長江水文資料在線整編系統應用研究

 　　摘要：為解決當前水文測驗到整編網絡化水平不高、水文信息時效性不夠的問題，開發了長江水文資料在線整編系統。該系統提供數據服務接口，將測驗、整編、報汛信息連為一體，達到實時整編、服務報汛的目的。在2020年洪水測報中的應用表明：該系統具有良好的系統架構、成熟完善的算法，符合規范要求，配備的繪圖功能操作簡潔、功能強大，改變了水文資料整編工作方式和方法，能夠實現智能推薦測次布置和測驗-整編-報汛的一體化銜接。長江水文資料在線整編的開發運用，實現了按月整編，信息發布的時效性增強，對測驗指導和水情報汛起到了支撐作用。

　　《水電能源科學》(Water Resources and Power)屬于工業技術類學術性刊物，創刊于1983年，教育部主管，中國水力發電工程學會、華中科技大學主辦，華中科技大學承辦，武漢國測三聯水電設備有限公司、鄭州大學水科學研究中心協辦。

　　關鍵詞：長江水文資料; 在線整編系統; 水文測驗-整編-報汛一體化; 數據服務接口; 水位流量關系 曲線; 長江2020年洪水

　　中圖法分類號：TP391 文獻標志碼：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方法和統一規格進行整理、分析、統計、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。開展測驗誤差評定，利用歸納總結出的水文要素規律對資料做合理性檢查，可加強對水文要素時空變化規律的認識[3]。傳統的水文資料整編需要經過在站整編、勘測局審查、流域或省局復審、資料匯編等階段，過程繁瑣，時間較長。

　　為適應經濟社會的快速發展，不斷滿足水生態文明建設、最嚴格水資源管理、河湖長制管理等工作對水文整編資料的高時效性要求，2018年以來，根據水利部對水文資料整編“日清月結”的要求，長江水利委員會(以下簡稱“長江委”)水文局基于縱向生產和業務實際，開展了水文資料在線整編的需求分析、基礎研究、開發測試等工作，完成了長江水文資料在線整編系統的研發。該系統的投入使用為傳統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發生了超保證、超歷史洪水，沿岸人民的生命、財產受到嚴重威脅，長江防汛任務艱巨。在2020年測報工作中，水文資料在線整編系統發揮了重要的作用，為取得抗洪斗爭的勝利提供了可靠的水情信息。該系統被選為水利部智慧水利先行先試優秀案例，擬在全國范圍內進行推廣應用。

　　長江水文資料在線整編系統經歷了實踐的考驗，并在應用中摸索出了在線整編的發展方向，為后續的系統升級應用打下了堅實基礎。

　　1 系統架構

　　水文資料整編傳統業務模式存在數據存儲分散、數據共享程度低、原始數據存儲不完備、工作量繁重、生產周期長等問題，導致整編成果滯后，難以滿足當前應用的需要。

　　水文資料在線整編系統致力于解決上述問題。通過建設1套水文在線監測數據智能實時識別整編與應用系統，在用戶分散完成各項業務工作的同時，系統實現數據的統一管理、共享機制和業務全流程的聯通，實現測站管理、水文測驗、資料整編、數據應用等水文數據在線業務處理服務的自動化、一體化。通過將大量計算工作交給計算機完成，不僅減輕人工工作量，還大幅提高數據準確性。

　　長江水文資料在線整編系統總體框架見圖1，主要分為數據層、業務層、用戶界面層(前端UI)。數據層通過水文數據組織實現異構數據的統一管理，建立整編人員信息庫、測站信息、整編成果表、實測數據表等，使整編對象、實施人員、實施過程實現信息化，與數據庫聯合起來形成在線整編數據源。

　　(1) 系統業務層主體為實時智能整編部分，是在線整編系統的核心。主要由水流沙、降水、潮流等整編API以及后臺數據預處理服務組成。業務層系統對原始測驗數據在后臺預處理，進行智能整合、插補、除錯后，存入原始整編數據中。后臺業務模塊通過智能識別、匹配數據、調用相關API實現自動整編。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標準構建Web瀏覽器界面，進行整編數據查看，展示各類統計報表、對比過程圖等。

