黃土高原典型小流域水文觀測資料自動化整編系統(tǒng)研發(fā)

張琳玲，張滿良，陳 璐,劉 曉，徐 峰

(1.黃河水利委員會 天水水土保持科學試驗站，甘肅 天水 741000；2.蘭州大學 資源環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730000)

黃土高原典型小流域水文觀測資料自動化整編系統(tǒng)研發(fā)

張琳玲1，張滿良1，陳 璐2,劉 曉1，徐 峰1

(1.黃河水利委員會 天水水土保持科學試驗站，甘肅 天水 741000；2.蘭州大學 資源環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730000)

典型小流域；水文觀測；自動化整編；系統(tǒng)研發(fā)；黃土高原

以黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)典型小流域羅玉溝、呂二溝、橋子東溝和橋子西溝降雨、徑流和泥沙資料為處理對象，運用C#語言、SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù)，開發(fā)建立了以數(shù)據(jù)采集、模型服務(wù)和數(shù)據(jù)發(fā)布三個邏輯層為總體框架，包含數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)整編、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理五大功能模塊的針對Windows用戶的降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù)處理平臺，實現(xiàn)了小流域降雨、徑流、泥沙數(shù)據(jù)的輸入、整編、查詢、輸出等功能。同時，該系統(tǒng)也是一種資料管理、信息查詢和成果存貯應(yīng)用的工具，系統(tǒng)的建成可為黃土高原典型小流域水文觀測數(shù)據(jù)處理與管理的自動化、科學化提供技術(shù)支撐。

1 研發(fā)背景

長期以來，黃土高原典型小流域降雨、徑流、泥沙觀測資料的錄入、處理一直采用20世紀80年代研制的基于DOS環(huán)境下采用Fortran語言開發(fā)的微機整編降水資料程序和Basic語言及FOXBASE數(shù)據(jù)庫編制的徑流泥沙資料整編系統(tǒng)程序，存在與現(xiàn)有計算機系統(tǒng)不相兼容、人機交互不友好、操作不便、人工輸入誤差大等一系列問題。另外，對于小流域水土流失觀測資料的存儲大多采用簡單的磁盤文件和紙質(zhì)方式保存，不但不能保障數(shù)據(jù)的安全性和共享性，而且很難實現(xiàn)快速查詢和進一步的統(tǒng)計分析、管理，從而限制了數(shù)據(jù)的充分利用[1]。基于以上原因，急需建立針對Windows用戶的數(shù)據(jù)處理、查詢、管理和共享操作平臺，以從根本上解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在的自動化程度較低、兼容性不夠、管理不便等諸多問題，進而實現(xiàn)小流域觀測數(shù)據(jù)整編、存儲、查詢的自動化和信息化，以提高長期試驗觀測數(shù)據(jù)的研究效率和研究價值[2]。

2 研發(fā)內(nèi)容

以建立Windows界面下的小流域降雨、徑流、泥沙數(shù)據(jù)整編與成果資料存貯管理系統(tǒng)為出發(fā)點，以黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)典型小流域羅玉溝、呂二溝、橋子東溝和橋子西溝為實例，以流域內(nèi)24個雨量站的降雨資料和4個把口站的徑流、泥沙資料為處理對象，研制開發(fā)針對Windows用戶的降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù)的輸入、存貯、處理、查詢、輸出平臺，以實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的計算機處理、集中存貯管理、信息自動化查詢等功能。研究內(nèi)容主要包括以下兩個方面：

(1)小流域降雨、徑流、泥沙觀測資料的自動化整編系統(tǒng)研發(fā)。通過人工、自動化相結(jié)合的手段對小流域觀測資料進行錄入，建立Windows界面下的操作、計算、運行系統(tǒng)，按照水文整編成果要求，計算出降雨、徑流、泥沙特征值(摘錄，日、月、年統(tǒng)計和極值等參數(shù))，實現(xiàn)小流域觀測數(shù)據(jù)及整編成果的信息化。

(2)水文標準數(shù)據(jù)集中存貯系統(tǒng)研發(fā)。采用SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立羅玉溝、呂二溝、橋子東溝和橋子西溝四條典型小流域降雨、徑流、泥沙原始資料和特征值等多類指標的數(shù)據(jù)集中存貯系統(tǒng)，使其具備系統(tǒng)內(nèi)安全設(shè)置、快速檢索查詢、統(tǒng)計報表生成和科學管理、長期保存等功能。

