《甘肅省水文測驗系統(tǒng)》在靈臺水文站資料整編中的應(yīng)用

石 琴，雒 儀

(甘肅省平?jīng)鏊乃Y源勘測局，甘肅 平?jīng)?744000)

1 測驗系統(tǒng)簡介

1.1 水文軟件發(fā)展

20世紀(jì)80年代初，水文資料一直采用手工記載、計算整理，工作量大、錯誤率高，直接影響整編效率。20世紀(jì)90年代后期，隨著計算機技術(shù)的引入，形成了較為成熟的DOS版水文測算軟件，但無可視化窗口，且無法對文字、圖形進行處理[1]。進入21世紀(jì)，隨著水文測驗儀器設(shè)備自動化水平的提高，出現(xiàn)基于Visual Basic.NET編程語言的水文測算軟件，可以處理基本水文資料[2]。但隨著水文行業(yè)規(guī)范的修訂完善、計算機更新?lián)Q代周期縮短和開發(fā)者后期缺乏維護等原因，此軟件已不滿足當(dāng)前水文規(guī)范的要求。依據(jù)計算機技術(shù)發(fā)展，甘肅省水文局采用先進的Java編程語言，研發(fā)的《甘肅省水文測驗系統(tǒng)》(簡稱測驗系統(tǒng))軟件，滿足當(dāng)前水文測驗整編規(guī)范與計算機操作系統(tǒng)，并在一定時間內(nèi)保持領(lǐng)先水平。本文通過測驗系統(tǒng)在靈臺水文站在站資料計算整編中的應(yīng)用，分析其對于基層測站的適用性，并介紹使用中的技術(shù)要點。

1.2 測驗系統(tǒng)特性

測驗系統(tǒng)集成了水文數(shù)據(jù)分析、圖形顯示、文檔讀寫和人機交互，各項功能之間通過My SQL數(shù)據(jù)庫鏈接[3]；具有數(shù)據(jù)錄入、分析計算、圖形處理、成果導(dǎo)出等功能。其中分析計算是以水文行業(yè)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)編譯的資料分析計算模塊，主要包含自動監(jiān)測資料分析、流量分析計算、水位流量關(guān)系曲線等水文資料處理相關(guān)功能。原始資料由軟件界面以人工輸入或文本導(dǎo)入等形式取得，保存于數(shù)據(jù)庫分類表中，通過測驗系統(tǒng)分析計算后形成整編成果，可導(dǎo)出電子文檔或打印輸出。各類成果數(shù)據(jù)均符合水文行業(yè)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[4]和《水文資料整編規(guī)范》(SL 247—2012)的要求。

2 靈臺水文站簡介

靈臺水文站位于平?jīng)鍪徐`臺縣中臺鎮(zhèn)，地理位置為東經(jīng)107°36′15″，北緯35°04′13″，地處黃河流域涇河水系達溪河，集水面積為1 500 km2，距河口為33.5 km，屬于國家重要水文站、區(qū)域代表站、中央報汛站、省界斷面站和國家水質(zhì)監(jiān)測站。隸屬于甘肅省平?jīng)鏊乃Y源勘測局管理，管轄雨量站5處，水位站3處，定點洪水調(diào)查河段1處，水質(zhì)調(diào)查斷面1處，測驗任務(wù)包含測站斷面和地形測量、蒸降、水位、流量、泥沙、暴雨洪水調(diào)查等項目。

3 測驗系統(tǒng)應(yīng)用

測驗系統(tǒng)采用純組件UI，精簡平面風(fēng)格。界面左側(cè)為控制區(qū)域，右側(cè)為計算與顯示區(qū)域。左中部為程序各主要項目的選擇按鈕，其中包括“測站信息”、“斷面數(shù)據(jù)”、“流量測驗”、“流量成果”等項目。左上部為各主要項目計算控制區(qū)域，包括提示說明以及各計算控制按鈕。左下部為其他按鈕，包括快捷操作、聲明、設(shè)置等。軟件最下方為狀態(tài)條，包括軟件版本、提示欄。測驗系統(tǒng)軟件界面見圖1所示。

3.1.1測站信息

測站信息模塊是測驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的基本組成體系，在使用軟件前需先建立測站信息，信息包括：測站站碼、站名、水系信息與各類計算系數(shù)。其中至少錄入“序號”、“測站編碼”、“站名”3個信息，該測站才會被程序保存與調(diào)用，且“測站編碼”與“站名”必須是唯一值。測站信息錄入界面見圖2所示。