　　(3) 在線整編系統中的Z-Q繪線模塊，是在線整編系統的難點，處于用戶界面層，提供自動擬合繪線、人工調整優化水位流量關系的功能。

　　(4) 作為整編作業的上游數據產地，流量監測系統、實時水雨情系統等水文在線監測系統，使用在線整編數據服務接口，把自動采集或人工觀測的原始監測數據，傳輸至整編系統進行整編。水文在線監測系統、在線整編系統、實時整編推送服務等系統共同組成了測驗、整編、報汛一體化的重要應用，是在線整編系統的重點應用。

　　2 系統特點

　　長江水文資料在線整編可實現日清月結、按月整編，能夠大幅度提高資料整編的時效性，使水文資料可以快速共享，也實現了高頻次的資料審查，進而提高水文資料的成果質量。

　　(1) 吸取全國水文資料整編系統5.0的全部優點，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范要求，具有在全國推廣應用的價值。

　　(2) 使用統一的系統、數據庫有利于資料的規范化，保證數據的唯一性。在線整編系統按照水文資料整編規范要求開發的整編算法，各項統計、數值修約等更加標準化、規范化。

　　(3) 采用先進的軟件開發技術，具有易用性、先進性、實用性、可擴展性、安全可靠性、可維護性，滿足多樣的用戶需求，具有廣泛的應用，系統維護更加簡便。

　　3 適應流量監測新技術的在線整編方法

　　流量資料的整編是整編系統的核心功能。河流的流量代表著水資源量的大小，是最重要的水文數據。從水文監測原始資料推算出流量過程，也是整編中最為復雜的。一般不穩定的Z-Q關系流量資料整編方法，可分為時序型和水力因素型兩種方法。時序型包括連時序法、臨時曲線法、改正水位、改正系數等;水力因素法包括校正因數法、落差指數法、上游水位法等。在線整編系統實現了以上全部的整編方法，同時針對新的監測技術開發了適用的新整編方法。

　　水文在線監測流量新技術逐漸成熟，聲學、電學、影像等在線監測儀器廣泛使用，相應地需要選擇配套的、科學合理的資料整編方法。例如，水平ADCP在線監測[2-3]主要采用代表線法和人工智能神經網絡算法[4]進行流量整編(圖2)。兩種方法比較相似，均為數據驅動建模。

　　在線整編系統采用當前主流軟件技術，開發了數據驅動建模的整編推流技術[5]，滿足流量監測新技術的整編要求。

　　4 水文測驗-整編-報汛集成一體化

　　在處理水位、雨量、實測流量等原始測驗資料時，在線整編系統分析了各要素的數據來源、類型，理清測驗數據、整編數據的界限，為水文測驗數據與整編數據的有效銜接做好前提。

　　在線整編系統開發了一系列的API數據服務接口，如水位、雨量接口，包括時間、水位、雨量參數，實測流量接口包括時間、相應水位、實測流量等參數，Z-Q關系節點接口包括水位、流量結點參數等。

　　使用這些API數據服務接口，水文監測系統(WISH系統)可以將實測流量成果寫入整編成果庫，水位雨量月報處理完成實時水位雨量的處理后，直接寫入水位雨量整編庫。水位流量關系實時處理模塊將實測流量擬合成Z-Q關系曲線，并可修訂關系曲線以符合測站特性。在線整編的核心模塊調用Z-Q關系曲線節點和水位數據進行實時的推算流量，并推送服務應用，如水情報汛等，實測測驗、整編、報汛的一體化。測驗整編報汛一體化示意圖見圖3。

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

　　5 水位流量關系曲線實時處理

　　Z-Q關系曲線是測站特性的重要外在表現，是流量資料整編工作中最重要的環節之一。一般Z-Q關系曲線是通過實測流量點的點群中心繪制的臨時繩套曲線，實測點離線誤差要滿足規范要求。人工繪圖效率低，工作量大。

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

　　該模塊實時點繪實測流量點，展現實測流量點的分布情況，通過點群中心自動擬合關系曲線，自動檢驗實測點與水位流量關系線的偏離情況[6-7]，可對關系線進行實時調整，并作3種檢驗;實現曲線的管理、連接、編輯修改等功能。

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

　　6 在2020年長江洪水測報中的應用

　　6.1 對2020年長江洪水測驗的指導作用

　　在線整編系統快速收集測驗資料，并快速完成水位流量(Z-Q)關系的繪制，進行推流整編，使內業整編對測驗指導作用更加突出。在線整編實現了智能測次布置，指導測驗控制流量過程重要轉折點，提高了流量成果的合理性、可靠性。

