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长江水文资料在线整编系统应用研究

职称驿站所属分类:水力论文发布时间:2022-08-18 09:09:42浏览:

为解决当前水文测验到整编网络化水平不高、水文信息时效性不够的问题,开发了长江水文资料在线整编系统。该系统提供数据服务接口,将测验、整编、报汛信息连为一体,达到实时整编、服务报汛的目的。在2020年洪水测报中的应用表明:该系统具有良好的系统架构、成熟完善的算法,符合规范要求,配备的绘图功能操作简洁、功能强大

   摘要:为解决当前水文测验到整编网络化水平不高、水文信息时效性不够的问题,开发了长江水文资料在线整编系统。该系统提供数据服务接口,将测验、整编、报汛信息连为一体,达到实时整编、服务报汛的目的。在2020年洪水测报中的应用表明:该系统具有良好的系统架构、成熟完善的算法,符合规范要求,配备的绘图功能操作简洁、功能强大,改变了水文资料整编工作方式和方法,能够实现智能推荐测次布置和测验-整编-报汛的一体化衔接。长江水文资料在线整编的开发运用,实现了按月整编,信息发布的时效性增强,对测验指导和水情报汛起到了支撑作用。

水电能源科学

  《水电能源科学》(Water Resources and Power)属于工业技术类学术性刊物,创刊于1983年,教育部主管,中国水力发电工程学会、华中科技大学主办,华中科技大学承办,武汉国测三联水电设备有限公司、郑州大学水科学研究中心协办。

  关键词:长江水文资料; 在线整编系统; 水文测验-整编-报汛一体化; 数据服务接口; 水位流量关系 曲线; 长江2020年洪水

  中图法分类号:TP391 文献标志码:A DOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.020

  文章编号:1006 - 0081(2022)07 - 0117 - 05

  0 引 言

  水文资料整编是对原始水文资料按科学方法和统一规格进行整理、分析、统计、审查、汇编刊印等工作的总称[1-2]。它是对水文资料去伪存真的处理,是不断逼近真值的过程。開展测验误差评定,利用归纳总结出的水文要素规律对资料做合理性检查,可加强对水文要素时空变化规律的认识[3]。传统的水文资料整编需要经过在站整编、勘测局审查、流域或省局复审、资料汇编等阶段,过程繁琐,时间较长。

  为适应经济社会的快速发展,不断满足水生态文明建设、最严格水资源管理、河湖长制管理等工作对水文整编资料的高时效性要求,2018年以来,根据水利部对水文资料整编“日清月结”的要求,长江水利委员会(以下简称“长江委”)水文局基于纵向生产和业务实际,开展了水文资料在线整编的需求分析、基础研究、开发测试等工作,完成了长江水文资料在线整编系统的研发。该系统的投入使用为传统的水文资料整编提供了新方法。2020年,长江流域主要水系陆续发生了超保证、超历史洪水,沿岸人民的生命、财产受到严重威胁,长江防汛任务艰巨。在2020年测报工作中,水文资料在线整编系统发挥了重要的作用,为取得抗洪斗争的胜利提供了可靠的水情信息。该系统被选为水利部智慧水利先行先试优秀案例,拟在全国范围内进行推广应用。

  长江水文资料在线整编系统经历了实践的考验,并在应用中摸索出了在线整编的发展方向,为后续的系统升级应用打下了坚实基础。

  1 系统架构

  水文资料整编传统业务模式存在数据存储分散、数据共享程度低、原始数据存储不完备、工作量繁重、生产周期长等问题,导致整编成果滞后,难以满足当前应用的需要。

  水文资料在线整编系统致力于解决上述问题。通过建设1套水文在线监测数据智能实时识别整编与应用系统,在用户分散完成各项业务工作的同时,系统实现数据的统一管理、共享机制和业务全流程的联通,实现测站管理、水文测验、资料整编、数据应用等水文数据在线业务处理服务的自动化、一体化。通过将大量计算工作交给计算机完成,不仅减轻人工工作量,还大幅提高数据准确性。

  长江水文资料在线整编系统总体框架见图1,主要分为数据层、业务层、用户界面层(前端UI)。数据层通过水文数据组织实现异构数据的统一管理,建立整编人员信息库、测站信息、整编成果表、实测数据表等,使整编对象、实施人员、实施过程实现信息化,与数据库联合起来形成在线整编数据源。

  (1) 系统业务层主体为实时智能整编部分,是在线整编系统的核心。主要由水流沙、降水、潮流等整编API以及后台数据预处理服务组成。业务层系统对原始测验数据在后台预处理,进行智能整合、插补、除错后,存入原始整编数据中。后台业务模块通过智能识别、匹配数据、调用相关API实现自动整编。水流沙API提供丰富的整编方法,满足各类测站的整编。

  (2) 用户界面层,采用html5标准构建Web浏览器界面,进行整编数据查看,展示各类统计报表、对比过程图等。

  (3) 在线整编系统中的Z-Q绘线模块,是在线整编系统的难点,处于用户界面层,提供自动拟合绘线、人工调整优化水位流量关系的功能。

  (4) 作为整编作业的上游数据产地,流量监测系统、实时水雨情系统等水文在线监测系统,使用在线整编数据服务接口,把自动采集或人工观测的原始监测数据,传输至整编系统进行整编。水文在线监测系统、在线整编系统、实时整编推送服务等系统共同组成了测验、整编、报汛一体化的重要应用,是在线整编系统的重点应用。

