張琳玲，張滿良，陳 璐,劉 曉，徐 峰

(1.黃河水利委員會(huì) 天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 天水 741000；2.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

黃土高原典型小流域水文觀測資料自動(dòng)化整編系統(tǒng)研發(fā)

張琳玲1，張滿良1，陳 璐2,劉 曉1，徐 峰1

(1.黃河水利委員會(huì) 天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 天水 741000；2.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

典型小流域；水文觀測；自動(dòng)化整編；系統(tǒng)研發(fā)；黃土高原

以黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)典型小流域羅玉溝、呂二溝、橋子?xùn)|溝和橋子西溝降雨、徑流和泥沙資料為處理對(duì)象，運(yùn)用C#語言、SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，開發(fā)建立了以數(shù)據(jù)采集、模型服務(wù)和數(shù)據(jù)發(fā)布三個(gè)邏輯層為總體框架，包含數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)整編、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理五大功能模塊的針對(duì)Windows用戶的降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了小流域降雨、徑流、泥沙數(shù)據(jù)的輸入、整編、查詢、輸出等功能。同時(shí)，該系統(tǒng)也是一種資料管理、信息查詢和成果存貯應(yīng)用的工具，系統(tǒng)的建成可為黃土高原典型小流域水文觀測數(shù)據(jù)處理與管理的自動(dòng)化、科學(xué)化提供技術(shù)支撐。

1 研發(fā)背景

長期以來，黃土高原典型小流域降雨、徑流、泥沙觀測資料的錄入、處理一直采用20世紀(jì)80年代研制的基于DOS環(huán)境下采用Fortran語言開發(fā)的微機(jī)整編降水資料程序和Basic語言及FOXBASE數(shù)據(jù)庫編制的徑流泥沙資料整編系統(tǒng)程序，存在與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不相兼容、人機(jī)交互不友好、操作不便、人工輸入誤差大等一系列問題。另外，對(duì)于小流域水土流失觀測資料的存儲(chǔ)大多采用簡單的磁盤文件和紙質(zhì)方式保存，不但不能保障數(shù)據(jù)的安全性和共享性，而且很難實(shí)現(xiàn)快速查詢和進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析、管理，從而限制了數(shù)據(jù)的充分利用[1]?；谝陨显?，急需建立針對(duì)Windows用戶的數(shù)據(jù)處理、查詢、管理和共享操作平臺(tái)，以從根本上解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在的自動(dòng)化程度較低、兼容性不夠、管理不便等諸多問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小流域觀測數(shù)據(jù)整編、存儲(chǔ)、查詢的自動(dòng)化和信息化，以提高長期試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)的研究效率和研究價(jià)值[2]。

2 研發(fā)內(nèi)容

以建立Windows界面下的小流域降雨、徑流、泥沙數(shù)據(jù)整編與成果資料存貯管理系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，以黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)典型小流域羅玉溝、呂二溝、橋子?xùn)|溝和橋子西溝為實(shí)例，以流域內(nèi)24個(gè)雨量站的降雨資料和4個(gè)把口站的徑流、泥沙資料為處理對(duì)象，研制開發(fā)針對(duì)Windows用戶的降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù)的輸入、存貯、處理、查詢、輸出平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理、集中存貯管理、信息自動(dòng)化查詢等功能。研究內(nèi)容主要包括以下兩個(gè)方面：

(1)小流域降雨、徑流、泥沙觀測資料的自動(dòng)化整編系統(tǒng)研發(fā)。通過人工、自動(dòng)化相結(jié)合的手段對(duì)小流域觀測資料進(jìn)行錄入，建立Windows界面下的操作、計(jì)算、運(yùn)行系統(tǒng)，按照水文整編成果要求，計(jì)算出降雨、徑流、泥沙特征值(摘錄，日、月、年統(tǒng)計(jì)和極值等參數(shù))，實(shí)現(xiàn)小流域觀測數(shù)據(jù)及整編成果的信息化。

(2)水文標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集中存貯系統(tǒng)研發(fā)。采用SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立羅玉溝、呂二溝、橋子?xùn)|溝和橋子西溝四條典型小流域降雨、徑流、泥沙原始資料和特征值等多類指標(biāo)的數(shù)據(jù)集中存貯系統(tǒng)，使其具備系統(tǒng)內(nèi)安全設(shè)置、快速檢索查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表生成和科學(xué)管理、長期保存等功能。

