基于云平臺的水文監(jiān)測數(shù)字化方法及應用

李崇勇，廖葉穎，李仕豪

(廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516003)

1 概述

水文是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎性公益事業(yè)，為防汛減災、涉水工程建設、水資源開發(fā)利用、管理和水生態(tài)文明建設等提供基礎數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。水文監(jiān)測是基礎性的水文工作。新時期經(jīng)濟社會和水利發(fā)展對水文提出了新的更高要求，水文監(jiān)測站點數(shù)量成倍增多，水文涉及服務社會的領域越來越廣，水文監(jiān)測與服務能力亟待進一步提升。同時，傳統(tǒng)水文監(jiān)測工作模式的弊端日益凸顯，如還存在手工紙質(zhì)記載、人工計算及成果手工錄入上機等，出錯率高，成果時效性低，監(jiān)測業(yè)務融合度低，內(nèi)部管理難度大。

本文針對水文各類監(jiān)測要素，對監(jiān)測任務、設施設備、四隨流程、質(zhì)控措施、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)共享等，基于云平臺進行梳理和設計，對多源異構數(shù)據(jù)進行標準化系統(tǒng)整合、自動同步，將傳統(tǒng)水文監(jiān)測方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒉杉治鲞\用等整體數(shù)字化的實施過程，實現(xiàn)水文監(jiān)測數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為數(shù)字孿生水文建設奠定堅實基礎[1-9]。

2 云平臺功能設計和特色

2.1 平臺組成

云平臺即水文監(jiān)測綜合管理平臺，是惠州水文分局試點“互聯(lián)網(wǎng)+水文監(jiān)測”的研究成果，包含3個部分，PC網(wǎng)頁端、APP移動端(iOS客戶端、Android客戶端)和數(shù)據(jù)服務；架構有數(shù)據(jù)層、業(yè)務層、通訊層、解析層和應用層(見圖1)。云平臺采用B/S+APP結(jié)構開發(fā)，PC網(wǎng)頁端支持業(yè)務查詢、成果報表下載及系統(tǒng)管理，APP移動端支持測驗原始數(shù)據(jù)的收集與初步成果展示，數(shù)據(jù)服務提供測驗原始數(shù)據(jù)的計算與存儲。

2.2 功能特色

云平臺充分利用大數(shù)據(jù)、云計算等技術，打造了水文監(jiān)測業(yè)務流、數(shù)據(jù)流、管理流，做實做細“六個更”，賦能水文監(jiān)測數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1)固化算法更規(guī)范。根據(jù)水文學原理和水文測驗規(guī)范等固化測算算法，對現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)進行實時判斷，異常提醒或報錯，且自動同步計算參數(shù)，自動計算結(jié)果，實現(xiàn)水文監(jiān)測分析計算自動化、規(guī)范化、智能化。

2)集約管理更有序。組織機構、測驗人員、測站、基礎設施及儀器設備、測驗成果等信息納入云平臺“一張網(wǎng)”“一張圖”“一個庫”，實現(xiàn)分散信息集約、有序、動態(tài)管理[10]。

3)按權分配更安全。功能權限靈活配置，匹配不同用戶角色，在可見范圍內(nèi)賦予權限操作，有效保障水文測驗數(shù)據(jù)安全。

4)成果生成更快捷。“四隨”工作實時在線，測驗現(xiàn)場自動計算和輸出結(jié)果，在線分析校審，成果實時上傳云平臺，即時點圖成表，極大提高成果時效性和準確率。目前平臺已覆蓋水位、流量、蒸發(fā)、大斷面、水準點、水尺零點高程、含氯度、泥沙(單沙斷沙)等八大要素。以單站水準測量為例，傳統(tǒng)作業(yè)模式至少需要4人2天以上才能完成該次測驗及成果的日清月結(jié)，應用云平臺，共3人次1天內(nèi)就能完成，效益提高6成以上。

5)數(shù)據(jù)連接更暢通。支持電子水準儀、走航式ADCP等多種電子設備成果導入與解析，打通數(shù)據(jù)從測驗設備到云端的鏈條，實現(xiàn)無縫對接、互聯(lián)互通。如走航式ADCP，目前兼容進口、國產(chǎn)等6種主流品類設備測驗文件的標準化解析和一鍵導入。

