基于云平臺(tái)的水文監(jiān)測(cè)數(shù)字化方法及應(yīng)用

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(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(kāi)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(cè)是基礎(chǔ)性的水文工作。新時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)和水利發(fā)展對(duì)水文提出了新的更高要求，水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)量成倍增多，水文涉及服務(wù)社會(huì)的領(lǐng)域越來(lái)越廣，水文監(jiān)測(cè)與服務(wù)能力亟待進(jìn)一步提升。同時(shí)，傳統(tǒng)水文監(jiān)測(cè)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(jì)算及成果手工錄入上機(jī)等，出錯(cuò)率高，成果時(shí)效性低，監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)融合度低，內(nèi)部管理難度大。

本文針對(duì)水文各類監(jiān)測(cè)要素，對(duì)監(jiān)測(cè)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(tái)進(jìn)行梳理和設(shè)計(jì)，對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)整合、自動(dòng)同步，將傳統(tǒng)水文監(jiān)測(cè)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒉杉治鲞\(yùn)用等整體數(shù)字化的實(shí)施過(guò)程，實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為數(shù)字孿生水文建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1-9]。

2 云平臺(tái)功能設(shè)計(jì)和特色

2.1 平臺(tái)組成

云平臺(tái)即水文監(jiān)測(cè)綜合管理平臺(tái)，是惠州水文分局試點(diǎn)“互聯(lián)網(wǎng)+水文監(jiān)測(cè)”的研究成果，包含3個(gè)部分，PC網(wǎng)頁(yè)端、APP移動(dòng)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(jiàn)圖1)。云平臺(tái)采用B/S+APP結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)，PC網(wǎng)頁(yè)端支持業(yè)務(wù)查詢、成果報(bào)表下載及系統(tǒng)管理，APP移動(dòng)端支持測(cè)驗(yàn)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(cè)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的計(jì)算與存儲(chǔ)。

2.2 功能特色

云平臺(tái)充分利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，打造了水文監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流、管理流，做實(shí)做細(xì)“六個(gè)更”，賦能水文監(jiān)測(cè)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(cè)驗(yàn)規(guī)范等固化測(cè)算算法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，異常提醒或報(bào)錯(cuò)，且自動(dòng)同步計(jì)算參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)分析計(jì)算自動(dòng)化、規(guī)范化、智能化。

2)集約管理更有序。組織機(jī)構(gòu)、測(cè)驗(yàn)人員、測(cè)站、基礎(chǔ)設(shè)施及儀器設(shè)備、測(cè)驗(yàn)成果等信息納入云平臺(tái)“一張網(wǎng)”“一張圖”“一個(gè)庫(kù)”，實(shí)現(xiàn)分散信息集約、有序、動(dòng)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(jiàn)范圍內(nèi)賦予權(quán)限操作，有效保障水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)安全。

4)成果生成更快捷。“四隨”工作實(shí)時(shí)在線，測(cè)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)計(jì)算和輸出結(jié)果，在線分析校審，成果實(shí)時(shí)上傳云平臺(tái)，即時(shí)點(diǎn)圖成表，極大提高成果時(shí)效性和準(zhǔn)確率。目前平臺(tái)已覆蓋水位、流量、蒸發(fā)、大斷面、水準(zhǔn)點(diǎn)、水尺零點(diǎn)高程、含氯度、泥沙(單沙斷沙)等八大要素。以單站水準(zhǔn)測(cè)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(cè)驗(yàn)及成果的日清月結(jié)，應(yīng)用云平臺(tái)，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(cè)驗(yàn)設(shè)備到云端的鏈條，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接、互聯(lián)互通。如走航式ADCP，目前兼容進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)等6種主流品類設(shè)備測(cè)驗(yàn)文件的標(biāo)準(zhǔn)化解析和一鍵導(dǎo)入。

6)移動(dòng)辦公更高效。采用B/S+APP結(jié)構(gòu)，PC網(wǎng)頁(yè)端、APP移動(dòng)端等多終端支持，滿足移動(dòng)辦公需求，隨時(shí)隨地查看水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)，監(jiān)控測(cè)驗(yàn)任務(wù)執(zhí)行情況。測(cè)驗(yàn)動(dòng)態(tài)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、成果展示等實(shí)時(shí)自動(dòng)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(cè)數(shù)字化方法

