自記水位條件下河道徑流演進分析技術(shù)及應用

王育杰 劉合永 羅勐 孟先新 婁書建

摘要：依靠現(xiàn)代信息技術(shù)對我國現(xiàn)階段河道遙測水位設(shè)施設(shè)備進行了高效繼承，對遙測系統(tǒng)與徑流演進預報應用進行了深度融合。實踐表明：不同地域、不同網(wǎng)絡環(huán)境、不同終端、不同瀏覽器用戶能夠全天候?qū)崟r監(jiān)測河道水位、流量變化及徑流演進傳播等，實現(xiàn)了高度的自動化與實時性，并且具備自動跟進校正特點，運行可靠穩(wěn)定，實用性強。

關(guān)鍵詞：徑流演進；自動校正；遙測水位；河道

中圖分類號：P333；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.004

1 概述

當前國內(nèi)外依據(jù)水文測站自記水位計開展河道水流傳播演進分析及預測的應用研究尚屬空白。一些受斷面沖淤、洪水漲落及變動回水影響的測站，因水位一流量關(guān)系點沿時序的連線常為分布散亂的非單值化曲線或繩套曲線，故給水文測報、資料整編及自動化應用帶來很大困擾。多年來，我國少數(shù)水文部門在一些水位一流量關(guān)系（包括繩套關(guān)系）良好的測站以落差指數(shù)法等方法進行單值化處理，以遙測水位推求瞬時流量，但這種方法的自動化程度十分有限。同時，分時期、分時段進行的人工修線及后續(xù)應用存在著嚴重的繁瑣性、滯后性與低效性，不但缺乏即時跟進的自動校正技術(shù)和傳播演進自動分析與預測技術(shù)，而且不能實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)條件下移動終端用戶的自由應用。

本研究的主要目的是實現(xiàn)由實時遙測水位合理地推求相應的瞬時流量，由相應的瞬時流量自動推求傳播至下一水文測站所需的平均耗時，由平均耗時推求到達下一水文測站的相應時刻；當用戶鼠標指針指向遙測水位過程線上的節(jié)點時，能夠即時顯示當前節(jié)點的綜合信息，同時能夠依據(jù)測站報汛信息及時進行自動校正或人工強制干預校正。

在研發(fā)過程中，筆者發(fā)明了一種低功耗太陽能電池充電控制裝置及一種可無線喚醒的遙測水位計LED發(fā)布裝置，研發(fā)了一種兼容多類水位傳感設(shè)備的格雷碼輸出協(xié)議轉(zhuǎn)換器及一種通用極低功耗水文傳感器無線透傳適配器。依靠現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)、數(shù)據(jù)庫應用技術(shù)及計算機編程技術(shù)等解決了一系列難題，實現(xiàn)了應用高度自動化、智能化和實時化，在不同網(wǎng)絡環(huán)境、不同終端及不同瀏覽器條件下，用戶可全天候監(jiān)測河道徑流的演進傳播過程并進行動態(tài)預測，顯著地提升了應用的技術(shù)水平。

2 實時遙測信息同步傳輸與寫庫

在一般水文測站，通過應用低功耗太陽能電池充電控制裝置、多類遙測水位傳感設(shè)備輸出轉(zhuǎn)換器及無線透傳適配器等設(shè)備，結(jié)合無線網(wǎng)絡傳輸?shù)燃夹g(shù)，可以實現(xiàn)測站遙測水位的異地轉(zhuǎn)發(fā)、上傳和數(shù)據(jù)庫寫庫任務。

要將測站實時遙測水位同步轉(zhuǎn)發(fā)、無線上傳和寫入指定數(shù)據(jù)庫，不僅需要在不同類型的遙測水位接收處理機中接人轉(zhuǎn)換器，而且需要增加工業(yè)級GPRS模塊及SIM卡，同時還需要開發(fā)遙測水位接收處理軟件，這樣才能實現(xiàn)異地上傳及數(shù)據(jù)庫寫庫任務。

