姚 建

(遼寧省營口水文局,遼寧 營口 115000)

0 引 言

遼寧省水文監(jiān)測工作始于1902年,經(jīng)過百余年的建設發(fā)展,尤其是2011年以后,國家更加重視水文建設,大量增加基礎設施建設投入,建立國家防汛抗旱指揮體制,通過實施山洪災害防治工程、地下水自動監(jiān)測工程、中小河流水文監(jiān)測和水資源監(jiān)測建設工程,形成了覆蓋主要河流、分布合理、觀測完整的工程。

基本滿足全省防汛抗旱減災、水利工程規(guī)劃建設、水資源管理和水生態(tài)環(huán)境保護需求的水文站網(wǎng)監(jiān)測體系。

目前,遼寧省水文數(shù)據(jù)整編系統(tǒng)主要采用南方水文數(shù)據(jù)整編系統(tǒng)2.0版,所需的相關數(shù)據(jù)和控制信息整編系統(tǒng)主要依靠手工輸入。本年的水文數(shù)據(jù)整編結果在次年1月底提交。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,特別是實行最嚴格的水資源管理制度、河流(湖泊)綜合管理評價、生態(tài)水管理等對水文數(shù)據(jù)的時效性和質量提出了更高的要求,在保證水文數(shù)據(jù)質量的前提下,提高水文數(shù)據(jù)重組的及時性具有重要意義。

針對新形勢下水文站網(wǎng)管理和水文監(jiān)測數(shù)據(jù)分析工作的需求,結合當前水文站網(wǎng)現(xiàn)狀,遼寧省水文局2013年底提出了水文站網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)建設的想法,系統(tǒng)建設于2017年初開始,2019年完成研發(fā)投入試運行,到目前為止,系統(tǒng)運行正常,達到了設計的要求。

1 現(xiàn)狀分析與存在問題

目前,國內對水文站網(wǎng)管理、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)重組的研究主要集中在利用信息手段實現(xiàn)智能化處理的單一功能。例如,對基于WebGIS的水文站網(wǎng)管理系統(tǒng)進行了初步研究。介紹了WebGIS在青島市水文站網(wǎng)可視化管理系統(tǒng)中的應用,分析了系統(tǒng)的組成和功能。云南省開發(fā)設計了在線水文數(shù)據(jù)整編系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的總體框架的功能、特點和優(yōu)勢。以上研究提高了水文資料整編的效率和水文站網(wǎng)管理水平,但是有些功能不適合北方季節(jié)性河流水文特征,需要對這些功能模塊進行重新構建,同時目前國內還沒有一套完整的、系統(tǒng)的水文站網(wǎng)綜合管理系統(tǒng),能實現(xiàn)水文監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析、水文資料整編及站網(wǎng)管理的實時處理分析。

遼河水庫管理服務中心為遼寧省水文產業(yè)管理機構,主管全省水文工作。近年來,響應國家的號召和自身發(fā)展的需要,省級中心逐步開展了信息化建設。目前,全省水位,降水遙測系統(tǒng),水情會商系統(tǒng)、旱情會商系統(tǒng)、水文業(yè)務協(xié)同系統(tǒng)等,還有大批應用系統(tǒng)在規(guī)劃和研發(fā)中。在站網(wǎng)管理和水文監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方面,還沒有實現(xiàn)水文監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、資料整編和站網(wǎng)管理等工作的實時處理和智能化處理,急需提高水文監(jiān)測數(shù)據(jù)智能化處理水平。

1.1 站網(wǎng)管理

隨著水文站網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的不斷完善,水文監(jiān)測站、觀測項目和觀測內容不斷增加,水文站網(wǎng)的基本信息沒有采用計算機管理。隨著遼寧自動測報系統(tǒng)的建設和實施,信息的采集、傳輸方式和信息量發(fā)生了很大的變化。水位、降水、自動測流信息量巨大(按每6min一條記錄,單條記錄可達10萬條以上)。面對上述情況,必須先解決數(shù)據(jù)整編以前的數(shù)據(jù)傳輸、排序、篩選、校對、檢索等信息處理問題,以緩解信息量突然增加帶來的人工數(shù)據(jù)處理困難。流量、泥沙等測驗方式多采用常規(guī)儀器,人工記錄,只能通過人工輸入計算機通過互聯(lián)網(wǎng)將測驗結果實時傳輸?shù)绞≈醒敕掌?。部分站點采用了較為先進的測流設備和測沙設備,可以形成數(shù)字結果,但數(shù)據(jù)傳輸仍需手動上傳。

