ADCP和OBS测量数据处理软件及应用

第45卷第13期 2 0 1 4年7月 人 民 长 江 53 2014 文章编号：10014179(2014)13002204 尧，陈建湘 (长江水利委员会长江中游水文水资源勘测局，湖北武汉430012) 摘要：感潮河流受上游来水和下游潮流的共同影响，水文要素变化迅速，需要通过建立转换关系获得流量和泥 沙数据。且数据量大，因此感潮河流在线水文资料的整编较为复杂。以深圳河在线水文泥沙观测资料为研究 对象。研制了具有可视化、智能化和集成化的水文资料整编、审查等数据后处理支持软件。实现了不同类型在 线监测设备监测资料的规范化整编，提高了感潮河段水文资料整编的精度。 关键词：感潮河流；在线观测；资料整编；后处理支持软件；水文泥沙；深圳河 中图法分类号：献标志码：A 深圳河受潮流和径流的双重作用，属于典型的感 潮河流。在深圳河河口治理的研究工作中，研究范围 以深圳河河口与深圳湾外海自然衔接断面作为边界条 件。深圳河河床淤积及河口红树林延伸可能会影响洪 水宣泄，抬高河口上游的沿程水面线，降低深圳河治理 工程的防洪效益。为此，需采用水沙数学模型及动床 物理模型试验，对改善河口泄流条件，提高深圳河防洪 能力的工程方案进行研究。 为掌握感潮区复杂的水文规律，需要搜集大量的 潮洪水文泥沙原型观测资料，长江委水文局受深圳市 治理深圳河办公室委托，开展了大量的潮洪水文观测 工作 J。由于在线观测资料数据量大，且国内外缺 乏潮洪资料整编的成熟方法，长江委水文局针对在线 水文泥沙测验的特点，在常规水文资料整编方法的基 础上研制出深圳河在线水文泥沙资料整编软件，即 “成功地应 用于深圳河连续水文测验和水文泥沙资料整编工作 中。该软件适用性强，提高了工作效率和整编精度，满 足了深圳河水文泥沙资料系统性和连续性的要求。 1 深圳河及站网布设情况 11深期圳河流域位于珠江口东侧，东经114。114。12 50”、北纬22。27 22。39 之间，属海湾水系。深圳河 发源于海拔2145 长3310 均 比降为140o，全流域面积3125 12站网布设情况 深圳河是深圳市的五大河流之一，其干流和支流 莲塘河是深圳、香港特区的界河。一级支流有7条，流 域现有潮(水)位站约40多个，潮(径)流站雨量站80多个。其中水(潮)位测站主要有鹿丹村、 沙湾、布吉河口、皇岗、笋岗闸站等；潮(径)流测站主 要有深圳河口、罗湖、梧桐河、鹿丹村、平原河口、布吉 河、草铺、福田、新洲河站等。深圳河流域水系及部分 径流、潮流站、床沙取样点布置示意见图1。 2测验方法和数据处理 21 测验方法 以往潮汐测验常常只有孤立、有限的测次，大多采 用常规方式进行水文测验。由于潮流河段涨落潮转换 时间短，常规流量测验方法耗时相对较长，不易测到潮 流量变化的全过程。目前国内外已经广泛采用走航式 声学多普勒流速仪(行流量测验。方法耗时相对较短，测验精度能满足国家有关标准 的要求 ，能较好地测验感潮河段的潮流量变化过 程。而深圳河治理需要收集长期的水文要素过程，所 收稿日期：20140416 作者简介：吴 尧，女，工程师，主要从事水文测验、水文资料整编和汇刊工作。E13期 吴 尧，等：3 O o o o o O 图1 深圳河水系部分径流、潮流站、床沙取样点布置示意 以深圳河流量测验主要采用声学多普勒流速仪(潮(水)位、流速、流向和含沙量在线监测采用的 测验方法为指标流速法(代表线法)、，并用测量资料推求连续的水文要素时间序列。 22 数据处理 深圳河流域水沙特性复杂，其支流具有山溪性河 流的特点，干流受潮汐影响明显。影响径流站水位流 量关系的因素较多，其中洪水涨落、变动回水影响是主 要因素；潮流站与全断面平均流速、断面含沙量的关系均因涨落潮 和支流来水(潮)来沙不同而有所不同。