6)移動辦公更高效。采用B/S+APP結(jié)構，PC網(wǎng)頁端、APP移動端等多終端支持，滿足移動辦公需求，隨時隨地查看水文測驗數(shù)據(jù)，監(jiān)控測驗任務執(zhí)行情況。測驗動態(tài)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、成果展示等實時自動更新，也確保了水文信息資源充分共享和周到服務。

3 水文監(jiān)測數(shù)字化方法

3.1 測驗準備

1)測站信息

將水文監(jiān)測站點的站名、站碼、經(jīng)緯度、斷面名稱、測驗要素等基本信息在云平臺“測站信息”模塊進行初始化，為水文監(jiān)測工作提供測站信息準備。其中經(jīng)緯度信息可為測驗人員根據(jù)APP移動端(如手機、平板等)定位，自動篩選出最近的水文測站，并準確定位所在測站，為快捷錄入提供便利。

2) 測驗任務

根據(jù)《測站任務書》《測驗任務書》等，對測驗任務進行梳理和量化，并制定測驗計劃，按時自動提醒測驗人員；另外根據(jù)江河水情變化情況，擬定測驗提醒條件，當滿足測驗時機時，自動下達監(jiān)測任務，提醒測驗人員開展應急監(jiān)測工作。

3)人員信息

將測驗人員所在組織機構、人員姓名、聯(lián)系方式(如手機號碼)等在“用戶管理”模塊進行初始化，并根據(jù)人員崗位和測驗工作分工對操作權限進行分配授權，保障測驗各環(huán)節(jié)的可溯性和安全性。

4)設備信息

將走航式ADCP、流速儀、水準儀等儀器設備的基本信息、工況信息、在庫及有效狀態(tài)等在云平臺“儀器設備”模塊進行初始化，保障水文測驗順利進行和成果有效性。如在測驗前預先維護流速儀的轉(zhuǎn)速比和計算公式等信息，測驗現(xiàn)場掃描后可根據(jù)信號數(shù)和測流歷時，實時計算測點流速。

3.2 測驗流程

1)考證測量

考證測量主要包括水準、水尺、大斷面等，如水準測量，采用光學水準儀進行觀測(如圖2所示)，可將觀測數(shù)據(jù)現(xiàn)場即時錄入APP移動端，實時傳輸至云平臺并自動計算，逐站提醒測驗合理性，測驗完成后自動生成測驗成果，自動判斷并提醒測驗人員處理，校審流程完成后，自動生成符合規(guī)范要求的“水準點高程考證表”；采用電子水準儀進行觀測時，可自動讀取測驗文件，自動生成“測驗記載簿”“水準點高程考證表”等。

圖2 水準測量往返測過程(APP移動端)示意

2)水位觀測

通過人工觀讀水尺讀數(shù)，將讀數(shù)錄入APP移動端，云平臺根據(jù)水尺零點高程自動計算對應水尺的水位；也可校核遙測水位，如兩者超過規(guī)范允許誤差范圍，則自動提醒，校審流程完成后，自動生成“校核水位記載簿”。

3) 流量測驗

流量測驗常用方法有流速儀法、浮標法、比降面積法、ADCP航測、非接觸式雷達流速儀測流、視頻測流等，云平臺均有融合對接。目前最為常用的是ADCP航測，云平臺能讀取進口、國產(chǎn)多個品類走航式ADCP測驗文件，經(jīng)自動計算、數(shù)據(jù)同步和成果信息自校正等，解析并自動生成定制的符合規(guī)范的“流量測驗記載表”[11]。

4)蒸發(fā)觀測

測驗人員將觀測到的蒸發(fā)器皿水面高度數(shù)據(jù)在現(xiàn)場即時錄入APP移動端，云平臺自動計算前日蒸發(fā)量、分析統(tǒng)計特征值等，也可校核自動蒸發(fā)設備觀測數(shù)據(jù)。自動生成定制的符合規(guī)范的“蒸發(fā)觀測記載表”。

5)含氯度、泥沙測驗

含氯度、泥沙測驗均為水樣化驗作業(yè)，采樣時可在現(xiàn)場同步采樣時間、水尺水位、起點距等，記錄斷面和垂線位置、水樣標號和體積等信息，在現(xiàn)場(含氯度)或?qū)嶒炇?泥沙)錄入實驗數(shù)據(jù)，自動生成各類記載表、計算表。