3.1 測(cè)驗(yàn)準(zhǔn)備

1)測(cè)站信息

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

2) 測(cè)驗(yàn)任務(wù)

根據(jù)《測(cè)站任務(wù)書(shū)》《測(cè)驗(yàn)任務(wù)書(shū)》等，對(duì)測(cè)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行梳理和量化，并制定測(cè)驗(yàn)計(jì)劃，按時(shí)自動(dòng)提醒測(cè)驗(yàn)人員；另外根據(jù)江河水情變化情況，擬定測(cè)驗(yàn)提醒條件，當(dāng)滿足測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)時(shí)，自動(dòng)下達(dá)監(jiān)測(cè)任務(wù)，提醒測(cè)驗(yàn)人員開(kāi)展應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作。

3)人員信息

將測(cè)驗(yàn)人員所在組織機(jī)構(gòu)、人員姓名、聯(lián)系方式(如手機(jī)號(hào)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(cè)驗(yàn)工作分工對(duì)操作權(quán)限進(jìn)行分配授權(quán)，保障測(cè)驗(yàn)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(kù)及有效狀態(tài)等在云平臺(tái)“儀器設(shè)備”模塊進(jìn)行初始化，保障水文測(cè)驗(yàn)順利進(jìn)行和成果有效性。如在測(cè)驗(yàn)前預(yù)先維護(hù)流速儀的轉(zhuǎn)速比和計(jì)算公式等信息，測(cè)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)掃描后可根據(jù)信號(hào)數(shù)和測(cè)流歷時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算測(cè)點(diǎn)流速。

3.2 測(cè)驗(yàn)流程

1)考證測(cè)量

考證測(cè)量主要包括水準(zhǔn)、水尺、大斷面等，如水準(zhǔn)測(cè)量，采用光學(xué)水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)(如圖2所示)，可將觀測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)錄入APP移動(dòng)端，實(shí)時(shí)傳輸至云平臺(tái)并自動(dòng)計(jì)算，逐站提醒測(cè)驗(yàn)合理性，測(cè)驗(yàn)完成后自動(dòng)生成測(cè)驗(yàn)成果，自動(dòng)判斷并提醒測(cè)驗(yàn)人員處理，校審流程完成后，自動(dòng)生成符合規(guī)范要求的“水準(zhǔn)點(diǎn)高程考證表”；采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，可自動(dòng)讀取測(cè)驗(yàn)文件，自動(dòng)生成“測(cè)驗(yàn)記載簿”“水準(zhǔn)點(diǎn)高程考證表”等。

圖2 水準(zhǔn)測(cè)量往返測(cè)過(guò)程(APP移動(dòng)端)示意

2)水位觀測(cè)

通過(guò)人工觀讀水尺讀數(shù)，將讀數(shù)錄入APP移動(dòng)端，云平臺(tái)根據(jù)水尺零點(diǎn)高程自動(dòng)計(jì)算對(duì)應(yīng)水尺的水位；也可校核遙測(cè)水位，如兩者超過(guò)規(guī)范允許誤差范圍，則自動(dòng)提醒，校審流程完成后，自動(dòng)生成“校核水位記載簿”。

3) 流量測(cè)驗(yàn)

流量測(cè)驗(yàn)常用方法有流速儀法、浮標(biāo)法、比降面積法、ADCP航測(cè)、非接觸式雷達(dá)流速儀測(cè)流、視頻測(cè)流等，云平臺(tái)均有融合對(duì)接。目前最為常用的是ADCP航測(cè)，云平臺(tái)能讀取進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)多個(gè)品類走航式ADCP測(cè)驗(yàn)文件，經(jīng)自動(dòng)計(jì)算、數(shù)據(jù)同步和成果信息自校正等，解析并自動(dòng)生成定制的符合規(guī)范的“流量測(cè)驗(yàn)記載表”[11]。

4)蒸發(fā)觀測(cè)

測(cè)驗(yàn)人員將觀測(cè)到的蒸發(fā)器皿水面高度數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)錄入APP移動(dòng)端，云平臺(tái)自動(dòng)計(jì)算前日蒸發(fā)量、分析統(tǒng)計(jì)特征值等，也可校核自動(dòng)蒸發(fā)設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)。自動(dòng)生成定制的符合規(guī)范的“蒸發(fā)觀測(cè)記載表”。

5)含氯度、泥沙測(cè)驗(yàn)