对于不同的 影响因素，其整编方法也不同 。因此，不论是径流 站的流量、泥沙整编还是潮流站的潮流量、泥沙整编， 其方法的选择至关重要，也是深圳河定期连续水文测 验及分析任务的关键环节。 深圳河流域水文测验采用了航式设备，因断面水深、流态的复杂性各种安装方式不 同，增加了资料整编的难度和适应性。由于在线监测 数据量非常大，对收集到的数据进行正确处理非常重 要，也是资料整编的重要环节。为满足潮流河段数据 收集、分析和整编的要求，利用交互式水文测验方式， 对连续测验的实测流量与输沙率资料的整编方法进行 了研究，开发了感潮河段处理软件。 3 应用长江委水文局成熟的水文资料整编方法和 整编软件的基础上，提出了适合于深圳河的资料整编 方法，编制了相应的整编软件感潮河段及照分段、降雨期或 非降雨期分别确定综合关系，建立经验公式，通过表性法)、别推算的潮流过程、断沙过程，计算逐时潮流量、输 沙率(含沙量)，保证了整编的精度。 31 软件开发目标 以深圳河水文资料整编为开发对象，运用计算机 软件技术，开发满足水文资料审查、整编等各个环节数 据处理要求的后处理软件，以便进行各项水文资料单 站合理性检查、综合性合理性检查。 32软件设计原理 软件开发设计立足于深圳河流域水文泥沙整编， 主要针对深圳河流域的潮流量测验代表性法)连续在线监测、走航式24 人 民 长 江 含沙量择 合适的整编方法和原理进行设计。 33软件设计思路和结构 把测站先进的测验设备和计算机应用相结合，目 的是让计算机代替人工来处理大量而又繁琐的数据处 理和计算工作，以提高工作效率，降低劳动强度和提高 潮流河段资料整编质量。根据这一思路设计的软件结 构及其功能模块如图2所示。 感潮河段口界面 数簇 I 输出模块 模块 l l 模块 l l 模块 l l l l 羹l1 l l I1 l l耋 l l薹 l 2软1牛结构 该软件中水文数据库管理子系统是存储、分析、统 计、评价、查询、更新、制图等核心内容，也是整个系统 的重要组成部分，需具备对数据库结构操作、属性数据 内容操作、数据逻辑运算、属性数据检索、从属性数据 到图象的查询、水文数据报表输出等功能。 34 软件功能 软件集数据处理和资料整编及月报表输出为一 体，数据处理功能强大，智能化好、可视性强和操作简 单，人机交互亲切，软件操作界面见图3。 图3软件操作界面 程序适用于潮水位、大断面资料以及水平式H 视型阔龙点流速计、量、含沙量 的计算、修改和数据后处理工作。其整编成果按测验 规范要求形成实测潮流量成果表、实测潮流输沙率成 果表、实测潮流含沙量成果表、流速观测月报、流量观 测月报、含沙量观测月报、输沙率观测月报等文件和每10 沙结果文本文件，满足 一线多站、一站多线的综合对照检查功能以及成果输 出。输出成果以生成电子表格为主，过程线、关系曲线 可保存为35 输入输出 (1)输入功能。导入深圳河航式测设备的采集数据 。在数据库的写入时，支持水 文资料的补充录入、不同数据格式的转换和不同水文 监测系统数据的接受、预处理、存储、检查、编辑、修改 和处理，可以辅以图表形式进行合理性检查。 (2)计算功能。支持数据的接受、预处理、计算， 并进行检查、筛选、平均、相关计算等处理。 以流量计算为例：首先根据在线流速监测设备提 取剖面(或单元区间)的平均流速、流向数据，依据实 测流向与断面方位角判别涨、落潮流。在导人各次潮 流验证的实测流量数据后，检查瞬时潮位与计算流速 的关系，并对照面积、流向等做合理性检查，剔除或修 改错误的数据。经过粗差处理获得相对合理的各单元 流速，选定各种代表流速单元组合方案。 计算模块还可以绘制实测流速(计算的指标流 速)过程、水位过程、降雨柱状图，根据水位涨落率过 程判别流速过程数据的合理性。