李崇勇，廖葉穎，李仕豪

(廣東省水文局惠州水文分局，廣東 惠州 516003)

1 概述

水文是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)性公益事業(yè)，為防汛減災(zāi)、涉水工程建設(shè)、水資源開發(fā)利用、管理和水生態(tài)文明建設(shè)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。水文監(jiān)測是基礎(chǔ)性的水文工作。新時期經(jīng)濟(jì)社會和水利發(fā)展對水文提出了新的更高要求，水文監(jiān)測站點數(shù)量成倍增多，水文涉及服務(wù)社會的領(lǐng)域越來越廣，水文監(jiān)測與服務(wù)能力亟待進(jìn)一步提升。同時，傳統(tǒng)水文監(jiān)測工作模式的弊端日益凸顯，如還存在手工紙質(zhì)記載、人工計算及成果手工錄入上機(jī)等，出錯率高，成果時效性低，監(jiān)測業(yè)務(wù)融合度低，內(nèi)部管理難度大。

本文針對水文各類監(jiān)測要素，對監(jiān)測任務(wù)、設(shè)施設(shè)備、四隨流程、質(zhì)控措施、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)共享等，基于云平臺進(jìn)行梳理和設(shè)計，對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)整合、自動同步，將傳統(tǒng)水文監(jiān)測方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒉杉治鲞\用等整體數(shù)字化的實施過程，實現(xiàn)水文監(jiān)測數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為數(shù)字孿生水文建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)[1-9]。

2 云平臺功能設(shè)計和特色

2.1 平臺組成

云平臺即水文監(jiān)測綜合管理平臺，是惠州水文分局試點“互聯(lián)網(wǎng)+水文監(jiān)測”的研究成果，包含3個部分，PC網(wǎng)頁端、APP移動端(iOS客戶端、Android客戶端)和數(shù)據(jù)服務(wù)；架構(gòu)有數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、通訊層、解析層和應(yīng)用層(見圖1)。云平臺采用B/S+APP結(jié)構(gòu)開發(fā)，PC網(wǎng)頁端支持業(yè)務(wù)查詢、成果報表下載及系統(tǒng)管理，APP移動端支持測驗原始數(shù)據(jù)的收集與初步成果展示，數(shù)據(jù)服務(wù)提供測驗原始數(shù)據(jù)的計算與存儲。

2.2 功能特色

云平臺充分利用大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，打造了水文監(jiān)測業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流、管理流，做實做細(xì)“六個更”，賦能水文監(jiān)測數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1)固化算法更規(guī)范。根據(jù)水文學(xué)原理和水文測驗規(guī)范等固化測算算法，對現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時判斷，異常提醒或報錯，且自動同步計算參數(shù)，自動計算結(jié)果，實現(xiàn)水文監(jiān)測分析計算自動化、規(guī)范化、智能化。

2)集約管理更有序。組織機(jī)構(gòu)、測驗人員、測站、基礎(chǔ)設(shè)施及儀器設(shè)備、測驗成果等信息納入云平臺“一張網(wǎng)”“一張圖”“一個庫”，實現(xiàn)分散信息集約、有序、動態(tài)管理[10]。

3)按權(quán)分配更安全。功能權(quán)限靈活配置，匹配不同用戶角色，在可見范圍內(nèi)賦予權(quán)限操作，有效保障水文測驗數(shù)據(jù)安全。

4)成果生成更快捷。“四隨”工作實時在線，測驗現(xiàn)場自動計算和輸出結(jié)果，在線分析校審，成果實時上傳云平臺，即時點圖成表，極大提高成果時效性和準(zhǔn)確率。目前平臺已覆蓋水位、流量、蒸發(fā)、大斷面、水準(zhǔn)點、水尺零點高程、含氯度、泥沙(單沙斷沙)等八大要素。以單站水準(zhǔn)測量為例，傳統(tǒng)作業(yè)模式至少需要4人2天以上才能完成該次測驗及成果的日清月結(jié)，應(yīng)用云平臺，共3人次1天內(nèi)就能完成，效益提高6成以上。

5)數(shù)據(jù)連接更暢通。支持電子水準(zhǔn)儀、走航式ADCP等多種電子設(shè)備成果導(dǎo)入與解析，打通數(shù)據(jù)從測驗設(shè)備到云端的鏈條，實現(xiàn)無縫對接、互聯(lián)互通。如走航式ADCP，目前兼容進(jìn)口、國產(chǎn)等6種主流品類設(shè)備測驗文件的標(biāo)準(zhǔn)化解析和一鍵導(dǎo)入。