在全國水文系統(tǒng)中,缺乏集數(shù)據(jù)采集、站網(wǎng)管理和數(shù)據(jù)整理于一體的系統(tǒng)。為了提高水文數(shù)據(jù)整理的效率和質量,提高水文站網(wǎng)的管理水平,全面提升水文現(xiàn)代化和智能化水平,迫切需要對該系統(tǒng)進行研究。

1.2 水文數(shù)據(jù)處理

水文監(jiān)測數(shù)據(jù)存在高度關聯(lián)性和海量性的特征,一項水文監(jiān)測要素的改變可能影響另一項要素的計算成果。當發(fā)現(xiàn)某項水文要素發(fā)生變動,人為分析關聯(lián)表項和關聯(lián)要素,人工進行逐一改算處理,關聯(lián)要素無法實現(xiàn)跨表檢索和自動改算,經(jīng)常有漏改、錯改現(xiàn)象,進而造成資料成果不一致。這種人工修改方式存在效率低、工作量大和易出錯等問題。

1.3 水文資料整編

水文資料整編是一項非常繁雜而精細的工作,從監(jiān)測信息收集到整編成果產生要經(jīng)過很多中間處理環(huán)節(jié),耗費大量的人力資源。為了滿足社會對水文資料的時效性的要求,2018年水利部水文司提出次年1月底提交上年度水文資料整編成果的要求。新形勢下,社會對水文資料的時效性要求越來越高,采用原有的水文監(jiān)測資料處理方法已無法滿足水文監(jiān)測工作要求。

遼寧省水文數(shù)據(jù)整編主要采用由長江委員會統(tǒng)一開發(fā)的2.0版南方水文數(shù)據(jù)整編系統(tǒng)。整編系統(tǒng)所需的相關數(shù)據(jù)和控制信息主要依靠人工輸入。部分功能未考慮北方地區(qū)河流的水文特征,例如冰情要素特征和泥沙特征等,在后期需要人工處理分析。隨著形勢變化,水文資料整編系統(tǒng)也在逐步升級。原長江委統(tǒng)一研發(fā)的《南方片水文資料整編系統(tǒng)》2.0版已由新的《全國水文資料整編系統(tǒng)》(5.0版)代替。新版系統(tǒng)要求采用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),全省一個數(shù)據(jù)庫,通過網(wǎng)絡實現(xiàn)工作站與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)連接。

目前釆用從地市局抽調專家集中進行水文資料審查、人工評定資料質量的方式,這種方式存在審查時間長、任務繁重、耗費大量人力和經(jīng)費開支大等問題。

1.4 水文監(jiān)測數(shù)據(jù)全自動一體化處理

目前國內還沒有一個系統(tǒng),能實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢查、處理分析、計算到成果與全國水文資料整編系統(tǒng)的無縫對接[1-2],來實現(xiàn)水文監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、資料整編和站網(wǎng)管理等工作的實時處理,來提升水文現(xiàn)代化和智能化水平。

2 主要研究內容

2.1 水文監(jiān)測數(shù)據(jù)收集

對遼寧水文站網(wǎng)監(jiān)測體系內的站點基本信息、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)、設施設備信息、運行維護記錄、水文資料整編等各種信息集成在一個平臺上,進行集中管理,便于信息維護和快速檢索。

2.2 水文監(jiān)測數(shù)據(jù)智能處理

通過大數(shù)據(jù)分析等建立水文人工智能專家數(shù)據(jù)庫,采用自動處理為主,人機交互操作為輔的操作方式,對數(shù)據(jù)分揀、篩選及校對等,實現(xiàn)實時水文監(jiān)測信息的快速處理,提高了在站人員處理水文監(jiān)測資料的工作效率。