通过实测流速与，根据相应时刻的潮位计算断面过水面积推算流量。 (3)输出功能。以站为对象，按指定时间范围检 索数据库，供用户预览数据、输出潮位、断面、流速、流 量、含沙量、输沙率的整编成果电子表格和图形，满足 用户的不同需求。软件的输入和输出内容见表1。 表1软件输入输出统计 I水位过程线图；2登库 1水位一面积关系曲线；2大断 面成果表；3登库 3 流速自容记录数据(时间、单计算机绘图，数据修正，代1单元流速分布图；2上下游对 元或分层流速、水温、水深表流速、指标流速计算，断照图；3流速观测月报表；4逐日 等) 面平均流速计算 水温统计表；5登库 4 流量计算机采集(据修正，计1一图多线对照；2上下游对照 系统) 算、定线 图；3实测潮流量成果表；4潮流 量观测月报表；5登库 5 含沙量1自容记录数据(时间、计算机绘图，数据修正，计1浊度率定关系曲线；2垂线含 浊度等)；2垂线含沙量；算、定线 沙量成果表；3实测含沙量成果 3浊度率定数据 表；4含沙量观澍月报表；5登库 6输沙率 计算机绘图，计算、定线 1点一断含沙量关系曲线；2实 测输沙率成果表；3输沙率观测 月报表；4登库 修 据 教 图 图 绘 绘 机 机 算 算 问 点 时 起 呲 储 人程 存位录高 态水据底 固溅数河 触 第13期 吴 尧，等：5 4潮流量、输沙率(含沙量)整编 首先提取在线监测设备水位、流速、浊度等自记记 录，利用软件系统并辅以图形的形式帮助查错，对测验 数据进行审查，导入各次潮流验证的大断面后，拟合出 水位面积关系，用于计算对应时间段潮位标准断 面的面积。然后对采集的单元流速或垂线流速分布， 选择合适的方案拟合代表流速或指标流速；并对水 位断面面积、代表线流速断面平均流速、代表 点浊度点含沙量断面平均含沙量进行相关分 析，采用最小二乘法拟合关系曲线；最后推算出逐时潮 流量、输沙率(含沙量)过程。 5结语 该软件由于设计思路合理、测验方法及整编方案 应用正确，经过2004年9月2013年12月深圳河连 续水文测验和同步水文测验及资料整编工作，证明其 操作性强，成果合理可靠。 针对潮洪混杂情形下的水文资料整编问题，结合 在深圳河流域应用的新设备和新技术，以深圳河水文 资料整编的问题为开发对象，运用计算机软件技术，开 发了智能化的、可视化的、集成化的水文资料整编、审 查等数据后处理软件，实现了不同类型在线监测设备 资料观测数据的规范整编；提高了在线资料的整编精 度，显著地改善了工作效率。该软件有一定通用性和 适用性，可以应用于类似潮洪河流的资料整编中。 参考文献： 1 吴尧，陈建湘深圳潮洪河流水文泥沙在线观测及整编方法J 人民长江，2014，45( 2 陈建湘，徐剑秋深圳河潮流水文特性分析J长江工程职业技 术学院学报，2006，23(6) 3 水利部长江水利委员会水文局水文资料整编规范012 M北京：中国水利水电出版社，2012 4 水利部长江水利委员会水文局声学多普勒流量测验规范2006M北京：中国水利水电出版社，2006 5 沈鸿金潮水流沙资料整编系统程序的研究J人民珠江， 1990，(6) 6 中华人民共和国水利部水文数据固态存储装置通用技术条件 013M北京：中国水利水电出版社，2013 (编辑：常汉生) BS U 30012，A Oby n be to in to of a is n onof of is s a by is of of is on简讯 水利部第八核查组完成对安徽、西藏水利安全生产信息填报核查工作 根据水利部办公厅关于组织做好水利安全生产信息填报 工作的通知(办安监函2014297号)、水利部办公厅关于水 利安全生产信息填报工作进行核查验收的通知(办安监函 2014481号)