  2 系统特点

  长江水文资料在线整编可实现日清月结、按月整编,能够大幅度提高资料整编的时效性,使水文资料可以快速共享,也实现了高频次的资料审查,进而提高水文资料的成果质量。

  (1) 吸取全国水文资料整编系统5.0的全部优点,整编方法满足河道、水库、堰闸、潮位等各类测站整编需求,整编成果符合水文规范要求,具有在全国推广应用的价值。

  (2) 使用统一的系统、数据库有利于资料的规范化,保证数据的唯一性。在线整编系统按照水文资料整编规范要求开发的整编算法,各项统计、数值修约等更加标准化、规范化。

  (3) 采用先进的软件开发技术,具有易用性、先进性、实用性、可扩展性、安全可靠性、可维护性,满足多样的用户需求,具有广泛的应用,系统维护更加简便。

  3 适应流量监测新技术的在线整编方法

  流量资料的整编是整编系统的核心功能。河流的流量代表着水资源量的大小,是最重要的水文数据。从水文监测原始资料推算出流量过程,也是整编中最为复杂的。一般不稳定的Z-Q关系流量资料整编方法,可分为时序型和水力因素型两种方法。时序型包括连时序法、临时曲线法、改正水位、改正系数等;水力因素法包括校正因数法、落差指数法、上游水位法等。在线整编系统实现了以上全部的整编方法,同时针对新的监测技术开发了适用的新整编方法。

  水文在线监测流量新技术逐渐成熟,声学、电学、影像等在线监测仪器广泛使用,相应地需要选择配套的、科学合理的资料整编方法。例如,水平ADCP在线监测[2-3]主要采用代表线法和人工智能神经网络算法[4]进行流量整编(图2)。两种方法比较相似,均为数据驱动建模。

  在线整编系统采用当前主流软件技术,开发了数据驱动建模的整编推流技术[5],满足流量监测新技术的整编要求。

  4 水文测验-整编-报汛集成一体化

  在处理水位、雨量、实测流量等原始测验资料时,在线整编系统分析了各要素的数据来源、类型,理清测验数据、整编数据的界限,为水文测验数据与整编数据的有效衔接做好前提。

  在线整编系统开发了一系列的API数据服务接口,如水位、雨量接口,包括时间、水位、雨量参数,实测流量接口包括时间、相应水位、实测流量等参数,Z-Q关系节点接口包括水位、流量结点参数等。

  使用这些API数据服务接口,水文监测系统(WISH系统)可以将实测流量成果写入整编成果库,水位雨量月报处理完成实时水位雨量的处理后,直接写入水位雨量整编库。水位流量关系实时处理模块将实测流量拟合成Z-Q关系曲线,并可修订关系曲线以符合测站特性。在线整编的核心模块调用Z-Q關系曲线节点和水位数据进行实时的推算流量,并推送服务应用,如水情报汛等,实测测验、整编、报汛的一体化。测验整编报汛一体化示意图见图3。

  在线整编实时流量用于相应流量报汛可提高报汛精度。相对于水情分中心报汛软件定线工具,在线整编系统中的水位流量关系曲线定线功能更加完善,支持的整编定线方法较多,如水位落差关系图、水位过程图等辅助关系定线工具丰富,确定的水位流量关系曲线更加符合测站特性,也更具合理性、可靠性。

  5 水位流量关系曲线实时处理

  Z-Q关系曲线是测站特性的重要外在表现,是流量资料整编工作中最重要的环节之一。一般Z-Q关系曲线是通过实测流量点的点群中心绘制的临时绳套曲线,实测点离线误差要满足规范要求。人工绘图效率低,工作量大。

  在线整编系统提供了Z-Q曲线定线模块,具有绘制连时序法、临时曲线法、校正因素法、落差指数法、单一线法、连实测流量过程线法等曲线功能,以及单断沙关系曲线定线、反推入库洪水的编辑功能。

  该模块实时点绘实测流量点,展现实测流量点的分布情况,通过点群中心自动拟合关系曲线,自动检验实测点与水位流量关系线的偏离情况[6-7],可对关系线进行实时调整,并作3种检验;实现曲线的管理、连接、编辑修改等功能。

  此外,该模块开发了功能齐全的辅助定线功能。如对单一线、连时序线开展多年综合线、场次洪水Z-Q关系曲线对照,快速找出水位流量关系的变化范围,验证单次测验成果的合理性,从而指导水文测验;提供本站水位、上下游水位、落差过程与Z-Q关系图的同步对照功能。通过辅助线对照,不同Z-Q关系受不同的影响因素更加清晰、直观,实时关系曲线处理更具合理性。