3 研發(fā)技術(shù)路線

本系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)路線見圖1。

4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用C/S(Client/Server)體系結(jié)構(gòu)，即客戶機(jī)與服務(wù)器結(jié)構(gòu)，客戶機(jī)通過本機(jī)同服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。該模式適合于用戶數(shù)量不大的可信賴局域網(wǎng)，有利于觀測數(shù)據(jù)的安全管理[3]。本研發(fā)基于SQL Server數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，構(gòu)建典型小流域水文觀測資料自動(dòng)化整編系統(tǒng)。SQL Server數(shù)據(jù)庫平臺(tái)是一個(gè)全面的數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，使用集成的商業(yè)智能(BI)工具可提供企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)管理。Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫引擎為關(guān)系型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供了更安全可靠的存儲(chǔ)功能，使用戶可以構(gòu)建和管理用于業(yè)務(wù)的高可用性和高性能的數(shù)據(jù)應(yīng)用程序。

圖1 系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)路線

“典型小流域水文觀測資料自動(dòng)化整編系統(tǒng)”總體框架，從邏輯上主要由數(shù)據(jù)采集層、模型服務(wù)層和數(shù)據(jù)發(fā)布層三方面構(gòu)成(詳見圖2)。其中數(shù)據(jù)采集層是基于該區(qū)域已有的觀測成果，并將觀測信息通過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換為Excel格式；模型服務(wù)層是將采集的觀測信息建立觀測數(shù)據(jù)庫，建立研究水文觀測資料統(tǒng)計(jì)模型；信息發(fā)布層是將采集的信息作為參數(shù)輸入水文觀測資料統(tǒng)計(jì)模型，生成整編成果以表格形式顯示于系統(tǒng)界面，并可以本地Excel格式存在或輸出。

圖2 系統(tǒng)總體框架邏輯

5 系統(tǒng)開發(fā)工具

針對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用要求，開發(fā)模式采用C/S體系結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)軟件采用SQL Server數(shù)據(jù)庫軟件，以SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)管理典型小流域水文(降雨、徑流和泥沙)觀測數(shù)據(jù)；開發(fā)工具為Visual Studio 2010、Photoshop CS5；編程語言為C#，該語言是針對(duì)NET平臺(tái)的第一語言，可實(shí)現(xiàn)一系列組件的無縫高效有機(jī)組合[4]。

6 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

(1)硬件環(huán)境。服務(wù)器至少1臺(tái)；GPRS網(wǎng)絡(luò)，局域網(wǎng)；雨量觀測站，徑流、泥沙觀測站。

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

(3)辦公軟件。Office 2010。

7 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)綜合了降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù)的多項(xiàng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了典型小流域水文觀測資料的錄入、查詢和整編等功能，在一定程度上提升了典型小流域水文觀測資料整編、管理的智能化水平，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模型建立、模型效率、功能上還有較大的提升空間。在客戶端，采用C#語言進(jìn)行服務(wù)功能的可視化開發(fā)，在服務(wù)體系上將其系統(tǒng)功能劃分為數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)整編、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理五大模塊(圖3)。

圖3 系統(tǒng)功能模塊構(gòu)成

(1)數(shù)據(jù)錄入模塊。系統(tǒng)提供文本文件自動(dòng)導(dǎo)入和人工輸入兩種數(shù)據(jù)入庫方式。對(duì)于原DOS系統(tǒng)下的文本文件采用批量或逐個(gè)自動(dòng)化導(dǎo)入方式導(dǎo)入現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫；對(duì)現(xiàn)有觀測原始數(shù)據(jù)提供菜單輸入或Excel格式手工輸入。

(2)數(shù)據(jù)查詢模塊。在本模塊中，將實(shí)現(xiàn)對(duì)所有成果表數(shù)據(jù)的查詢、管理等操作功能，并提供表格界面顯示和本地Excel格式輸出。

(3)數(shù)據(jù)整編模塊。通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，建立典型小流域水文觀測資料統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)輸入的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，使其生成符合規(guī)范要求的成果表，其中降水量成果表主要有降水量逐日表、降水量摘錄表、各時(shí)段最大降水量表1、表2；徑流泥沙成果表主要包括實(shí)測流量成果表、懸移質(zhì)含沙量計(jì)算表、洪水水文要素摘錄表、逐次洪水測驗(yàn)成果表、逐日平均流量表、逐日平均含沙量表、逐日平均輸沙率表。

(4)數(shù)據(jù)管理模塊。對(duì)觀測流域站點(diǎn)基本信息和降雨、徑流、泥沙觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

(5)系統(tǒng)管理模塊。具有對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)庫連接和系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展等管理功能。

