàn)整編一體化帶來信息的快速流動(dòng)、共享，能夠應(yīng)對測驗(yàn)環(huán)境的突發(fā)性變化，對于測驗(yàn)方案的調(diào)整起到積極作用。例如測驗(yàn)斷面突發(fā)崩岸、沖淤變化過大等情況，應(yīng)適時(shí)地轉(zhuǎn)移測深、測速、測沙垂線，系統(tǒng)可指導(dǎo)合理地轉(zhuǎn)移測線，內(nèi)外聯(lián)動(dòng)對測驗(yàn)成果進(jìn)行合理性檢查[8]。

6.2 為洪水水情預(yù)報(bào)提供較可靠的水情數(shù)據(jù)

長江委水文局所轄水文站大多為防汛體系中重要報(bào)汛站。例如寸灘站為三峽入庫重要水文控制站，漢口站為武漢河段防汛重要控制站等。這些重要站水情信息對水情預(yù)報(bào)、防汛調(diào)度尤為關(guān)鍵。在線整編系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水文測驗(yàn)—整編—報(bào)汛一體化，在2020年各站的水情預(yù)報(bào)中發(fā)揮了積極的作用。

在水情報(bào)汛中，相應(yīng)流量報(bào)汛是水情工作的重難點(diǎn)，對水情預(yù)報(bào)精度影響較大。提高相應(yīng)流量報(bào)汛精度關(guān)鍵技術(shù)是繪制Z-Q關(guān)系曲線。

在線整編系統(tǒng)提供的關(guān)系曲線繪制工具，能夠?qū)崿F(xiàn)繪圖成果的共享，值班人員可在其他人的協(xié)助下完成圖形繪制，并將關(guān)系線節(jié)點(diǎn)錄入到報(bào)汛系統(tǒng)中，從而提高定線的符合性，為報(bào)汛精度提供保障。

此外，在線整編使整編成果時(shí)效性大幅提高，加強(qiáng)資料合理性檢查的時(shí)效性。對于報(bào)汛中發(fā)現(xiàn)的流量、水位等問題，通過對比在線整編的結(jié)果，可以迅速解答有關(guān)問題，有利于提升水情報(bào)汛可靠性。在線整編系統(tǒng)快速匯總上下游測站月年徑流量、輸沙量，根據(jù)上下游關(guān)系開展上下游水量、沙量的平衡分析對照，快速驗(yàn)證測驗(yàn)成果每次洪水過程的洪量、沙量的可靠性。

7 結(jié) 語

長江水文資料在線整編系統(tǒng)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)水文資料整編方式，是順應(yīng)水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的必然結(jié)果。它打通了原始測驗(yàn)數(shù)據(jù)到整編成果數(shù)據(jù)庫鏈路，能夠快速整理各水文要素原始資料，進(jìn)行實(shí)時(shí)整編，大幅提高水文資料整編的時(shí)效性，讓水文資料發(fā)揮更加突出的效益。

2020年洪水期間，長江委水文局管轄的測站采用長江水文資料在線整編系統(tǒng)使測次布置、高洪測驗(yàn)、測線轉(zhuǎn)移等更加合理，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同處理測驗(yàn)信息，提高了水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平。同時(shí)，在線整編系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水文測驗(yàn)—整編—報(bào)汛的一體化銜接，從而提高相應(yīng)流量報(bào)汛精度，為水情預(yù)報(bào)提供了較可靠的數(shù)據(jù)。

隨著長江水文資料在線整編系統(tǒng)技術(shù)逐漸成熟，今后將在水文測驗(yàn)整編、水情預(yù)報(bào)、三峽水庫泥沙研究、水資源管理等方面繼續(xù)發(fā)揮作用，為智慧水利建設(shè)提供更快速、更可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源。

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（編輯：李 晗）

Application of on-line compilation system for hydrological data of

Yangtze River

ZHANG Ting LAI Hougui MU Yun ZHOU Zhi

（1. Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan? 430010， China; 2. Hunan Shunwang Information

Technology Co.， Ltd.， Changsha? 410000， China）

Abstract： In order to solve the current problems of low level of networked hydrological survey to compilation and insufficient timeliness of hydrological information provision， the online compilation system of Yangtze River hydrological data was developed. The system provides data service interface integrating survey， compilation and flood reporting information， so as to achieve the goal of real-time compilation and flood reporting. In the application of the system in flood forecasting in 2020， the online system realized the intelligent recommendation of survey arrangement and integration of survey - compilation - flood reporting. The development and application of the online compilation of hydrological data of the Yangtze River realized the monthly compilation， enhanced the timeliness of information release， and the online compilation can play a supporting role in survey guidance and flood reporting.

Key words： Yangtze River Hydrological Data; online compilation system; integration of hydrometry-processing-reporting;data service interface;level-discharge relation curve; 2020's flood of Yangtze River