　　根據Z-Q關系圖，尋找Z-Q關系轉折處，智能推薦峰(谷)前峰(谷)后實測流量時間。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，及時在上游過峰后、水位上漲超0.5 m布置了測次，抓住了轉折點測驗時機，見圖4。

　　根據上下游水情變化情況，抓住Z-Q關系變化處測驗時機，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，觸發測驗時機，推薦的測次控制了重要的關系變化，見圖5。

　　在線整編根據測站水沙特性，制定測驗推薦規則，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關系圖，更好地進行上下游聯動測驗，提前做好施測準備。

　　在高洪測驗工作中，在線整編系統實現內業測驗、外業整編共享一個系統，協同工作，對各種備用測驗方法的系數，如流量系數、流速系數、浮標系數、電波流速儀系數、水平ADCP回歸方程等，快速評估適用范圍、選擇適宜的方法、內外業聯合，審慎地實施測洪方案。

　　在測驗實施過程中，測驗整編一體化帶來信息的快速流動、共享，能夠應對測驗環境的突發性變化，對于測驗方案的調整起到積極作用。例如測驗斷面突發崩岸、沖淤變化過大等情況，應適時地轉移測深、測速、測沙垂線，系統可指導合理地轉移測線，內外聯動對測驗成果進行合理性檢查[8]。

　　6.2 為洪水水情預報提供較可靠的水情數據

　　長江委水文局所轄水文站大多為防汛體系中重要報汛站。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報、防汛調度尤為關鍵。在線整編系統實現水文測驗—整編—報汛一體化，在2020年各站的水情預報中發揮了積極的作用。

　　在水情報汛中，相應流量報汛是水情工作的重難點，對水情預報精度影響較大。提高相應流量報汛精度關鍵技術是繪制Z-Q關系曲線。

　　在線整編系統提供的關系曲線繪制工具，能夠實現繪圖成果的共享，值班人員可在其他人的協助下完成圖形繪制，并將關系線節點錄入到報汛系統中，從而提高定線的符合性，為報汛精度提供保障。

　　此外，在線整編使整編成果時效性大幅提高，加強資料合理性檢查的時效性。對于報汛中發現的流量、水位等問題，通過對比在線整編的結果，可以迅速解答有關問題，有利于提升水情報汛可靠性。在線整編系統快速匯總上下游測站月年徑流量、輸沙量，根據上下游關系開展上下游水量、沙量的平衡分析對照，快速驗證測驗成果每次洪水過程的洪量、沙量的可靠性。

　　7 結 語

　　長江水文資料在線整編系統的應用改變了傳統水文資料整編方式，是順應水文監測網絡化、智能化發展的必然結果。它打通了原始測驗數據到整編成果數據庫鏈路，能夠快速整理各水文要素原始資料，進行實時整編，大幅提高水文資料整編的時效性，讓水文資料發揮更加突出的效益。

　　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使測次布置、高洪測驗、測線轉移等更加合理，實現了協同處理測驗信息，提高了水文監測網絡化、智能化水平。同時，在線整編系統實現了水文測驗—整編—報汛的一體化銜接，從而提高相應流量報汛精度，為水情預報提供了較可靠的數據。

　　隨著長江水文資料在線整編系統技術逐漸成熟，今后將在水文測驗整編、水情預報、三峽水庫泥沙研究、水資源管理等方面繼續發揮作用，為智慧水利建設提供更快速、更可靠的基礎數據資源。

　　參考文獻：

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　　[3] 張振，徐立中，韓華，等.基于徑向基神經網絡的明渠流量軟測量方法[J].儀器儀表學報，2011，32(12)：2648-2655.

　　[4] 秦昊，張晶，高珺，等.異構水文信息系統間的數據共享技術[J].中國防汛抗旱，2018，28(11)：40-43，48.

　　[5] 鄒冰玉，陳瑜彬，秦昊.長江水文預報服務平臺設計與開發[J].中國水利，2017(19)：13-14.

　　[6] 王錦生.關于水文測驗誤差的幾個問題[J].水文，1985(5)：1-11.

　　[7] 秦昊，陳瑜彬.長江洪水預報調度系統建設及應用[J].人民長江，2017，48(4)：16-21.

　　[8] 關興中，楊嘉.水文特征值統計查詢系統的設計與實現[J].信息與電腦(理論版)，2021，33(22)：94-97.

《長江水文資料在線整編系統應用研究》

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