含氯度、泥沙測(cè)驗(yàn)均為水樣化驗(yàn)作業(yè)，采樣時(shí)可在現(xiàn)場(chǎng)同步采樣時(shí)間、水尺水位、起點(diǎn)距等，記錄斷面和垂線位置、水樣標(biāo)號(hào)和體積等信息，在現(xiàn)場(chǎng)(含氯度)或?qū)嶒?yàn)室(泥沙)錄入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成各類記載表、計(jì)算表。

3.3 測(cè)驗(yàn)成果

1)結(jié)果校審

如流量測(cè)驗(yàn)，云平臺(tái)可自動(dòng)將流量測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(diǎn)線偏離情況，可實(shí)現(xiàn)測(cè)驗(yàn)成果現(xiàn)場(chǎng)合理性檢查；流速儀測(cè)流過(guò)程中還可自動(dòng)生成起點(diǎn)距～水深～流速分布圖，輔助檢查測(cè)驗(yàn)參數(shù)信息合理性；云平臺(tái)還支持套匯上下游水文站流量過(guò)程線，輔助檢查流量、水量合理性。測(cè)驗(yàn)人員在現(xiàn)場(chǎng)利用輔助檢查功能檢查數(shù)據(jù)無(wú)誤后，將測(cè)驗(yàn)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(cè)驗(yàn)成果完整性、合理性。完成“四隨”流程后，測(cè)驗(yàn)成果最終自動(dòng)入庫(kù)、云存儲(chǔ)，為資料整編、預(yù)警預(yù)報(bào)作業(yè)等提供及時(shí)、準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信息(見(jiàn)圖3～圖5及表1)。

表1 垂線間流量測(cè)驗(yàn)計(jì)算分析

圖3 流速儀法流量測(cè)驗(yàn)計(jì)算成果示意

圖4 流量測(cè)驗(yàn)成果點(diǎn)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(cè)驗(yàn)成果數(shù)據(jù)入庫(kù)后，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)點(diǎn)繪在水位～流量關(guān)系曲線、水位過(guò)程線、流量過(guò)程線等曲線圖上，在大斷面圖上展示測(cè)時(shí)水位、流量信息，在測(cè)次頁(yè)面上展示各種測(cè)驗(yàn)參數(shù)信息等。

3)數(shù)據(jù)共享

如流量測(cè)驗(yàn)成果，通過(guò)實(shí)時(shí)共享，將參與斷面輸沙率等計(jì)算，自動(dòng)積累流量、泥沙等年度整編基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；預(yù)報(bào)人員或分析評(píng)價(jià)人員可在云平臺(tái)中實(shí)時(shí)獲取準(zhǔn)確的最新的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為滾動(dòng)預(yù)報(bào)作業(yè)、應(yīng)急處置、水資源評(píng)價(jià)考核等提供及時(shí)、準(zhǔn)確、重要的參考信息。

4 實(shí)例應(yīng)用

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

測(cè)驗(yàn)人員應(yīng)用云平臺(tái)開(kāi)展常規(guī)巡測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)，利用APP移動(dòng)端現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水位、流量、大斷面、流量等多個(gè)水文要素，自動(dòng)計(jì)算和輸出結(jié)果，即時(shí)點(diǎn)圖成表，現(xiàn)場(chǎng)在線分析校審，成果實(shí)時(shí)上傳云平臺(tái)，極大提高了水文監(jiān)測(cè)工作效率和成果的時(shí)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(shí)、準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)資料依據(jù)，發(fā)揮了重要作用(見(jiàn)圖6～圖7)。

圖6 水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)“一張圖”展示示意

圖7 水文監(jiān)測(cè)情況總覽示意

5 結(jié)語(yǔ)

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(cè)業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。本文提出的基于云平臺(tái)的水文監(jiān)測(cè)數(shù)字化方法及應(yīng)用實(shí)踐，其推廣應(yīng)用符合打造現(xiàn)代水文監(jiān)測(cè)體系的要求，將進(jìn)一步提高水文監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)“三個(gè)水文”發(fā)展戰(zhàn)略、助推廣東水文高質(zhì)量發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)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(cè)數(shù)字化方法研究，拓展更多測(cè)驗(yàn)方式的融合對(duì)接，打造云平臺(tái)測(cè)驗(yàn)方式“匯聚地”和測(cè)驗(yàn)信息“集散地”，持續(xù)推進(jìn)水文監(jiān)測(cè)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]。