自记水位条件下河道径流演进分析技术及应用

王育杰 刘合永 罗勐 孟先新 娄书建

摘要：依靠现代信息技术对我国现阶段河道遥测水位设施设备进行了高效继承，对遥测系统与径流演进预报应用进行了深度融合。实践表明：不同地域、不同网络环境、不同终端、不同浏览器用户能够全天候实时监测河道水位、流量变化及径流演进传播等，实现了高度的自动化与实时性，并且具备自动跟进校正特点，运行可靠稳定，实用性强。

关键词：径流演进；自动校正；遥测水位；河道

中图分类号：P333；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.004

1 概述

当前国内外依据水文测站自记水位计开展河道水流传播演进分析及预测的应用研究尚属空白。一些受断面冲淤、洪水涨落及变动回水影响的测站，因水位一流量关系点沿时序的连线常为分布散乱的非单值化曲线或绳套曲线，故给水文测报、资料整编及自动化应用带来很大困扰。多年来，我国少数水文部门在一些水位一流量关系（包括绳套关系）良好的测站以落差指数法等方法进行单值化处理，以遥测水位推求瞬时流量，但这种方法的自动化程度十分有限。同时，分时期、分时段进行的人工修线及后续应用存在着严重的繁琐性、滞后性与低效性，不但缺乏即时跟进的自动校正技术和传播演进自动分析与预测技术，而且不能实现互联网条件下移动终端用户的自由应用。

本研究的主要目的是实现由实时遥测水位合理地推求相应的瞬时流量，由相应的瞬时流量自动推求传播至下一水文测站所需的平均耗时，由平均耗时推求到达下一水文测站的相应时刻；当用户鼠标指针指向遥测水位过程线上的节点时，能够即时显示当前节点的综合信息，同时能够依据测站报汛信息及时进行自动校正或人工强制干预校正。

在研发过程中，笔者发明了一种低功耗太阳能电池充电控制装置及一种可无线唤醒的遥测水位计LED发布装置，研发了一种兼容多类水位传感设备的格雷码输出协议转换器及一种通用极低功耗水文传感器无线透传适配器。依靠现代网络技术、数据库应用技术及计算机编程技术等解决了一系列难题，实现了应用高度自动化、智能化和实时化，在不同网络环境、不同终端及不同浏览器条件下，用户可全天候监测河道径流的演进传播过程并进行动态预测，显著地提升了应用的技术水平。

2 实时遥测信息同步传输与写库

在一般水文测站，通过应用低功耗太阳能电池充电控制装置、多类遥测水位传感设备输出转换器及无线透传适配器等设备，结合无线网络传输等技术，可以实现测站遥测水位的异地转发、上传和数据库写库任务。

要将测站实时遥测水位同步转发、无线上传和写入指定数据库，不仅需要在不同类型的遥测水位接收处理机中接人转换器，而且需要增加工业级GPRS模块及SIM卡，同时还需要开发遥测水位接收处理软件，这样才能实现异地上传及数据库写库任务。

由于GPRS网络本身是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，可以直接与Internet互通，并且具有覆盖范围广、数据传输快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，因此在实时监测、无线上网、移动办公等领域具有无可比拟的性价比优势。应用此技术即可充分利用和继承基层水文测站现有遥测水位设施與设备，通过转换器将遥测水位实时信息发送至工业级GPRS模块，模块内置的SIM卡可通过移动基站与移动中心服务器保持连接，建立TCP/IP通道。当GPRS模块收到水位接收机传来的遥测水位信息后，便与公网IP地址端口进行封包处理与分组传送，通过已建立的TCP/IP通道上传至移动中心服务器内GGSN设备（即GPRS路由器）。该路由器把GPRS模块传来的数据包转发至Internet网络，经过Internet网络路由器转发至外网企业路由器端口。若该端口已通过网路映射方式指向特定数据库服务器，则GPRS模块传来的数据包就会自动通过路由器转发至指定服务器上，由部署在该服务器上的数据接收处理软件完成数据包的解析和写库任务。这种传输方式不受距离限制，无延时，不丢包，数据包进行了加密处理并自定协议，确保了传输的安全性和可靠性。三门峡水库入库北干流控制站——禹门口站遥测水位的转发、上传与写库即为此类方式。