2.3 水文監(jiān)測數(shù)據(jù)在線審查

系統(tǒng)對電子版水文監(jiān)測原始資料進行了歸檔分類和處理分析,納入到水文監(jiān)測數(shù)據(jù)在線審查平臺,設定不同人員的功能權限,組織專家在線審查,具有靈活機動性和公開透明性,同時提高了水文資料審查的效率。

2.4 站網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)建設

水文站網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)基于Internet的B/S模式,用戶可以通過瀏覽器對水文站網(wǎng)進行操作,該系統(tǒng)采用通用軟件開發(fā)平臺和模塊化設計結構,具有良好的可移植性和可擴展性[3-4]。該系統(tǒng)部署在省中心的應用服務器上,實現(xiàn)了全省水文系統(tǒng)內水文站網(wǎng)的綜合管理。水文測站網(wǎng)的綜合管理系統(tǒng)包括水文測站網(wǎng)管理、水文監(jiān)測管理、設施和設備管理、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)人工智能分析、水文資料網(wǎng)上審查及與全國水文資料整編系統(tǒng)無縫對接等功能。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)智能化處理技術

3.1 實體數(shù)據(jù)庫

3.1.1 Oracle數(shù)據(jù)庫

考慮到水文站網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)信息量大,處理速度要求快速,并考慮未來更多的并行處理要求以及權限分級要求,系統(tǒng)采用Oracle作為主要數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。Oracle引入了共享SQL和多先導服務器架構,以減少Oracle的資源占用并增強Oracle的能力[5-6]。它提供了基于角色分工的安全保密管理,在數(shù)據(jù)庫管理功能、完整性檢查、安全性和一致性方面具有良好的性能。它支持大量多媒體數(shù)據(jù),如二進制圖形、聲音、視頻和多維數(shù)據(jù)結構。它提供了一種新的分布式數(shù)據(jù)庫的功能,可以很容易地讀取和寫入數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡在遠程數(shù)據(jù)庫,并對稱復制技術。水文站網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)的信息存儲采用Oracle數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。管理的數(shù)據(jù)庫有基本信息數(shù)據(jù)庫、基礎水文數(shù)據(jù)庫、原始水文資料庫及實時監(jiān)測信息庫?；拘畔?shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)信息維護的主要數(shù)據(jù)庫,也是本次進行表結構設計的重點庫,對其它3個庫的操作主要是資料檢索。

3.1.2 基本信息數(shù)據(jù)庫

基本信息數(shù)據(jù)庫存儲水文站網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)要維護的各種基礎信息,本次定義的表名如下:

1)站網(wǎng)管理類:包括水文水位站、降水蒸發(fā)站、變遷前水文(位)站、變遷前降水蒸發(fā)站、規(guī)劃水文(位)站以及規(guī)劃降水蒸發(fā)站一覽表。

2)監(jiān)測管理類:包括巡測區(qū)主要項目監(jiān)測方式表、單站測驗任務表、斷面布設情況表、洪水等級劃分表、水流沙監(jiān)測方案表、報汛方案表、降水蒸發(fā)場地布置情況表、測站高洪應急預案、突發(fā)水事應急預案。

3)設施設備管理類:包括站房情況、氣象場情況、觀測碼頭情況、基本水尺情況、自記井基本情況、測流纜道基本情況、水電通信情況、基礎設施維護記錄、斷面標志及基線、設備信息登記、設備軟件及圖片類、應急監(jiān)測設備配置情況、巡測設備配置情況、水文站設備配置情況、降蒸站設備配置情況。

4)基礎資料管理類:包括測站沿革、測站水準點沿革表、河段情況、實測基本水尺斷面、高洪水位流量關系、水位面積關系、水位特征值、流量特征值、流速特征值、含沙量特征值、降水特征值、常用系數(shù)、典型洪水簡述、典型洪水過程。