  6 在2020年长江洪水测报中的应用

  6.1 对2020年长江洪水测验的指导作用

  在线整编系统快速收集测验资料,并快速完成水位流量(Z-Q)关系的绘制,进行推流整编,使内业整编对测验指导作用更加突出。在线整编实现了智能测次布置,指导测验控制流量过程重要转折点,提高了流量成果的合理性、可靠性。

  根据Z-Q关系图,寻找Z-Q关系转折处,智能推荐峰(谷)前峰(谷)后实测流量时间。2020年7月兴隆站最大洪水过程利用在线整编推荐的测次布置,及时在上游过峰后、水位上涨超0.5 m布置了测次,抓住了转折点测验时机,见图4。

  根据上下游水情变化情况,抓住Z-Q关系变化处测验时机,增加流量测次。2020年8月北碚站最大洪水过程中,上游东津沱站落水过程突变,触发测验时机,推荐的测次控制了重要的关系变化,见图5。

  在线整编根据测站水沙特性,制定测验推荐规则,如选择在洪峰前或洪峰后抢测沙峰,也可以共享上下游整编成果、Z-Q关系图,更好地进行上下游联动测验,提前做好施测准备。

  在高洪测验工作中,在线整编系统实现内业测验、外业整编共享一个系统,协同工作,对各种备用测验方法的系数,如流量系数、流速系数、浮标系数、电波流速仪系数、水平ADCP回归方程等,快速评估适用范围、选择适宜的方法、内外业联合,审慎地实施测洪方案。

  在测验实施过程中,测验整编一体化带来信息的快速流动、共享,能够应对测验环境的突发性变化,对于测验方案的调整起到积极作用。例如测验断面突发崩岸、冲淤变化过大等情况,应适时地转移测深、测速、测沙垂线,系统可指导合理地转移测线,内外联动对测验成果进行合理性检查[8]。

  6.2 为洪水水情预报提供较可靠的水情数据

  长江委水文局所辖水文站大多为防汛体系中重要报汛站。例如寸滩站为三峡入库重要水文控制站,汉口站为武汉河段防汛重要控制站等。这些重要站水情信息对水情预报、防汛调度尤为关键。在线整编系统实现水文测验—整编—报汛一体化,在2020年各站的水情预报中发挥了积极的作用。

  在水情报汛中,相应流量报汛是水情工作的重难点,对水情预报精度影响较大。提高相应流量报汛精度关键技术是绘制Z-Q关系曲线。

  在线整编系统提供的关系曲线绘制工具,能够实现绘图成果的共享,值班人员可在其他人的协助下完成图形绘制,并将关系线节点录入到报汛系统中,从而提高定线的符合性,为报汛精度提供保障。

  此外,在线整编使整编成果时效性大幅提高,加强资料合理性检查的时效性。对于报汛中发现的流量、水位等问题,通过对比在线整编的结果,可以迅速解答有关问题,有利于提升水情报汛可靠性。在线整编系统快速汇总上下游测站月年径流量、输沙量,根据上下游关系开展上下游水量、沙量的平衡分析对照,快速验证测验成果每次洪水过程的洪量、沙量的可靠性。

  7 結 语

  长江水文资料在线整编系统的应用改变了传统水文资料整编方式,是顺应水文监测网络化、智能化发展的必然结果。它打通了原始测验数据到整编成果数据库链路,能够快速整理各水文要素原始资料,进行实时整编,大幅提高水文资料整编的时效性,让水文资料发挥更加突出的效益。

  2020年洪水期间,长江委水文局管辖的测站采用长江水文资料在线整编系统使测次布置、高洪测验、测线转移等更加合理,实现了协同处理测验信息,提高了水文监测网络化、智能化水平。同时,在线整编系统实现了水文测验—整编—报汛的一体化衔接,从而提高相应流量报汛精度,为水情预报提供了较可靠的数据。

  随着长江水文资料在线整编系统技术逐渐成熟,今后将在水文测验整编、水情预报、三峡水库泥沙研究、水资源管理等方面继续发挥作用,为智慧水利建设提供更快速、更可靠的基础数据资源。

  参考文献:

  [1] 林传真,周忠远.水文测验与查勘[M].南京:河海大学出版社,1987.

  [2] 长江三峡水文水资源勘测局.黄陵庙水文站H-ADCP监测资料整编方法研究[R]. 宜昌:长江三峡水文水资源勘测局,2009.

  [3] 张振,徐立中,韩华,等.基于径向基神经网络的明渠流量软测量方法[J].仪器仪表学报,2011,32(12):2648-2655.

  [4] 秦昊,张晶,高珺,等.异构水文信息系统间的数据共享技术[J].中国防汛抗旱,2018,28(11):40-43,48.

  [5] 邹冰玉,陈瑜彬,秦昊.长江水文预报服务平台设计与开发[J].中国水利,2017(19):13-14.

  [6] 王锦生.关于水文测验误差的几个问题[J].水文,1985(5):1-11.

  [7] 秦昊,陈瑜彬.长江洪水预报调度系统建设及应用[J].人民长江,2017,48(4):16-21.

  [8] 关兴中,杨嘉.水文特征值统计查询系统的设计与实现[J].信息与电脑(理论版),2021,33(22):94-97.

《长江水文资料在线整编系统应用研究》

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