3 研發(fā)技術(shù)路線

本系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)路線見圖1。

4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用C/S(Client/Server)體系結(jié)構(gòu)，即客戶機與服務(wù)器結(jié)構(gòu)，客戶機通過本機同服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互。該模式適合于用戶數(shù)量不大的可信賴局域網(wǎng)，有利于觀測數(shù)據(jù)的安全管理[3]。本研發(fā)基于SQL Server數(shù)據(jù)庫平臺，構(gòu)建典型小流域水文觀測資料自動化整編系統(tǒng)。SQL Server數(shù)據(jù)庫平臺是一個全面的數(shù)據(jù)庫平臺，使用集成的商業(yè)智能(BI)工具可提供企業(yè)級的數(shù)據(jù)管理。Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫引擎為關(guān)系型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供了更安全可靠的存儲功能，使用戶可以構(gòu)建和管理用于業(yè)務(wù)的高可用性和高性能的數(shù)據(jù)應(yīng)用程序。

圖1 系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)路線

“典型小流域水文觀測資料自動化整編系統(tǒng)”總體框架，從邏輯上主要由數(shù)據(jù)采集層、模型服務(wù)層和數(shù)據(jù)發(fā)布層三方面構(gòu)成(詳見圖2)。其中數(shù)據(jù)采集層是基于該區(qū)域已有的觀測成果，并將觀測信息通過計算機轉(zhuǎn)換為Excel格式；模型服務(wù)層是將采集的觀測信息建立觀測數(shù)據(jù)庫，建立研究水文觀測資料統(tǒng)計模型；信息發(fā)布層是將采集的信息作為參數(shù)輸入水文觀測資料統(tǒng)計模型，生成整編成果以表格形式顯示于系統(tǒng)界面，并可以本地Excel格式存在或輸出。

圖2 系統(tǒng)總體框架邏輯

5 系統(tǒng)開發(fā)工具

針對系統(tǒng)的應(yīng)用要求，開發(fā)模式采用C/S體系結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺軟件采用SQL Server數(shù)據(jù)庫軟件，以SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)管理典型小流域水文(降雨、徑流和泥沙)觀測數(shù)據(jù)；開發(fā)工具為Visual Studio 2010、Photoshop CS5；編程語言為C#，該語言是針對NET平臺的第一語言，可實現(xiàn)一系列組件的無縫高效有機組合[4]。

6 系統(tǒng)運行環(huán)境

(1)硬件環(huán)境。服務(wù)器至少1臺；GPRS網(wǎng)絡(luò)，局域網(wǎng)；雨量觀測站，徑流、泥沙觀測站。

(2)操作系統(tǒng)。XP、Windows server 2008、windows7/8。

(3)辦公軟件。Office 2010。

7 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)綜合了降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù)的多項統(tǒng)計計算，實現(xiàn)了典型小流域水文觀測資料的錄入、查詢和整編等功能，在一定程度上提升了典型小流域水文觀測資料整編、管理的智能化水平，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模型建立、模型效率、功能上還有較大的提升空間。在客戶端，采用C#語言進行服務(wù)功能的可視化開發(fā)，在服務(wù)體系上將其系統(tǒng)功能劃分為數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)整編、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理五大模塊(圖3)。

圖3 系統(tǒng)功能模塊構(gòu)成

(1)數(shù)據(jù)錄入模塊。系統(tǒng)提供文本文件自動導(dǎo)入和人工輸入兩種數(shù)據(jù)入庫方式。對于原DOS系統(tǒng)下的文本文件采用批量或逐個自動化導(dǎo)入方式導(dǎo)入現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫；對現(xiàn)有觀測原始數(shù)據(jù)提供菜單輸入或Excel格式手工輸入。

(2)數(shù)據(jù)查詢模塊。在本模塊中，將實現(xiàn)對所有成果表數(shù)據(jù)的查詢、管理等操作功能，并提供表格界面顯示和本地Excel格式輸出。

(3)數(shù)據(jù)整編模塊。通過計算機數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù)，建立典型小流域水文觀測資料統(tǒng)計模型，對輸入的原始觀測數(shù)據(jù)進行加工處理，使其生成符合規(guī)范要求的成果表，其中降水量成果表主要有降水量逐日表、降水量摘錄表、各時段最大降水量表1、表2；徑流泥沙成果表主要包括實測流量成果表、懸移質(zhì)含沙量計算表、洪水水文要素摘錄表、逐次洪水測驗成果表、逐日平均流量表、逐日平均含沙量表、逐日平均輸沙率表。

(4)數(shù)據(jù)管理模塊。對觀測流域站點基本信息和降雨、徑流、泥沙觀測數(shù)據(jù)進行管理。

(5)系統(tǒng)管理模塊。具有對本系統(tǒng)進行用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)庫連接和系統(tǒng)升級擴展等管理功能。