5)文件及資料管理類:包括文件、資料、測站圖片類、測站資料。

6)報表生成系統(tǒng)類:包括固定檢索表存儲。

7)水文資料檢索類:包括測站資料逐年登記表、檢索申請單、檢索資料清單。

8)水文資料整編管理類:包括質量評定權重分配表、水文(位)站及降水蒸發(fā)站成果一覽表、分類錯誤及扣分準則重大問題處理記錄、審查會議通知表、審查專家任務分配表、審查錯誤登記表、單站質量評定表、紙質資料入庫登記表。

3.1.3 基礎水文數(shù)據(jù)庫

本系統(tǒng)只對該數(shù)據(jù)庫訪問,提供對基礎水文數(shù)據(jù)庫的水文資料檢索功能,對數(shù)據(jù)庫的信息不進行維護。數(shù)據(jù)庫表結構的設計已在中華人民共和國水利部《基礎水文數(shù)據(jù)庫表結構及標識符標準》(SL 324-2005)中定義,本系統(tǒng)不需對表結構進行設計。

3.1.4 原始水文數(shù)據(jù)庫

原始水文數(shù)據(jù)存放水文監(jiān)測原始觀測記錄資料、用監(jiān)測儀器生成的原始數(shù)據(jù)文件及通過遙測系統(tǒng)上傳的原始觀測信息等。本系統(tǒng)提供對原始信息的檢索功能,數(shù)據(jù)庫的維護由其它工程的相應系統(tǒng)完成。

3.1.5 實時監(jiān)測信息庫

實時水文監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫存儲《遼寧省水文站網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)》要維護的各種基礎信息,本次定義的表名如下:

1)測站信息表:包括水文水位站整編信息表、降水蒸發(fā)站整編信息表、關注站點及其項目信息、流域水系對照表。

2)基本信息:包括水準點沿革表、斷面情況表、水尺沿革表、降水蒸發(fā)儀器沿革信息、水文水位儀器沿革信息、水位級、系數(shù)及單位信息、注解碼對照表、信息輸入習慣保存。

3)測量類:包括水準測量參數(shù)引用表、水準測量記錄表、水尺零高及斷面樁測量參數(shù)引用表、水尺零高及斷面樁測量記錄表、水道斷面參數(shù)引用表、水道斷面測量記錄表、大斷面樁測量記錄表、大斷面成果參數(shù)引用表、實測大斷面成果表、大斷面分級水位成果表、斷面樁測量成果表、水尺零高測量成果表、水準點測量成果表。

4)水位類:包括實測水位、基本水尺水位記錄、比降水尺水位記錄、篩選水位計算表、實測水位問題表、基本水位月報成果、比降水位月報成果。

5)流量類:包括流量、輸沙測驗基本信息、暢流期流量測驗記錄表、冰期流量測驗記錄表、暢流期流量、輸沙測驗記錄表、冰期流量、輸沙測驗記錄表、水面浮標測速記錄表、水面浮標圖形坐標表、水面浮標測深及計算表、聲學多普勒流速儀流量測驗記錄表、不確定度計算參數(shù)、糙率計算參數(shù)表、實測流量成果表、糙率計算月報成果。

6)泥沙類:包括全斷面混合法輸沙測驗記錄表、調壓積時式輸沙測驗記錄表、單沙測驗記錄表、單沙(調壓積時式)測驗記錄表、泥沙水樣處理記錄表、實測輸沙率成果表、單沙月報成果。

7)記錄類:包括實測降水記錄、人工觀測降水記錄、實測降水問題表、降水日表、遙測降水月報成果、人工觀測降水月報成果。

8)蒸發(fā)類:包括水面蒸發(fā)量觀測記錄、水面蒸發(fā)量觀測記錄、蒸發(fā)輔助項目觀測記錄、蒸發(fā)(E601、20cm)月報成果、蒸輔月報成果。

9)水(岸)溫類:包括水(岸)溫觀測記錄、基本水溫月報成果。

10)冰情類:包括冰情觀測、冰厚、河段冰厚、河段冰厚、冰流量、冰速、冰厚測驗記載表、冰情觀測月報成果、斷面冰厚月報成果、水內冰成果表、河段冰厚成果表。

11)其它類:包括各項目錯誤記錄登記表、綜合統(tǒng)計、上傳文件說明表、進程登記表、成果流程說明表、進程狀態(tài)表、測站各項目資料處理時間表、資料更新及補算、系統(tǒng)參數(shù)、站點參數(shù)表、表更新痕跡、三校錯誤登記。