由于GPRS網(wǎng)絡本身是一個分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet互通，并且具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸快、通信質(zhì)量高、永遠在線和按流量計費等優(yōu)點，因此在實時監(jiān)測、無線上網(wǎng)、移動辦公等領(lǐng)域具有無可比擬的性價比優(yōu)勢。應用此技術(shù)即可充分利用和繼承基層水文測站現(xiàn)有遙測水位設(shè)施與設(shè)備，通過轉(zhuǎn)換器將遙測水位實時信息發(fā)送至工業(yè)級GPRS模塊，模塊內(nèi)置的SIM卡可通過移動基站與移動中心服務器保持連接，建立TCP/IP通道。當GPRS模塊收到水位接收機傳來的遙測水位信息后，便與公網(wǎng)IP地址端口進行封包處理與分組傳送，通過已建立的TCP/IP通道上傳至移動中心服務器內(nèi)GGSN設(shè)備（即GPRS路由器）。該路由器把GPRS模塊傳來的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至Internet網(wǎng)絡，經(jīng)過Internet網(wǎng)絡路由器轉(zhuǎn)發(fā)至外網(wǎng)企業(yè)路由器端口。若該端口已通過網(wǎng)路映射方式指向特定數(shù)據(jù)庫服務器，則GPRS模塊傳來的數(shù)據(jù)包就會自動通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)至指定服務器上，由部署在該服務器上的數(shù)據(jù)接收處理軟件完成數(shù)據(jù)包的解析和寫庫任務。這種傳輸方式不受距離限制，無延時，不丟包，數(shù)據(jù)包進行了加密處理并自定協(xié)議，確保了傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴ＨT峽水庫入庫北干流控制站——禹門口站遙測水位的轉(zhuǎn)發(fā)、上傳與寫庫即為此類方式。

3 推流原理與徑流演進分析方法

3.1 由遙測水位推求實時流量

為實現(xiàn)由水文測站實時遙測水位合理推求相應瞬時流量，首先需要建立測驗斷面遙測水位一流量關(guān)系基本曲線。這些基本曲線主要包括5類：斷面普遍沖刷型、斷面普遍淤積型、斷面不沖不淤型、斷面上沖下淤型和斷面上淤下沖型。前3類曲線較常見，可視為近似同型曲線，多數(shù)情況下可以通過沿坐標軸方向上下與左右平移進行轉(zhuǎn)換或近似表達，為后期的即時動態(tài)校正提供了可能。后2類曲線一般需根據(jù)測站遙測水位一流量關(guān)系進行特型定線，定型后也可加入動態(tài)校正功能以取得近似應用。應用中依據(jù)上述5類基本曲線，可參考測站最新報汛（推流或測流）信息及時進行自動校正，由遙測水位快速推求相對準確的瞬時流量，顯著減少人工分析等繁瑣環(huán)節(jié)與流程，大幅降低工作量，充分體現(xiàn)快速性與靈活性。

3.2 由實時流量推求傳播耗時

由測站實時遙測水位快速推得相應瞬時流量，為快速推求此瞬時流量的水流傳播演進至下一站所需耗時提供了可能。當然，這種推求是基于區(qū)間來水較小及水流傳播演進過程近似無坦化變形為前提的。根據(jù)近幾年黃河北干流及渭河下游主要控制站斷面實測流量與平均流速之間的關(guān)系，結(jié)合站間河段長度、平均縱比降、沿程斷面形態(tài)特點及站間傳播演進峰谷擬合分析技術(shù)，可以率定和建立起流量一平均傳播耗時之間的函數(shù)關(guān)系表達式。依據(jù)此表達式及ASP.net編程技術(shù)，可以由上一站實時流量快速推求傳播至下一站的耗時，并即時呈現(xiàn)于用戶窗口內(nèi)。

3.3 由傳播耗時推求到達下站時刻

根據(jù)測站間不同流量一平均傳播耗時的關(guān)系求得傳播耗時后，將上一站遙測水位過程線上節(jié)點時刻與之相加，即可求得水流傳播演進至下一站的相應時刻。