3 推流原理与径流演进分析方法

3.1 由遥测水位推求实时流量

为实现由水文测站实时遥测水位合理推求相应瞬时流量，首先需要建立测验断面遥测水位一流量关系基本曲线。这些基本曲线主要包括5类：断面普遍冲刷型、断面普遍淤积型、断面不冲不淤型、断面上冲下淤型和断面上淤下冲型。前3类曲线较常见，可视为近似同型曲线，多数情况下可以通过沿坐标轴方向上下与左右平移进行转换或近似表达，为后期的即时动态校正提供了可能。后2类曲线一般需根据测站遥测水位一流量关系进行特型定线，定型后也可加入动态校正功能以取得近似应用。应用中依据上述5类基本曲线，可参考测站最新报汛（推流或测流）信息及时进行自动校正，由遥测水位快速推求相对准确的瞬时流量，显著减少人工分析等繁琐环节与流程，大幅降低工作量，充分体现快速性与灵活性。

3.2 由实时流量推求传播耗时

由测站实时遥测水位快速推得相应瞬时流量，为快速推求此瞬时流量的水流传播演进至下一站所需耗时提供了可能。当然，这种推求是基于区间来水较小及水流传播演进过程近似无坦化变形为前提的。根据近几年黄河北干流及渭河下游主要控制站断面实测流量与平均流速之间的关系，结合站间河段长度、平均纵比降、沿程断面形态特点及站间传播演进峰谷拟合分析技术，可以率定和建立起流量一平均传播耗时之间的函数关系表达式。依据此表达式及ASP.net编程技术，可以由上一站实时流量快速推求传播至下一站的耗时，并即时呈现于用户窗口内。

3.3 由传播耗时推求到达下站时刻

根据测站间不同流量一平均传播耗时的关系求得传播耗时后，将上一站遥测水位过程线上节点时刻与之相加，即可求得水流传播演进至下一站的相应时刻。

3.4 在遥测水位过程线上即时显示综合信息

利用微软ASP.net编程技术研发Web服务器应用程序的过程中，通过逐项推导与分析计算，可以快速求得用户鼠标指针指示节点处综合信息并显示在遥测水位过程线图形中。显示内容包括当前时刻、相应遥测水位、推求与校正后的瞬时流量、传播至下一测站的耗时、到达下一测站的相应时刻，为掌握河道径流演进信息和开展实时径流预报提供了极大的便利。

4 自动校正前提及依据

4.1 自动校正前提

在实际工作中，由实时遥测水位推求相应瞬时流量时，要依据符合当前实际情况的遥测水位一流量关系曲线来推流，而这一关系曲线往往要依靠测站相关人员及时跟进的修线工作来取得。受繁琐环节与复杂因素的共同制约，异地很难快速取得测站最新修线信息，特别是电子化信息。因此，要实现计算机自动校正或人工辅助干预校正这一最高效的工作方式，就必须充分利用测站最新率定或定型的5类曲线关系式及实际报汛中所隐含的最新修线信息，这是实现自动校正的基本前提。

4.2 依据报汛信息自动校正

一般情况下，承担报汛任务的水文测站在不同时段和报汛段次各不相同，但是每日8时必定报汛，据此，由实时遥测水位进行推流的自动校正工作，每日最少可以更新一次。当然，随着测站报汛频次的增加，或测站应用流速仪等设备对断面流量进行实测，每天利用测站推流、测流信息进行自动校正的机会也会增加。

4.3 人工干预校正

当测站测验断面的遥测水位一流量关系曲线与“普遍冲刷、普遍淤积、不冲不淤、上冲下淤、上淤下冲”5种类型中任何一种不符时，可以考虑建立特殊的水位一流量关系进行人工强制干预校正，以提高推流成果的精度，满足流量过程预报需求。

5 Web服务程序研发及应用

5.1 ASP.net平台技术

应用程序研发采用B/S架构，基于微软ASP.net 4.0平台，保证研发成果的通用性和可扩展性，理论上可以使用任何编程语言如C++、VB、JS等。最适合的编程语言是微软为.Net Framework专门推出的C#。它是面向对象的编程语言，具有面向对象编程语言的一切特性，如封装性、继承性、多态性等，能很好地克服传统ASP使用脚本语言编程的缺点与弱点。

