水文资料自动整编中的计算规约探讨

2019-12-03 02:36杜蓓蓓杨沛霖

浙江水利科技 2019年6期

许洁，杜蓓蓓，杨沛霖

（宁波市水文站，浙江宁波 315020）

1 问题的提出

水文资料整编是指将原始观测资料经整理、计算、审查后得到成果的过程。水文整编资料可分为说明资料、基本资料和调查资料。本文探讨的整编资料为基本资料，即国家基本站的资料。国家基本站资料的整编均执行SL 247 — 2012《水文资料整编规范》，规范中对于各要素的整编内容、整编方法有详细规定。

随着信息化技术的不断发展，水文测站数据采集的自动化率也不断提高。以浙江省为例，2016年共复审了清水位174站年、潮水位35站年、降水量638站年等，水位站的原始数据，除了2个站采用人工观测外，其余均采用遥测设备采集。降水量站的原始数据，均采用遥测设备采集。很多站具有2套或以上遥测设备，确保采集数据的完整性。水文部门实时接收的水位、雨量数据，为在线整编提供了可能，而防汛抗旱、水资源管理等业务对水文监测数据实时在线处理能力的要求，加快了在线整编系统的研发。

宁波地区水文资料在线整编系统，实现了对实时水位、潮位、雨量数据的检查和自动整编等功能。系统在遵守水文资料整编规范的基础上，通过优化整编计算规约，使整编成果更准确完整，同时更方便使用。本文就系统中水位、潮位、潮流量整编计算的规约进行探讨。

2 水位整编

水位整编的成果表主要有逐日平均水位表、洪水水位摘录表等。水文资料整编规范中规定，当采用自动监测资料进行水位整编时，应先进行精简。当水位过程平缓时，可采用摘录方式进行处理，并应符合下列要求[1]：

（1）处理后的水位变化过程应完整。

（2）经处理后计算的日平均水位与采用所有数据计算的日平均水位相差不宜超过2 cm。

（3）有流量资料整编的测站，处理后的水位变化过程应满足推求流量的要求。

日平均水位计算方法，可采用算术平均法或面积包围法计算，当2种方法计算结果相差超过2 cm时，应采用面积包围法。

目前宁波市水雨情平台接收到的水位数据均为5 min间隔的数据，这样每站每日接收的数据为288个。为真实反映水位变化过程，同时进行必要的精简，本系统采用新的摘录规约：

（1）每日24 h整点摘录，最高、最低点摘录。

（2）5 min滑动计算，每1 h变化超过10 cm且5 min变化大于3 cm的点摘录。

通常在水位平缓时，每天的摘录点为24 ～ 26个，水位变化大时，随着涨率的变化，摘录点随之变化。宁波市现有18个国家基本水位站，其中属于山地河流的2个，属于平原河网的16个，分别采用5 min原始数据和摘录后的数据计算日平均水位，日平均水位计算结果保留至厘米整数位。通过对18个水位站7 — 9月共3个月数据的分析，2种计算方法的日平均水位样本差值统计见表1。

表1 2种计算方法的日平均水位样本差值统计表

由表1可以看出，全部水位站这3个月的日平均水位的差值都小于2 cm，符合规范规定的精简原则，同时差值为0的比例达到96%，其中山区河流站，由于水位变化大，摘录的点更多，差值为0的比例达到97%。

摘录出来的水位，保证每天都有整点的水位记录，对使用者来说，不需要内插，就可以得到完整的逐时水位过程，与降水量逐时摘录过程配套。通过水位流量关系推算流量的站，其洪水水文要素摘录表列出逐时的流量过程，与降水量、水位同时展现，便于分析和判断。而以往采用控制转折点的方式摘录水位，主要是受到整编过程中的人力、后期数据存储容量、纸质版年鉴刊印时的厚度等限制，现在都可以通过信息化技术手段解决。

3 潮位整编

潮位整编的成果表主要有逐日高低潮位表、逐时潮位表、潮位月年统计表等。整编原则是从全部5 min间隔的潮位过程数据上选取逐日高低潮位和逐时潮位。通过计算每个5 min潮位的斜率，判断出现拐点的潮位及其时刻，来确定高低潮位。实际摘录时，经常遇到高潮或低潮平潮时间较长或上下波动的情况，下面以宁波站9月7日的潮位过程为例说明，过程线见图1 ～ 2，潮位数据见表2。由图1可见，在低潮附近有2个最低点，分别为4:40的-0.32 m和4:50的-0.32 m。

在现在广泛使用的南方片整编程序中，程序将取-0.32 m为低潮潮位，取平均时间4:45，而实际上4:45对应的潮位为-0.31 m，这样选取低潮时间欠合理。尤其当平均时间恰好为整点时刻时，该整点时刻的潮位也被摘录进逐时潮位表，就会产生同一时刻2个潮位的矛盾现象。

