《甘肅省水文測驗系統》在靈臺水文站資料整編中的應用

石 琴，雒 儀

(甘肅省平涼水文水資源勘測局，甘肅 平涼 744000)

1 測驗系統簡介

1.1 水文軟件發展

20世紀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90年代后期，隨著計算機技術的引入，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，隨著水文測驗儀器設備自動化水平的提高，出現基于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]。但隨著水文行業規范的修訂完善、計算機更新換代周期縮短和開發者后期缺乏維護等原因，此軟件已不滿足當前水文規范的要求。依據計算機技術發展，甘肅省水文局采用先進的Java編程語言，研發的《甘肅省水文測驗系統》(簡稱測驗系統)軟件，滿足當前水文測驗整編規范與計算機操作系統，并在一定時間內保持領先水平。本文通過測驗系統在靈臺水文站在站資料計算整編中的應用，分析其對于基層測站的適用性，并介紹使用中的技術要點。

1.2 測驗系統特性

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

2 靈臺水文站簡介

靈臺水文站位于平涼市靈臺縣中臺鎮，地理位置為東經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、區域代表站、中央報汛站、省界斷面站和國家水質監測站。隸屬于甘肅省平涼水文水資源勘測局管理，管轄雨量站5處，水位站3處，定點洪水調查河段1處，水質調查斷面1處，測驗任務包含測站斷面和地形測量、蒸降、水位、流量、泥沙、暴雨洪水調查等項目。

3 測驗系統應用

測驗系統采用純組件UI，精簡平面風格。界面左側為控制區域，右側為計算與顯示區域。左中部為程序各主要項目的選擇按鈕，其中包括“測站信息”、“斷面數據”、“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、設置等。軟件最下方為狀態條，包括軟件版本、提示欄。測驗系統軟件界面見圖1所示。

3.1.1測站信息

測站信息模塊是測驗系統數據庫的基本組成體系，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。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各項計算功能中，主要為測算時間、設備型號等獨立信息，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 自動監測資料分析

靈臺水文站自動監測設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款設備均以5 min為最小單位依次采集數據，單個站點全年可觀測105 120次，人工無法處理。測驗系統可實現自動監測設備資料的精簡摘錄，剔除資料中存在的重復值、特異值、無效值、亂碼等問題，資料滿足與《水文資料整編系統》HDP5.0的對接，從而實現自動監測資料整編[5]。自動監測資料可通過“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，此時程序提示“原始資料加載完成”，最后經“分析”可得到處理完成的數據，再通過《水文資料整編系統》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%區間；最大日量差為0.1～2.5 mm；降水量日數差為0～2 d，主要因素是JH-2型雨量計的最小感應量為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準，通過測驗系統處理后的資料達到整編規范要求。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

測驗系統分別支持對流速儀法、浮標法、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時屬于低水位區間，此時采用流速儀法涉水測流。測驗系統通過分析法計算流速儀采集的數據，計算內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；當水位位于996.33～997.21 m時屬于中高水位區間，此時水面流速波動較為平穩，適合采用雷達波流速儀進行測算；當水位高于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，采用浮標法進行流量測驗。測驗系統采用內插法對水邊加以確定，分析過水斷面面積，根據實測水面流速計算斷面流量[6]；當汛后進行定點洪水調查時，測驗系統可通過實測河段的水面比降、大斷面等數據，采用曼寧公式來推算歷史最大流量。本小結主要以流速儀法流量計算為例，簡要闡述測驗系統在流量分析計算中的應用。

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，可通過大斷面與水位自動提取過水斷面范圍。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測流斷面，先將測站大斷面資料填寫至“斷面數據”，返回“流速儀法”進行操作。

1) 單擊“斷面數據”選擇所需要借用的斷面名稱(見圖5)。

圖5 測驗系統“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”指斷面自動布設時垂線的測點數，具體規則見圖6。

圖6 測驗系統“垂線測次”參數設置選項

3) 填寫“開始水位”與“結束水位”，其為斷面布設的截止高程，也就是水面所對應的水位。“開始水位”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，否則系統將不予布設斷面。

4) 以上數據填寫完成后單擊“布設”，右側計算表格中將會顯示提取的斷面數據以供使用，將會自動生成“號數”、“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”填寫進行后續流量計算與成果表打印輸出。

圖7 測驗系統“斷面布設”成果輸出界面

3.4 水位流量曲線分析

水位流量關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據可快速率定關系曲線，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已有的實測數據建立水位流量相關關系，通過水位流量關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，在水位流量關系曲線率定時，其原始數據只需錄入實測水位與流量值，測驗系統通過三項式回歸方程對各數值進行擬合，并動態繪制成光滑的曲線[9]。此時即可通過關系曲線圖直觀的查閱不同水位下的流量數值，支持高水延長(見圖8)。

圖8 靈臺水文站水位流量關系曲線示意

4 應用成果

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，共測得流量成果78份；其中流速儀法流量成果43份，浮標法流量成果35份；參與完成年度定點洪水調查任務，共測得澗河、蒲河、南河洪水調查成果3份；參與完成年度報汛任務，尤其是在應對“8.17”特大暴雨洪水中該系統發揮了重要作用，達到了水情報汛期的及時性與精確度雙層要求。

5 結語

靈臺水文站于2020年度使用《甘肅省水文測驗系統》，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。測驗系統操作簡單、界面友好、功能完善，滿足基層水文工作需求，實現了水文資料在站整編的數字化與自動化，提高了在站整編工作效率和質量。各項計算結果符合水文行業“四舍六入，逢五奇進偶舍”的運算規則[10]，符合《水文年鑒匯編刊印規范》(SL 460-2009)規定要求，可在甘肅省部分水文站及省外相關單位推廣使用。