3.3 測驗成果

1)結(jié)果校審

如流量測驗，云平臺可自動將流量測點數(shù)據(jù)點繪在該站水位～流量、水位～斷面面積、水位～水面寬、水位～流速等關系曲線圖上，輔助檢查點線偏離情況，可實現(xiàn)測驗成果現(xiàn)場合理性檢查；流速儀測流過程中還可自動生成起點距～水深～流速分布圖，輔助檢查測驗參數(shù)信息合理性；云平臺還支持套匯上下游水文站流量過程線，輔助檢查流量、水量合理性。測驗人員在現(xiàn)場利用輔助檢查功能檢查數(shù)據(jù)無誤后，將測驗結(jié)果一鍵提交校審人員，校審人員進一步檢查、復核測驗成果完整性、合理性。完成“四隨”流程后，測驗成果最終自動入庫、云存儲，為資料整編、預警預報作業(yè)等提供及時、準確的實測數(shù)據(jù)信息(見圖3～圖5及表1)。

表1 垂線間流量測驗計算分析

圖3 流速儀法流量測驗計算成果示意

圖4 流量測驗成果點線偏離情況輔助檢查示意

圖5 水深流速橫向分布示意

2)成果展示

測驗成果數(shù)據(jù)入庫后，測點數(shù)據(jù)會自動點繪在水位～流量關系曲線、水位過程線、流量過程線等曲線圖上，在大斷面圖上展示測時水位、流量信息，在測次頁面上展示各種測驗參數(shù)信息等。

3)數(shù)據(jù)共享

如流量測驗成果，通過實時共享，將參與斷面輸沙率等計算，自動積累流量、泥沙等年度整編基礎數(shù)據(jù)；預報人員或分析評價人員可在云平臺中實時獲取準確的最新的實測數(shù)據(jù)，為滾動預報作業(yè)、應急處置、水資源評價考核等提供及時、準確、重要的參考信息。

4 實例應用

自云平臺在廣東省水文系統(tǒng)內(nèi)部投入使用以來，得到了各水文分局的廣泛好評。截至2023年5月，注冊用戶約400人，各類站點近2 500個，儀器設備3 000余部，法規(guī)文檔資料共享40余條。

測驗人員應用云平臺開展常規(guī)巡測和應急監(jiān)測，利用APP移動端現(xiàn)場監(jiān)測水位、流量、大斷面、流量等多個水文要素，自動計算和輸出結(jié)果，即時點圖成表，現(xiàn)場在線分析校審，成果實時上傳云平臺，極大提高了水文監(jiān)測工作效率和成果的時效性、準確率，為防汛抗旱、水資源管理保護和水生態(tài)文明建設提供了更加科學、及時、準確的實測資料依據(jù)，發(fā)揮了重要作用(見圖6～圖7)。

圖6 水文監(jiān)測站點“一張圖”展示示意

圖7 水文監(jiān)測情況總覽示意

5 結(jié)語

1)水文現(xiàn)代化是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的基礎性、先行性工作。作為水文基礎性工作，水文監(jiān)測業(yè)務數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢在必行。本文提出的基于云平臺的水文監(jiān)測數(shù)字化方法及應用實踐，其推廣應用符合打造現(xiàn)代水文監(jiān)測體系的要求，將進一步提高水文監(jiān)測工作效率、信息化水平和服務能力，有力助推我省水文現(xiàn)代化建設，為實現(xiàn)“三個水文”發(fā)展戰(zhàn)略、助推廣東水文高質(zhì)量發(fā)展奠定堅實基礎，為廣東現(xiàn)代水利、數(shù)字政府和粵港澳大灣區(qū)建設貢獻水文智慧。

2)根據(jù)水文現(xiàn)代化建設最新要求，隨著水文科技發(fā)展、新技術新設備不斷革新，需要進一步完善水文監(jiān)測數(shù)字化方法研究，拓展更多測驗方式的融合對接，打造云平臺測驗方式“匯聚地”和測驗信息“集散地”，持續(xù)推進水文監(jiān)測業(yè)務數(shù)字化轉(zhuǎn)型，不斷助力水文現(xiàn)代化建設和高質(zhì)量發(fā)展[12-15]。