为了避免出现这种矛盾现象，本系统采取的规约是，只摘录合适的瞬时潮位，不对同一潮位值的前后潮时作平均计算。当遇到平潮（潮位不变）时间较长时，则选取中间时刻，即从连续奇数或偶数个5 min中挑出处于中间位置的那个时刻，当遇到潮位一致，但有多谷或多峰时，则选取第一个出现的时刻。

以上是单站自动摘录时的规约，在合理性分析时，要考虑多个因素。当高低潮发生平潮或停潮，不超过20 min时，可将该时段中间位置作为高潮、低潮潮时；超过20 min时，应根据前后潮、涨落潮历时、涨落潮间隙及上下游、相邻站的潮位潮时分析，选取合理的时刻确定为最高最低潮位的潮时[2]。对于高低潮时段出现多峰、多谷的情况，需要人工干预，并且考虑上下游情况综合分析确定哪一波峰或波谷选作高潮或低潮及潮时。

对于洪水期间，水位起涨后出现低潮或洪水退水阶段出现高潮等潮洪混杂情况，系统根据水位的拐点来判断，第一个出现的低谷（高峰）作为第一个低潮（高潮），第二个出现的低谷（高峰）作为第二个低潮（高潮）。对于这种情况，要进行人工干预，手工选取水位转折点，并作标记。按照水文年鉴规范要求，潮洪混杂情况下，高低潮按照洪水水位摘录，潮别栏任其空白，潮差不作统计。

图1 宁波站2018年9月7日潮位过程图

图2 宁波站2018年9月7日潮位低潮部分放大图

表2 宁波站2018年9月7日低潮附近潮位数据表

由于潮位自动整编过程中，选取高低潮是通过计算潮位过程中的拐点来实现的，因此该系统适用于规则半日潮、不规则半日潮，也适用于全日潮河段，但对于强涌潮的河口区域，因潮位过程复杂，涨落潮规律性不明显，需要人工干预较多，则不适用。

4 潮流量整编

潮流量整编的成果主要有实测潮流量成果表、实测潮量成果统计表、逐潮潮量或感潮闸坝站的逐日平均流量等。

潮流量的计算应按潮流期统计涨潮、落潮和全潮潮流期的潮总量、潮流历时、潮平均流量。潮流期的划分应按下列规定执行[2]：

（1）按断面流量过程线内插获得的憩流时刻或实测憩流时刻划分。

（2）一个潮流期为2个相邻的落潮憩流（低憩）的过程，由涨潮憩流（高憩）在潮流期内划分涨潮流和落潮流。

目前各潮流量站整编的潮量要素统计表中的数据均来源于实测，由于潮流量站，断面一般较宽，流速大，施测难度大，所以每年测次不多，由此得出的潮量要素统计表数据量较少。现在有些潮流量站安装了固定式ADCP，可以实时监测潮流速过程，通过绘制断面平均流速与实时监测的代表流速关系曲线，结合断面数据，就可以推算出实时潮流量，以此推算的实时潮流过程来进行潮量计算，就可以得到整年的潮量要素统计表。当然，采用实时监测潮流速过程的站，采用流速相关法时，要进行定线并通过检验。图3为澄浪堰站的实时潮位、潮流量过程图。

图3中，上方曲线表示潮位过程，下方曲线表示潮流量过程，低潮过后的第一次流量为0的点为落憩时刻，高潮过后的第一次流量为0的点为涨憩时刻。当潮流量过程为5 min间隔的连续过程时，可以通过在线整编程序自动计算，首先通过插值方式确定落憩、涨憩的时间，再划分出涨潮流和落潮流，再计算涨潮潮量、落潮潮量、净潮量、涨潮平均流量和落潮平均流量等。

图3 澄浪堰站实时潮位、潮流量过程图

利用在线整编程序的自动计算功能，可以大大减少手工挑选憩流点、潮流期的时间，提高整编效率。一方面，由于每隔5 min就有采集的流量数据，所以确定落憩、涨憩时间的误差只在10 min之内，提高了涨落潮时判断的精度；另一方面，通过全年完整流量过程的统计，可以计算出月年的潮流量的变化，对探索潮流月年变化特征有重要意义。

潮量要素统计表在基础水文数据库表结构中属于实测表类[3]，不属于整编结果表类，本系统根据规范建立库表结构，无法将整编计算后的结果存储于实测表类中。因此，建议标准基础表结构中增加推算潮量统计表。

5 结论

（1）本文介绍宁波地区水文资料在线整编系统研发中采用的整编计算规约，规约在满足整编规范要求的基础上进行了优化，使整编后的水位过程、潮位过程更准确反映真实过程，同时又便于使用者处理、分析。自动摘录瞬时高低潮位的原则，适用于规则半日潮和不规则半日潮河段，也适用于日潮河段。

（2）鉴于部分潮流量站已安装在线流量监测设备的情况，认为可以与推算流量整编出逐日平均流量表一样，将推算的潮流量整编计算出潮量统计表，建议标准水文数据库表结构中增加相关的计算类表格。