該系統(tǒng)的建成，可實現(xiàn)典型小流域降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù)的人工、自動化對接輸入，實現(xiàn)降雨、徑流、泥沙資料整編和管理的信息化；建立的標準成果數(shù)據(jù)存貯系統(tǒng)，便于觀測數(shù)據(jù)的錄入、處理、輸出和查詢，使觀測資料、成果管理和處理更加規(guī)范、系統(tǒng)、安全和方便，有利于數(shù)據(jù)的永久保存；同時系統(tǒng)能生成各種符合水文規(guī)范的統(tǒng)計報表，便于印刷出版水文年鑒等相關(guān)資料。

8 研究結(jié)果

(1)系統(tǒng)建立了Windows界面下的降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù)處理平臺，解決了原有系統(tǒng)存在的自動化程度較低、兼容性不夠、人機交互不友好、管理不便等諸多問題，實現(xiàn)了小流域觀測數(shù)據(jù)整編、存儲、查詢的自動化和信息化。

(2)該系統(tǒng)不僅能提供一種針對小流域水土流失觀測數(shù)據(jù)的處理平臺，而且也是一種資料管理、信息查詢和成果存貯應(yīng)用的工具，系統(tǒng)所建立的數(shù)據(jù)庫可對水文觀測資料進行安全保存，對于快速、準確、充分地利用水土流失觀測資料具有十分重要的意義。

(3)系統(tǒng)可將原有文本格式的原始數(shù)據(jù)文件通過批量或逐個自動導(dǎo)入到現(xiàn)有的SQL Server數(shù)據(jù)庫，解決了人工重復(fù)輸入極易出現(xiàn)誤差的問題。

9 應(yīng)用前景

系統(tǒng)建成并調(diào)試優(yōu)化穩(wěn)定后可在天水、西峰、綏德三站的小流域水土流失觀測資料的整編和管理中進行推廣應(yīng)用，能在一定程度上提高黃土高原典型小流域水文觀測資料錄入、整編效率，同時可對觀測資料進行數(shù)據(jù)庫存儲，便于數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)檢索查詢與數(shù)據(jù)利用，能進一步提高觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值，實現(xiàn)小流域觀測數(shù)據(jù)整編、存儲、查詢的自動化、信息化，并為今后小流域水土流失觀測數(shù)據(jù)的共享、公布等提供一定的基礎(chǔ)條件。

10 建 議

(1)本系統(tǒng)僅具備典型小流域水文觀測資料輸入、整編、查詢、管理等基本功能，建議結(jié)合黃土高原典型小流域水土流失觀測工作實際，對該系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化、完善，使其窗口更友好，操作更簡捷，功能更強大。

(2)建議該系統(tǒng)預(yù)留功能擴展余地及相關(guān)接口[4]，以滿足水文自動化觀測儀器的更新?lián)Q代和系統(tǒng)升級、集成的需要，同時可擴充小流域基本信息、資料分析研究等方面的功能。

(3)建議單列系統(tǒng)日常維護、管理等方面的專項經(jīng)費，保證系統(tǒng)的正常運行，便于觀測數(shù)據(jù)的及時入庫和快捷有效查詢，使觀測成果的應(yīng)用能夠更加廣泛便利。

[1] 馬宏斌,馬衛(wèi)星,王娜,等.水土保持原型觀測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)與運用[J].人民黃河,2011(1):95-96.

[2] 王瑞芬,張賢瑞,方天縱,等.水蝕定點監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研究[G]//中國水土保持學會第三次全國會員代表大會.發(fā)展水土保持科技 實現(xiàn)人與自然和諧學術(shù)論文集(1985—2005).北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社，2006:188-195.

[3] 程瑞芳.河南省水土保持三維可視化管理信息系統(tǒng)的研發(fā)[J].中國水土保持,2015(3)：40-43.

[4] 李文鳳,楊勤科,李靜,等.基于組件式GIS的黃河流域水土保持信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].西北農(nóng)林科技大學學報:自然科學版,2008,36(3):90-96.

(責任編輯 張培虎)

黃河水利科學研究院基本科研業(yè)務(wù)費專項項目(HKY-JBYW-2013-25)

S157

A

1000-0941(2015)09-0066-03

張琳玲(1974—)，女，甘肅天水市人，高級工程師，碩士，主要從事水土保持科學管理、水土流失原型觀測和水土保持規(guī)劃設(shè)計工作。

2015-04-25