3.4 在遙測水位過程線上即時顯示綜合信息

利用微軟ASP.net編程技術(shù)研發(fā)Web服務器應用程序的過程中，通過逐項推導與分析計算，可以快速求得用戶鼠標指針指示節(jié)點處綜合信息并顯示在遙測水位過程線圖形中。顯示內(nèi)容包括當前時刻、相應遙測水位、推求與校正后的瞬時流量、傳播至下一測站的耗時、到達下一測站的相應時刻，為掌握河道徑流演進信息和開展實時徑流預報提供了極大的便利。

4 自動校正前提及依據(jù)

4.1 自動校正前提

在實際工作中，由實時遙測水位推求相應瞬時流量時，要依據(jù)符合當前實際情況的遙測水位一流量關(guān)系曲線來推流，而這一關(guān)系曲線往往要依靠測站相關(guān)人員及時跟進的修線工作來取得。受繁瑣環(huán)節(jié)與復雜因素的共同制約，異地很難快速取得測站最新修線信息，特別是電子化信息。因此，要實現(xiàn)計算機自動校正或人工輔助干預校正這一最高效的工作方式，就必須充分利用測站最新率定或定型的5類曲線關(guān)系式及實際報汛中所隱含的最新修線信息，這是實現(xiàn)自動校正的基本前提。

4.2 依據(jù)報汛信息自動校正

一般情況下，承擔報汛任務的水文測站在不同時段和報汛段次各不相同，但是每日8時必定報汛，據(jù)此，由實時遙測水位進行推流的自動校正工作，每日最少可以更新一次。當然，隨著測站報汛頻次的增加，或測站應用流速儀等設(shè)備對斷面流量進行實測，每天利用測站推流、測流信息進行自動校正的機會也會增加。

4.3 人工干預校正

當測站測驗斷面的遙測水位一流量關(guān)系曲線與“普遍沖刷、普遍淤積、不沖不淤、上沖下淤、上淤下沖”5種類型中任何一種不符時，可以考慮建立特殊的水位一流量關(guān)系進行人工強制干預校正，以提高推流成果的精度，滿足流量過程預報需求。

5 Web服務程序研發(fā)及應用

5.1 ASP.net平臺技術(shù)

應用程序研發(fā)采用B/S架構(gòu)，基于微軟ASP.net 4.0平臺，保證研發(fā)成果的通用性和可擴展性，理論上可以使用任何編程語言如C++、VB、JS等。最適合的編程語言是微軟為.Net Framework專門推出的C#。它是面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，具有面向?qū)ο缶幊陶Z言的一切特性，如封裝性、繼承性、多態(tài)性等，能很好地克服傳統(tǒng)ASP使用腳本語言編程的缺點與弱點。

5.2 Web組件技術(shù)

該應用系統(tǒng)研發(fā)過程中，圖與表的顯示使用了新版Web組件技術(shù)，不但無需下載和安裝任何瀏覽器插件即可實現(xiàn)類似C/S架構(gòu)的界面風格及操作習慣，根除了以往B/S架構(gòu)難以滿足用戶高品質(zhì)體驗的需求等諸多缺陷，而且還能使可擴展的UI數(shù)據(jù)層與第三方開發(fā)框架快速整合，充分保證Web界面的擴展性與靈活性。對于使用頻率較高的功能模塊，如圖表顯示、站點選擇等廣泛使用了這一技術(shù)，簡化了網(wǎng)站結(jié)構(gòu)、提升了用戶訪問速度，還為未來網(wǎng)站的修改與擴展提供了充足的空間。