6)移動辦公更高效。采用B/S+APP結(jié)構(gòu)，PC網(wǎng)頁端、APP移動端等多終端支持，滿足移動辦公需求，隨時隨地查看水文測驗數(shù)據(jù)，監(jiān)控測驗任務(wù)執(zhí)行情況。測驗動態(tài)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、成果展示等實時自動更新，也確保了水文信息資源充分共享和周到服務(wù)。

3 水文監(jiān)測數(shù)字化方法

3.1 測驗準(zhǔn)備

1)測站信息

將水文監(jiān)測站點的站名、站碼、經(jīng)緯度、斷面名稱、測驗要素等基本信息在云平臺“測站信息”模塊進(jìn)行初始化，為水文監(jiān)測工作提供測站信息準(zhǔn)備。其中經(jīng)緯度信息可為測驗人員根據(jù)APP移動端(如手機(jī)、平板等)定位，自動篩選出最近的水文測站，并準(zhǔn)確定位所在測站，為快捷錄入提供便利。

2) 測驗任務(wù)

根據(jù)《測站任務(wù)書》《測驗任務(wù)書》等，對測驗任務(wù)進(jìn)行梳理和量化，并制定測驗計劃，按時自動提醒測驗人員；另外根據(jù)江河水情變化情況，擬定測驗提醒條件，當(dāng)滿足測驗時機(jī)時，自動下達(dá)監(jiān)測任務(wù)，提醒測驗人員開展應(yīng)急監(jiān)測工作。

3)人員信息

將測驗人員所在組織機(jī)構(gòu)、人員姓名、聯(lián)系方式(如手機(jī)號碼)等在“用戶管理”模塊進(jìn)行初始化，并根據(jù)人員崗位和測驗工作分工對操作權(quán)限進(jìn)行分配授權(quán)，保障測驗各環(huán)節(jié)的可溯性和安全性。

4)設(shè)備信息

將走航式ADCP、流速儀、水準(zhǔn)儀等儀器設(shè)備的基本信息、工況信息、在庫及有效狀態(tài)等在云平臺“儀器設(shè)備”模塊進(jìn)行初始化，保障水文測驗順利進(jìn)行和成果有效性。如在測驗前預(yù)先維護(hù)流速儀的轉(zhuǎn)速比和計算公式等信息，測驗現(xiàn)場掃描后可根據(jù)信號數(shù)和測流歷時，實時計算測點流速。

3.2 測驗流程

1)考證測量

考證測量主要包括水準(zhǔn)、水尺、大斷面等，如水準(zhǔn)測量，采用光學(xué)水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(如圖2所示)，可將觀測數(shù)據(jù)現(xiàn)場即時錄入APP移動端，實時傳輸至云平臺并自動計算，逐站提醒測驗合理性，測驗完成后自動生成測驗成果，自動判斷并提醒測驗人員處理，校審流程完成后，自動生成符合規(guī)范要求的“水準(zhǔn)點高程考證表”；采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測時，可自動讀取測驗文件，自動生成“測驗記載簿”“水準(zhǔn)點高程考證表”等。

圖2 水準(zhǔn)測量往返測過程(APP移動端)示意

2)水位觀測

通過人工觀讀水尺讀數(shù)，將讀數(shù)錄入APP移動端，云平臺根據(jù)水尺零點高程自動計算對應(yīng)水尺的水位；也可校核遙測水位，如兩者超過規(guī)范允許誤差范圍，則自動提醒，校審流程完成后，自動生成“校核水位記載簿”。

3) 流量測驗

流量測驗常用方法有流速儀法、浮標(biāo)法、比降面積法、ADCP航測、非接觸式雷達(dá)流速儀測流、視頻測流等，云平臺均有融合對接。目前最為常用的是ADCP航測，云平臺能讀取進(jìn)口、國產(chǎn)多個品類走航式ADCP測驗文件，經(jīng)自動計算、數(shù)據(jù)同步和成果信息自校正等，解析并自動生成定制的符合規(guī)范的“流量測驗記載表”[11]。

4)蒸發(fā)觀測

測驗人員將觀測到的蒸發(fā)器皿水面高度數(shù)據(jù)在現(xiàn)場即時錄入APP移動端，云平臺自動計算前日蒸發(fā)量、分析統(tǒng)計特征值等，也可校核自動蒸發(fā)設(shè)備觀測數(shù)據(jù)。自動生成定制的符合規(guī)范的“蒸發(fā)觀測記載表”。

5)含氯度、泥沙測驗

含氯度、泥沙測驗均為水樣化驗作業(yè)，采樣時可在現(xiàn)場同步采樣時間、水尺水位、起點距等，記錄斷面和垂線位置、水樣標(biāo)號和體積等信息，在現(xiàn)場(含氯度)或?qū)嶒炇?泥沙)錄入實驗數(shù)據(jù)，自動生成各類記載表、計算表。