圖2 測站信息錄入界面示意

3.1.2制表信息

當(dāng)對資料成果進行打印輸出時，會涉及到各類成果表的制表信息和輔助文本。測驗系統(tǒng)支持對成果表中各項輔助說明文本的填寫，分為兩部分。一處位于“制表信息”模塊中，主要為測算人員、輔助文本等全局性信息；另一處位于測驗系統(tǒng)各項計算功能中，主要為測算時間、設(shè)備型號等獨立信息，其中流速儀法計算制表信息見圖3所示。

圖3 流速儀法計算制表信息

3.2 自動監(jiān)測資料分析

靈臺水文站自動監(jiān)測設(shè)備主要集中在水位和降水量測驗項目，所采用的儀器分別是SEBA PULS型雷達水位計和JH-2型雨量計，2款設(shè)備均以5 min為最小單位依次采集數(shù)據(jù)，單個站點全年可觀測105 120次，人工無法處理。測驗系統(tǒng)可實現(xiàn)自動監(jiān)測設(shè)備資料的精簡摘錄，剔除資料中存在的重復(fù)值、特異值、無效值、亂碼等問題，資料滿足與《水文資料整編系統(tǒng)》HDP5.0的對接，從而實現(xiàn)自動監(jiān)測資料整編[5]。自動監(jiān)測資料可通過“宏電RTU前置平臺”遠程下載，首先確保采集的原始資料未改動，在操作界面選擇對應(yīng)的測站和需要分析的年份，單擊“載入”將原始資料添加至測驗系統(tǒng)，此時程序提示“原始資料加載完成”，最后經(jīng)“分析”可得到處理完成的數(shù)據(jù)，再通過《水文資料整編系統(tǒng)》HDP5.0整編后可得逐日降水量表、降水量摘錄表、逐日平均水位表、洪水水位摘錄表等成果資料。

以降水量資料整編為例，選擇2020年度主汛期JH-2型雨量計資料與人工記錄進行比測分析，靈臺水文站降水量總樣本為64個，各月總量差值為0.4～2.0 mm，比值在1.5%～3.0%區(qū)間；最大日量差為0.1～2.5 mm；降水量日數(shù)差為0～2 d，主要因素是JH-2型雨量計的最小感應(yīng)量為0.2 mm，無法識別0.1 mm降水。綜上分析，JH-2型雨量計資料誤差符合標(biāo)準(zhǔn)，通過測驗系統(tǒng)處理后的資料達到整編規(guī)范要求。靈臺水文站主汛期降水量對照見圖4。

圖4 靈臺水文站主汛期降水量對照示意

3.3 流量資料分析

測驗系統(tǒng)分別支持對流速儀法、浮標(biāo)法、比降面積法的流量分析計算。在靈臺水文站流量測驗項目中，一般在水位低于996.32 m時屬于低水位區(qū)間，此時采用流速儀法涉水測流。測驗系統(tǒng)通過分析法計算流速儀采集的數(shù)據(jù)，計算內(nèi)容主要包括測點流速、垂線平均流速、部分平均流速、部分流量、斷面流量等；當(dāng)水位位于996.33～997.21 m時屬于中高水位區(qū)間，此時水面流速波動較為平穩(wěn)，適合采用雷達波流速儀進行測算；當(dāng)水位高于997.21 m時屬于高水位，此時水面波動較為明顯，受測驗條件與河流特性的制約，采用浮標(biāo)法進行流量測驗。測驗系統(tǒng)采用內(nèi)插法對水邊加以確定，分析過水?dāng)嗝婷娣e，根據(jù)實測水面流速計算斷面流量[6]；當(dāng)汛后進行定點洪水調(diào)查時，測驗系統(tǒng)可通過實測河段的水面比降、大斷面等數(shù)據(jù)，采用曼寧公式來推算歷史最大流量。本小結(jié)主要以流速儀法流量計算為例，簡要闡述測驗系統(tǒng)在流量分析計算中的應(yīng)用。