該系統(tǒng)的建成，可實(shí)現(xiàn)典型小流域降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù)的人工、自動(dòng)化對(duì)接輸入，實(shí)現(xiàn)降雨、徑流、泥沙資料整編和管理的信息化；建立的標(biāo)準(zhǔn)成果數(shù)據(jù)存貯系統(tǒng)，便于觀測數(shù)據(jù)的錄入、處理、輸出和查詢，使觀測資料、成果管理和處理更加規(guī)范、系統(tǒng)、安全和方便，有利于數(shù)據(jù)的永久保存；同時(shí)系統(tǒng)能生成各種符合水文規(guī)范的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，便于印刷出版水文年鑒等相關(guān)資料。

8 研究結(jié)果

(1)系統(tǒng)建立了Windows界面下的降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，解決了原有系統(tǒng)存在的自動(dòng)化程度較低、兼容性不夠、人機(jī)交互不友好、管理不便等諸多問題，實(shí)現(xiàn)了小流域觀測數(shù)據(jù)整編、存儲(chǔ)、查詢的自動(dòng)化和信息化。

(2)該系統(tǒng)不僅能提供一種針對(duì)小流域水土流失觀測數(shù)據(jù)的處理平臺(tái)，而且也是一種資料管理、信息查詢和成果存貯應(yīng)用的工具，系統(tǒng)所建立的數(shù)據(jù)庫可對(duì)水文觀測資料進(jìn)行安全保存，對(duì)于快速、準(zhǔn)確、充分地利用水土流失觀測資料具有十分重要的意義。

(3)系統(tǒng)可將原有文本格式的原始數(shù)據(jù)文件通過批量或逐個(gè)自動(dòng)導(dǎo)入到現(xiàn)有的SQL Server數(shù)據(jù)庫，解決了人工重復(fù)輸入極易出現(xiàn)誤差的問題。

9 應(yīng)用前景

系統(tǒng)建成并調(diào)試優(yōu)化穩(wěn)定后可在天水、西峰、綏德三站的小流域水土流失觀測資料的整編和管理中進(jìn)行推廣應(yīng)用，能在一定程度上提高黃土高原典型小流域水文觀測資料錄入、整編效率，同時(shí)可對(duì)觀測資料進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，便于數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)檢索查詢與數(shù)據(jù)利用，能進(jìn)一步提高觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)小流域觀測數(shù)據(jù)整編、存儲(chǔ)、查詢的自動(dòng)化、信息化，并為今后小流域水土流失觀測數(shù)據(jù)的共享、公布等提供一定的基礎(chǔ)條件。

10 建 議

(1)本系統(tǒng)僅具備典型小流域水文觀測資料輸入、整編、查詢、管理等基本功能，建議結(jié)合黃土高原典型小流域水土流失觀測工作實(shí)際，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化、完善，使其窗口更友好，操作更簡捷，功能更強(qiáng)大。

(2)建議該系統(tǒng)預(yù)留功能擴(kuò)展余地及相關(guān)接口[4]，以滿足水文自動(dòng)化觀測儀器的更新?lián)Q代和系統(tǒng)升級(jí)、集成的需要，同時(shí)可擴(kuò)充小流域基本信息、資料分析研究等方面的功能。

(3)建議單列系統(tǒng)日常維護(hù)、管理等方面的專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，便于觀測數(shù)據(jù)的及時(shí)入庫和快捷有效查詢，使觀測成果的應(yīng)用能夠更加廣泛便利。

[1] 馬宏斌,馬衛(wèi)星,王娜,等.水土保持原型觀測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)與運(yùn)用[J].人民黃河,2011(1):95-96.

[2] 王瑞芬,張賢瑞,方天縱,等.水蝕定點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研究[G]//中國水土保持學(xué)會(huì)第三次全國會(huì)員代表大會(huì).發(fā)展水土保持科技 實(shí)現(xiàn)人與自然和諧學(xué)術(shù)論文集(1985—2005).北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2006:188-195.

[3] 程瑞芳.河南省水土保持三維可視化管理信息系統(tǒng)的研發(fā)[J].中國水土保持,2015(3)：40-43.

[4] 李文鳳,楊勤科,李靜,等.基于組件式GIS的黃河流域水土保持信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,36(3):90-96.

(責(zé)任編輯 張培虎)

黃河水利科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目(HKY-JBYW-2013-25)

S157

A

1000-0941(2015)09-0066-03

張琳玲(1974—)，女，甘肅天水市人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水土保持科學(xué)管理、水土流失原型觀測和水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

2015-04-25