3.3 測驗成果

1)結(jié)果校審

如流量測驗，云平臺可自動將流量測點數(shù)據(jù)點繪在該站水位～流量、水位～斷面面積、水位～水面寬、水位～流速等關(guān)系曲線圖上，輔助檢查點線偏離情況，可實現(xiàn)測驗成果現(xiàn)場合理性檢查；流速儀測流過程中還可自動生成起點距～水深～流速分布圖，輔助檢查測驗參數(shù)信息合理性；云平臺還支持套匯上下游水文站流量過程線，輔助檢查流量、水量合理性。測驗人員在現(xiàn)場利用輔助檢查功能檢查數(shù)據(jù)無誤后，將測驗結(jié)果一鍵提交校審人員，校審人員進(jìn)一步檢查、復(fù)核測驗成果完整性、合理性。完成“四隨”流程后，測驗成果最終自動入庫、云存儲，為資料整編、預(yù)警預(yù)報作業(yè)等提供及時、準(zhǔn)確的實測數(shù)據(jù)信息(見圖3～圖5及表1)。

表1 垂線間流量測驗計算分析

圖3 流速儀法流量測驗計算成果示意

圖4 流量測驗成果點線偏離情況輔助檢查示意

圖5 水深流速橫向分布示意

2)成果展示

測驗成果數(shù)據(jù)入庫后，測點數(shù)據(jù)會自動點繪在水位～流量關(guān)系曲線、水位過程線、流量過程線等曲線圖上，在大斷面圖上展示測時水位、流量信息，在測次頁面上展示各種測驗參數(shù)信息等。

3)數(shù)據(jù)共享

如流量測驗成果，通過實時共享，將參與斷面輸沙率等計算，自動積累流量、泥沙等年度整編基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；預(yù)報人員或分析評價人員可在云平臺中實時獲取準(zhǔn)確的最新的實測數(shù)據(jù)，為滾動預(yù)報作業(yè)、應(yīng)急處置、水資源評價考核等提供及時、準(zhǔn)確、重要的參考信息。

4 實例應(yīng)用

自云平臺在廣東省水文系統(tǒng)內(nèi)部投入使用以來，得到了各水文分局的廣泛好評。截至2023年5月，注冊用戶約400人，各類站點近2 500個，儀器設(shè)備3 000余部，法規(guī)文檔資料共享40余條。

測驗人員應(yīng)用云平臺開展常規(guī)巡測和應(yīng)急監(jiān)測，利用APP移動端現(xiàn)場監(jiān)測水位、流量、大斷面、流量等多個水文要素，自動計算和輸出結(jié)果，即時點圖成表，現(xiàn)場在線分析校審，成果實時上傳云平臺，極大提高了水文監(jiān)測工作效率和成果的時效性、準(zhǔn)確率，為防汛抗旱、水資源管理保護(hù)和水生態(tài)文明建設(shè)提供了更加科學(xué)、及時、準(zhǔn)確的實測資料依據(jù)，發(fā)揮了重要作用(見圖6～圖7)。

圖6 水文監(jiān)測站點“一張圖”展示示意

圖7 水文監(jiān)測情況總覽示意

5 結(jié)語

1)水文現(xiàn)代化是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)性、先行性工作。作為水文基礎(chǔ)性工作，水文監(jiān)測業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢在必行。本文提出的基于云平臺的水文監(jiān)測數(shù)字化方法及應(yīng)用實踐，其推廣應(yīng)用符合打造現(xiàn)代水文監(jiān)測體系的要求，將進(jìn)一步提高水文監(jiān)測工作效率、信息化水平和服務(wù)能力，有力助推我省水文現(xiàn)代化建設(shè)，為實現(xiàn)“三個水文”發(fā)展戰(zhàn)略、助推廣東水文高質(zhì)量發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)，為廣東現(xiàn)代水利、數(shù)字政府和粵港澳大灣區(qū)建設(shè)貢獻(xiàn)水文智慧。

2)根據(jù)水文現(xiàn)代化建設(shè)最新要求，隨著水文科技發(fā)展、新技術(shù)新設(shè)備不斷革新，需要進(jìn)一步完善水文監(jiān)測數(shù)字化方法研究，拓展更多測驗方式的融合對接，打造云平臺測驗方式“匯聚地”和測驗信息“集散地”，持續(xù)推進(jìn)水文監(jiān)測業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，不斷助力水文現(xiàn)代化建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展[12-15]。