5.2 Web组件技术

该应用系统研发过程中，图与表的显示使用了新版Web组件技术，不但无需下载和安装任何浏览器插件即可实现类似C/S架构的界面风格及操作习惯，根除了以往B/S架构难以满足用户高品质体验的需求等诸多缺陷，而且还能使可扩展的UI数据层与第三方开发框架快速整合，充分保证Web界面的扩展性与灵活性。对于使用频率较高的功能模块，如图表显示、站点选择等广泛使用了这一技术，简化了网站结构、提升了用户访问速度，还为未来网站的修改与扩展提供了充足的空间。

5.3 兼容性插件与移动终端支持

在远离日常办公环境条件下，用户可用的网络环境多为广域网或移动通信网，用户终端为各类PC（如台式电脑、笔记本电脑等）或移动设备（如Wad、智能手机等），用户浏览器也千差万别（如IE、Firefox、Chrome、Safari等）。这些复杂条件对Web服务程序研发提出了更高要求，即必须兼适不同网络环境、不同终端及不同浏览器的自由应用。为此，不仅要考虑各类PC及移动设备操作系统的支持性，而且要选择上述浏览器均能兼容的插件。该应用系统在Apple系列等移动设备及浏览器上取得了满意效果，其服务器部署在局域网内，在广域网或移动通讯网环境下，用户可以借助VPN网络隧道或端口映射实现与服务器的连接，保障了安全访问与自由应用。

5.4 功能模块及应用

以C#语言为主开发的功能模块，为浏览器用户提供了浏览、查询及推演分析等实用功能。五大功能模块为遥测水位过程（Z-t）线/表、实时流量过程（Q-t）线/表Z-t线节点处综合信息即时显示。这些模块采用Chart图标插件及快速静态化响应技术，实现了动态数据的静态图表高效推送。

对于Z-t线，Web服务程序直接从实时数据库访问YC RIVER R表，即时读取最近一周遥测水位信息，以折线图形式显示，横轴为时间t，纵轴为水位Z。当鼠标指针置于Z-t线某一节点时，可即时显示相应时刻及水位值。为使Z一线图形总以最佳比例呈现，笔者设计了一个高精算法来确定图形纵坐标刻度上下限。首先应用程序自动搜索和计算该时段内遥测水位最大值与最小值之间的差值，以最大值加上差值的1/2作为临时上限，以最小值减去差值的1/2作为临时下限。同时，为实现纵坐标5等分主刻度值精确到0.1m，系统会自动将临时上下限循环递增一个固定值，直至图形显示及纵坐标主刻度值完全满足精度要求为止。这一自分析判断技术及功能使图形自适应功能得到了最大程度的发挥，使得纵坐标的取值及图形显示比例总处于最佳状态。

对Z-t线节点综合信息的即时显示，系统默认以平均线进行推流计算（此设置可以变更），以测站最近一次测流或推流信息进行自动校正，以站间不同流量一平均传播耗时关系推演水流到达下站的相应时刻，能快速显示节点的相应时刻、遥测水位、推求流量、传播耗时、到达下站时刻等信息。它对用户掌握各站水位涨落宏观过程及河道径流演进传播到达时刻等具有重要意义，同时也为自判式变因子动模型河道流量自动预报技术应用研究提供了重要补充与佐证。

6 结论

通過将实时遥测水位信息采集传输系统与径流演进预报深度融合，解决了自记水位条件下河道径流演进预测的应用难题，并使系统具有了分析对比及自动校正功能，实现了高度自动化与实时性，在不同网络环境、不同终端及不同浏览器条件下，用户可全天候实时监测河道径流演进传播过程并进行动态预测，显著提升了水文监测应用技术水平。

从现代通信与计算机网络技术领域发展趋势看，该应用对测站现有遥测设施、设备及应用技术等做到了高效继承，运行可靠稳定，实用性强，维护管理成本低廉，升级换代简单易行，客户端实现了真正的“零维护”。