黄土高原典型小流域水文观测资料自动化整编系统研发

张琳玲，张满良，陈 璐,刘 晓，徐 峰

(1.黄河水利委员会 天水水土保持科学试验站，甘肃 天水 741000；2.兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730000)

黄土高原典型小流域水文观测资料自动化整编系统研发

张琳玲1，张满良1，陈 璐2,刘 晓1，徐 峰1

(1.黄河水利委员会 天水水土保持科学试验站，甘肃 天水 741000；2.兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730000)

典型小流域；水文观测；自动化整编；系统研发；黄土高原

以黄土丘陵沟壑区第三副区典型小流域罗玉沟、吕二沟、桥子东沟和桥子西沟降雨、径流和泥沙资料为处理对象，运用C#语言、SQL Server数据库技术和数据统计分析技术，开发建立了以数据采集、模型服务和数据发布三个逻辑层为总体框架，包含数据录入、数据查询、数据整编、数据管理和系统管理五大功能模块的针对Windows用户的降雨、径流和泥沙数据处理平台，实现了小流域降雨、径流、泥沙数据的输入、整编、查询、输出等功能。同时，该系统也是一种资料管理、信息查询和成果存贮应用的工具，系统的建成可为黄土高原典型小流域水文观测数据处理与管理的自动化、科学化提供技术支撑。

1 研发背景

长期以来，黄土高原典型小流域降雨、径流、泥沙观测资料的录入、处理一直采用20世纪80年代研制的基于DOS环境下采用Fortran语言开发的微机整编降水资料程序和Basic语言及FOXBASE数据库编制的径流泥沙资料整编系统程序，存在与现有计算机系统不相兼容、人机交互不友好、操作不便、人工输入误差大等一系列问题。另外，对于小流域水土流失观测资料的存储大多采用简单的磁盘文件和纸质方式保存，不但不能保障数据的安全性和共享性，而且很难实现快速查询和进一步的统计分析、管理，从而限制了数据的充分利用[1]。基于以上原因，急需建立针对Windows用户的数据处理、查询、管理和共享操作平台，以从根本上解决现有系统存在的自动化程度较低、兼容性不够、管理不便等诸多问题，进而实现小流域观测数据整编、存储、查询的自动化和信息化，以提高长期试验观测数据的研究效率和研究价值[2]。

2 研发内容

以建立Windows界面下的小流域降雨、径流、泥沙数据整编与成果资料存贮管理系统为出发点，以黄土丘陵沟壑区第三副区典型小流域罗玉沟、吕二沟、桥子东沟和桥子西沟为实例，以流域内24个雨量站的降雨资料和4个把口站的径流、泥沙资料为处理对象，研制开发针对Windows用户的降雨、径流和泥沙数据的输入、存贮、处理、查询、输出平台，以实现观测数据的计算机处理、集中存贮管理、信息自动化查询等功能。研究内容主要包括以下两个方面：

(1)小流域降雨、径流、泥沙观测资料的自动化整编系统研发。通过人工、自动化相结合的手段对小流域观测资料进行录入，建立Windows界面下的操作、计算、运行系统，按照水文整编成果要求，计算出降雨、径流、泥沙特征值(摘录，日、月、年统计和极值等参数)，实现小流域观测数据及整编成果的信息化。

(2)水文标准数据集中存贮系统研发。采用SQL Server数据库技术，建立罗玉沟、吕二沟、桥子东沟和桥子西沟四条典型小流域降雨、径流、泥沙原始资料和特征值等多类指标的数据集中存贮系统，使其具备系统内安全设置、快速检索查询、统计报表生成和科学管理、长期保存等功能。

3 研发技术路线

本系统研发的技术路线见图1。

4 系统总体结构

本系统采用C/S(Client/Server)体系结构，即客户机与服务器结构，客户机通过本机同服务器上的数据库进行数据交互。该模式适合于用户数量不大的可信赖局域网，有利于观测数据的安全管理[3]。本研发基于SQL Server数据库平台，构建典型小流域水文观测资料自动化整编系统。SQL Server数据库平台是一个全面的数据库平台，使用集成的商业智能(BI)工具可提供企业级的数据管理。Microsoft SQL Server数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更安全可靠的存储功能，使用户可以构建和管理用于业务的高可用性和高性能的数据应用程序。

图1 系统研发技术路线

“典型小流域水文观测资料自动化整编系统”总体框架，从逻辑上主要由数据采集层、模型服务层和数据发布层三方面构成(详见图2)。其中数据采集层是基于该区域已有的观测成果，并将观测信息通过计算机转换为Excel格式；模型服务层是将采集的观测信息建立观测数据库，建立研究水文观测资料统计模型；信息发布层是将采集的信息作为参数输入水文观测资料统计模型，生成整编成果以表格形式显示于系统界面，并可以本地Excel格式存在或输出。

图2 系统总体框架逻辑

5 系统开发工具

针对系统的应用要求，开发模式采用C/S体系结构；系统数据库平台软件采用SQL Server数据库软件，以SQL Server数据库服务管理典型小流域水文(降雨、径流和泥沙)观测数据；开发工具为Visual Studio 2010、Photoshop CS5；编程语言为C#，该语言是针对NET平台的第一语言，可实现一系列组件的无缝高效有机组合[4]。