5.3 兼容性插件與移動終端支持

在遠離日常辦公環(huán)境條件下，用戶可用的網(wǎng)絡環(huán)境多為廣域網(wǎng)或移動通信網(wǎng)，用戶終端為各類PC（如臺式電腦、筆記本電腦等）或移動設(shè)備（如Wad、智能手機等），用戶瀏覽器也千差萬別（如IE、Firefox、Chrome、Safari等）。這些復雜條件對Web服務程序研發(fā)提出了更高要求，即必須兼適不同網(wǎng)絡環(huán)境、不同終端及不同瀏覽器的自由應用。為此，不僅要考慮各類PC及移動設(shè)備操作系統(tǒng)的支持性，而且要選擇上述瀏覽器均能兼容的插件。該應用系統(tǒng)在Apple系列等移動設(shè)備及瀏覽器上取得了滿意效果，其服務器部署在局域網(wǎng)內(nèi)，在廣域網(wǎng)或移動通訊網(wǎng)環(huán)境下，用戶可以借助VPN網(wǎng)絡隧道或端口映射實現(xiàn)與服務器的連接，保障了安全訪問與自由應用。

5.4 功能模塊及應用

以C#語言為主開發(fā)的功能模塊，為瀏覽器用戶提供了瀏覽、查詢及推演分析等實用功能。五大功能模塊為遙測水位過程（Z-t）線/表、實時流量過程（Q-t）線/表Z-t線節(jié)點處綜合信息即時顯示。這些模塊采用Chart圖標插件及快速靜態(tài)化響應技術(shù)，實現(xiàn)了動態(tài)數(shù)據(jù)的靜態(tài)圖表高效推送。

對于Z-t線，Web服務程序直接從實時數(shù)據(jù)庫訪問YC RIVER R表，即時讀取最近一周遙測水位信息，以折線圖形式顯示，橫軸為時間t，縱軸為水位Z。當鼠標指針置于Z-t線某一節(jié)點時，可即時顯示相應時刻及水位值。為使Z一線圖形總以最佳比例呈現(xiàn)，筆者設(shè)計了一個高精算法來確定圖形縱坐標刻度上下限。首先應用程序自動搜索和計算該時段內(nèi)遙測水位最大值與最小值之間的差值，以最大值加上差值的1/2作為臨時上限，以最小值減去差值的1/2作為臨時下限。同時，為實現(xiàn)縱坐標5等分主刻度值精確到0.1m，系統(tǒng)會自動將臨時上下限循環(huán)遞增一個固定值，直至圖形顯示及縱坐標主刻度值完全滿足精度要求為止。這一自分析判斷技術(shù)及功能使圖形自適應功能得到了最大程度的發(fā)揮，使得縱坐標的取值及圖形顯示比例總處于最佳狀態(tài)。

對Z-t線節(jié)點綜合信息的即時顯示，系統(tǒng)默認以平均線進行推流計算（此設(shè)置可以變更），以測站最近一次測流或推流信息進行自動校正，以站間不同流量一平均傳播耗時關(guān)系推演水流到達下站的相應時刻，能快速顯示節(jié)點的相應時刻、遙測水位、推求流量、傳播耗時、到達下站時刻等信息。它對用戶掌握各站水位漲落宏觀過程及河道徑流演進傳播到達時刻等具有重要意義，同時也為自判式變因子動模型河道流量自動預報技術(shù)應用研究提供了重要補充與佐證。

6 結(jié)論

通過將實時遙測水位信息采集傳輸系統(tǒng)與徑流演進預報深度融合，解決了自記水位條件下河道徑流演進預測的應用難題，并使系統(tǒng)具有了分析對比及自動校正功能，實現(xiàn)了高度自動化與實時性，在不同網(wǎng)絡環(huán)境、不同終端及不同瀏覽器條件下，用戶可全天候?qū)崟r監(jiān)測河道徑流演進傳播過程并進行動態(tài)預測，顯著提升了水文監(jiān)測應用技術(shù)水平。

從現(xiàn)代通信與計算機網(wǎng)絡技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展趨勢看，該應用對測站現(xiàn)有遙測設(shè)施、設(shè)備及應用技術(shù)等做到了高效繼承，運行可靠穩(wěn)定，實用性強，維護管理成本低廉，升級換代簡單易行，客戶端實現(xiàn)了真正的“零維護”。