3.3.1流速儀法計算

流速儀法流量計算模塊能夠處理測深垂線單點法與多點法，并支持任意的測速垂線布設(shè)，可通過大斷面與水位自動提取過水?dāng)嗝娣秶?。支持逆流、停滯、分流等特殊水情，適用范圍廣，計算后可得《暢流期流速儀法實測流量記載表》[7]。由于靈臺水文站斷面控制較好，在測算中可以借用大斷面來布設(shè)測流斷面，先將測站大斷面資料填寫至“斷面數(shù)據(jù)”，返回“流速儀法”進行操作。

1) 單擊“斷面數(shù)據(jù)”選擇所需要借用的斷面名稱(見圖5)。

圖5 測驗系統(tǒng)“流速儀法”模塊計算選項

2) 選擇“垂線測次”，下拉可選“一點法”、“二點法”與“精測法”。“垂線測次”指斷面自動布設(shè)時垂線的測點數(shù)，具體規(guī)則見圖6。

圖6 測驗系統(tǒng)“垂線測次”參數(shù)設(shè)置選項

3) 填寫“開始水位”與“結(jié)束水位”，其為斷面布設(shè)的截止高程，也就是水面所對應(yīng)的水位?！伴_始水位”必須符合所選擇斷面的特性，不得大于所選擇斷面的“最高”高程或小于“最低”高程，否則系統(tǒng)將不予布設(shè)斷面。

4) 以上數(shù)據(jù)填寫完成后單擊“布設(shè)”，右側(cè)計算表格中將會顯示提取的斷面數(shù)據(jù)以供使用，將會自動生成“號數(shù)”、“起點距”、“測流水位”、“河底高程”、“水深”、“相對”、“測點深”(見圖7)。手工將實測“N”、“T”或“測點流速”填寫進行后續(xù)流量計算與成果表打印輸出。

圖7 測驗系統(tǒng)“斷面布設(shè)”成果輸出界面

3.4 水位流量曲線分析

水位流量關(guān)系曲線分析適用于河道水情報汛中臨時曲線的率定，借用實時測驗的流量數(shù)據(jù)可快速率定關(guān)系曲線，在特殊情況下測站無法開展流量測驗或時間緊迫時可根據(jù)已有的實測數(shù)據(jù)建立水位流量相關(guān)關(guān)系，通過水位流量關(guān)系示意推求瞬時流量，滿足汛期水情隨測隨報的要求[8]。介于水情報汛對及時性的要求，在水位流量關(guān)系曲線率定時，其原始數(shù)據(jù)只需錄入實測水位與流量值，測驗系統(tǒng)通過三項式回歸方程對各數(shù)值進行擬合，并動態(tài)繪制成光滑的曲線[9]。此時即可通過關(guān)系曲線圖直觀的查閱不同水位下的流量數(shù)值，支持高水延長(見圖8)。

圖8 靈臺水文站水位流量關(guān)系曲線示意

4 應(yīng)用成果

參與完成靈臺站年度SEBA PULS型雷達水位計水位資料整編；完成靈臺站及附屬雨量站(坷臺、百里、楊新莊、杜家川、李家灣)JH-2型雨量計降水量資料整編；參與完成年度流量測驗與整編任務(wù)，共測得流量成果78份；其中流速儀法流量成果43份，浮標(biāo)法流量成果35份；參與完成年度定點洪水調(diào)查任務(wù)，共測得澗河、蒲河、南河洪水調(diào)查成果3份；參與完成年度報汛任務(wù)，尤其是在應(yīng)對“8.17”特大暴雨洪水中該系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，達到了水情報汛期的及時性與精確度雙層要求。

5 結(jié)語

靈臺水文站于2020年度使用《甘肅省水文測驗系統(tǒng)》，參與測站日常測驗與水文資料在站整編工作，在降水量、水位、流量、報汛等測驗項目中成效顯著，較好的完成了年度測驗任務(wù)。測驗系統(tǒng)操作簡單、界面友好、功能完善，滿足基層水文工作需求，實現(xiàn)了水文資料在站整編的數(shù)字化與自動化，提高了在站整編工作效率和質(zhì)量。各項計算結(jié)果符合水文行業(yè)“四舍六入，逢五奇進偶舍”的運算規(guī)則[10]，符合《水文年鑒匯編刊印規(guī)范》(SL 460-2009)規(guī)定要求，可在甘肅省部分水文站及省外相關(guān)單位推廣使用。