3.2 SQL Server數(shù)據(jù)庫

由于水文資料整編系統(tǒng)需要,還需要配置SQL Sever 2008及以上版本的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。SQL Sever數(shù)據(jù)庫是一個可擴展的、高性能的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),涉及到分布式客戶計算;

擁有強大的事務處理能力和管理工具,采用多種方法確保數(shù)據(jù)的完整性;支持對稱多處理器架構、存儲結構、開放數(shù)據(jù)庫互連,并具有自主的SQL語言,滿足水文監(jiān)測數(shù)據(jù)海量性、多要素、多元異構性等特征對數(shù)據(jù)庫的要求。

SQL Sever數(shù)據(jù)庫主要用來存儲水文資料整匯編數(shù)據(jù)及相關的記錄信息,實現(xiàn)了與全國水文資料整編系統(tǒng)的無縫對接。SQL Sever數(shù)據(jù)庫存儲的整編記錄信息,是指需要進行資料整編的水文監(jiān)測記錄信息,包括水流沙數(shù)據(jù)庫、降水數(shù)據(jù)庫及整編說明等。

3.3 數(shù)據(jù)自動改算

數(shù)據(jù)自動改算是通過Orarcle底層數(shù)據(jù)庫的設計,將庫表中的數(shù)據(jù)字段,通過設計檢索表,將包含該字段的數(shù)據(jù)和相關數(shù)據(jù)的其他表關聯(lián)起來,實現(xiàn)關聯(lián)元素的跨表檢索和自動批量修改數(shù)據(jù)。

水文要素之間有很高關聯(lián)性,一項要素的改變可能影響另一項要素的計算成果。以往靠人工進行逐一改算處理,目前同類系統(tǒng)中還未有自動改算的功能。本系統(tǒng)采用后臺實時監(jiān)測處理技術處理,如果發(fā)現(xiàn)某一水文要素發(fā)生了變化,系統(tǒng)根據(jù)水文要素在時間上和工程上的變化,自動分析影響范圍的時間,當前要素對其他因素的影響,通過定位影響對象確定范圍,根據(jù)修改情況的記錄評估范圍,自動修改范圍內的每個要素。由于系統(tǒng)具有自動改算的功能,有效地解決了因資料修改造成成果不一致等問題,保證了各類整編成果的一致性。

3.4 水文監(jiān)測數(shù)據(jù)全自動一體化處理

站網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)采用后臺監(jiān)聽(LISTENING)技術,完成水文監(jiān)測結果的信息采集、檢查、分析和計算,與全國水文數(shù)據(jù)匯編系統(tǒng)無縫對接,月報結果歸檔,實現(xiàn)自動化集成處理。自動處理部分的任務包括監(jiān)測信息采集、系列合理性校核、結果分析計算、結果歸檔、結果修改等功能。為了使這些功能自動化任務處理,它們必須在后臺運行的方式工作。

后臺有一個特殊的任務,它監(jiān)聽處理過程,并在系統(tǒng)啟動時自動開始運行。一方面,監(jiān)控進程根據(jù)系統(tǒng)安排的任務,定時啟動子進程,完成相應的工作;另一方面,根據(jù)相應的每個用戶請求,處理相應的臨時任務。

4 結 語

水文站網(wǎng)監(jiān)測體系日益完善后,站點不斷加密,監(jiān)測信息逐步全面覆蓋,有利于收集更多、更全面的水文監(jiān)測信息,更好地為當?shù)胤姥础⑺?guī)劃與工程設計、水資源管理及社會各界服務。水文站網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)的建設投入了大量的資金用于水文站的建設,包括試驗點的建設、試驗設施設備的配置、設施設備的運行和維護,都是為了獲得準確的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)。為此研究水文監(jiān)測數(shù)據(jù)智能化處理技術就顯得尤為重要,該技術的應用能夠快捷,便利的對水雨情結果進行整編,又能保證各類水文資料的整編成果。