6 系统运行环境

(1)硬件环境。服务器至少1台；GPRS网络，局域网；雨量观测站，径流、泥沙观测站。

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

(3)办公软件。Office 2010。

7 系统功能

本系统综合了降雨、径流和泥沙数据的多项统计计算，实现了典型小流域水文观测资料的录入、查询和整编等功能，在一定程度上提升了典型小流域水文观测资料整编、管理的智能化水平，在系统结构、模型建立、模型效率、功能上还有较大的提升空间。在客户端，采用C#语言进行服务功能的可视化开发，在服务体系上将其系统功能划分为数据录入、数据查询、数据整编、数据管理和系统管理五大模块(图3)。

图3 系统功能模块构成

(1)数据录入模块。系统提供文本文件自动导入和人工输入两种数据入库方式。对于原DOS系统下的文本文件采用批量或逐个自动化导入方式导入现有数据库；对现有观测原始数据提供菜单输入或Excel格式手工输入。

(2)数据查询模块。在本模块中，将实现对所有成果表数据的查询、管理等操作功能，并提供表格界面显示和本地Excel格式输出。

(3)数据整编模块。通过计算机数据统计分析技术，建立典型小流域水文观测资料统计模型，对输入的原始观测数据进行加工处理，使其生成符合规范要求的成果表，其中降水量成果表主要有降水量逐日表、降水量摘录表、各时段最大降水量表1、表2；径流泥沙成果表主要包括实测流量成果表、悬移质含沙量计算表、洪水水文要素摘录表、逐次洪水测验成果表、逐日平均流量表、逐日平均含沙量表、逐日平均输沙率表。

(4)数据管理模块。对观测流域站点基本信息和降雨、径流、泥沙观测数据进行管理。

(5)系统管理模块。具有对本系统进行用户权限、数据库连接和系统升级扩展等管理功能。

该系统的建成，可实现典型小流域降雨、径流和泥沙数据的人工、自动化对接输入，实现降雨、径流、泥沙资料整编和管理的信息化；建立的标准成果数据存贮系统，便于观测数据的录入、处理、输出和查询，使观测资料、成果管理和处理更加规范、系统、安全和方便，有利于数据的永久保存；同时系统能生成各种符合水文规范的统计报表，便于印刷出版水文年鉴等相关资料。

8 研究结果

(1)系统建立了Windows界面下的降雨、径流和泥沙数据处理平台，解决了原有系统存在的自动化程度较低、兼容性不够、人机交互不友好、管理不便等诸多问题，实现了小流域观测数据整编、存储、查询的自动化和信息化。

(2)该系统不仅能提供一种针对小流域水土流失观测数据的处理平台，而且也是一种资料管理、信息查询和成果存贮应用的工具，系统所建立的数据库可对水文观测资料进行安全保存，对于快速、准确、充分地利用水土流失观测资料具有十分重要的意义。

(3)系统可将原有文本格式的原始数据文件通过批量或逐个自动导入到现有的SQL Server数据库，解决了人工重复输入极易出现误差的问题。

9 应用前景

系统建成并调试优化稳定后可在天水、西峰、绥德三站的小流域水土流失观测资料的整编和管理中进行推广应用，能在一定程度上提高黄土高原典型小流域水文观测资料录入、整编效率，同时可对观测资料进行数据库存储，便于数据管理、数据检索查询与数据利用，能进一步提高观测数据的应用价值，实现小流域观测数据整编、存储、查询的自动化、信息化，并为今后小流域水土流失观测数据的共享、公布等提供一定的基础条件。

10 建 议

(1)本系统仅具备典型小流域水文观测资料输入、整编、查询、管理等基本功能，建议结合黄土高原典型小流域水土流失观测工作实际，对该系统进行进一步的优化、完善，使其窗口更友好，操作更简捷，功能更强大。

(2)建议该系统预留功能扩展余地及相关接口[4]，以满足水文自动化观测仪器的更新换代和系统升级、集成的需要，同时可扩充小流域基本信息、资料分析研究等方面的功能。

(3)建议单列系统日常维护、管理等方面的专项经费，保证系统的正常运行，便于观测数据的及时入库和快捷有效查询，使观测成果的应用能够更加广泛便利。

[1] 马宏斌,马卫星,王娜,等.水土保持原型观测数据管理系统开发与运用[J].人民黄河,2011(1):95-96.

[2] 王瑞芬,张贤瑞,方天纵,等.水蚀定点监测数据库系统研究[G]//中国水土保持学会第三次全国会员代表大会.发展水土保持科技 实现人与自然和谐学术论文集(1985—2005).北京：中国农业科学技术出版社，2006:188-195.

[3] 程瑞芳.河南省水土保持三维可视化管理信息系统的研发[J].中国水土保持,2015(3)：40-43.

[4] 李文凤,杨勤科,李静,等.基于组件式GIS的黄河流域水土保持信息系统的设计与实现[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2008,36(3):90-96.

(责任编辑 张培虎)

黄河水利科学研究院基本科研业务费专项项目(HKY-JBYW-2013-25)

S157

A

1000-0941(2015)09-0066-03

张琳玲(1974—)，女，甘肃天水市人，高级工程师，硕士，主要从事水土保持科学管理、水土流失原型观测和水土保持规划设计工作。

2015-04-25