新疆他什店数字化水文站建设及运行分析

时间：2024-07-28

周红

（新疆水文水资源局，新疆乌鲁木齐 830000）

0 引言

近年来数字化技术迅猛发展，呈现出非常广阔的应用前景，数字化水文站建设在国内很多地方已有比较成功的经验[1]。但是新疆地域辽阔，截止到2012 年底，只有国家基本水文站 132 个，且大多处在偏远山区，站网布设少且不合理。为满足社会经济发展需求，以数字化技术为手段提高水文站的测报能力，对改变新疆自动测报水平显得尤其重要。

新疆他什店水文站建于 1981 年，属国家重要水文站和报汛站，测验河段地处孔雀河上游段，是迄今为止开都河、孔雀河流域通过孔雀河向塔里木河（以下简称塔河）输水的水量控制站，在塔河水量调度中具有十分重要的作用。为了改变原先他什店水文站使用的测验设施和设备陈旧落后，测验方式传统原始的状况，2003 年塔河综合治理工程将该站列为重要的水量调度控制站，并对基础设施进行了现代化改造，具备了实现数字化水文站的基础条件，目前他什店水文站已成为具有先进技术装备和管理系统的新疆第 1 座数字化水文站，为新疆数字化水文站建设起到示范作用。

1 他什店数字化水文站组成

他什店数字化水文站分为 4 层体系结构，底层为数据采集层，利用各种传感器将所需数据采集至前端 RTU 中，数据传输采用有线方式；第 2 层为数据传输层，将前端 RTU 采集到的数据经数字化处理后，通过多种通讯方式传输至网络，主要有RS-485、无线超短波、光纤等多种通讯形式；第 3层为计算机局域网结构，通过局域网连接服务器、接收处理计算机和查询工作站，可在任何工作站上进行水文信息的实时查询及管理；最上层为广域网结构，可与上级主管部门进行信息传输，同时也可通过广域网查询水文站的实时采集信息[2]。他什店数字化水文站结构如图1 所示。

2 各子系统构成及功能

2.1 数据采集层系统

2.1.1 水位自动监测系统[3]

水位自动监测系统主要由超声波水位计、水温传感器、无线电台、超声波水位显示设备等组成。可实现以下功能：1）定时采集水位、水温数据（可自定义采集时间）；2）水位、水温数据自动存储功能；3）水位、电压、故障报警功能。

图1 他什店数字化水文站结构

2.1.2 流量自动监测

流量自动监测系统可实时测量全断面的断面流速和流量，主要由走航式 ADCP、笔记本电脑（备用数据采集平台）、串口通讯服务器、通讯传输设备、电源等组成。系统工作时，只需对走航式 ADCP 进行集成，通过光纤网络远程进行 ADCP 测流。

2.1.3 气象多参数自动测报

气象多参数自动测报系统主要由遥测雨量计、蒸发器，气温、湿度、风速、风向传感器，以及遥测数传终端、蓄电池、直流稳压源、485 转换器、百叶箱等设备组成。可实现以下功能：1）实时采集雨量、蒸发量、气温、湿度、风速、风向等水文气象要素；2）采集数据自动存储功能。

2.1.4 视频监控设施

视频监控子系统由摄像机、硬盘录像机、可变焦镜头、室外防护罩、室外全向云台等设备组成，通过光纤网络将监测采集的图像数据传送至中控室。可实现以下功能：1）实时采集视频信号；2）视频服务器可实现对云台的操作控制；3）视频计算机可实现对镜头的变焦控制；4）视频信号可实时录像。

2.2 数据传输系统

数据传输系统负责将前端监控设施采集到的水文数据实时传输至中心站点的计算机网络，以便于网络内的计算机对其进行分析与处理。

1）水位测量数据传输。本项目中的水位断面距中心机房约 480 m，通过超声波水位计将采集的水位数据传输至观测房前端 RTU。通过无线电台通讯系统与中心站实现通信，同时在观测房增建水温传感器 1 台，与水位数据一起传输至中心机房。

2）流量数据传输。自动流量测量（ADCP）系统距中心站 480 多 m，在观测房增加 1 台 RS-232 转换网口的设备，由光纤通过交换机转 RS-232 远程进行 ADCP 测流，再将每次测量结果转送数据库。

3）远程监视图像传输和查询。在观测房通过网络交换机、光纤收发器将远程监视图像传输至中心站内的网络交换机，中心站点的工作站通过远程方式，实现现场所有实时图像的调阅及录像的查询，也可对全方位云台及摄像机的焦距进行调整和控制。

4）气象测量参数传输。气象场距中心站 40 m，将所有气象测量参数由设在现场的数据采集仪采集存储，利用 RS-485 通讯传输至中心站计算机。

2.3 中心控制系统

中心控制系统是各项信息接收处理的核心。利用信息接收处理软件，实现对水位、水温、流量、多参数气象信息的接收和初步处理及入库；同时对入库信息进行加工处理，生成所需的数据；再利用信息服务软件实现对各种入库信息的管理、存贮、处理、实时监测、查询、分析等。

2.3.1 数据的实时接收入库

2.3.2 数据的处理及报文生成

数据的处理软件利用触发器技术，将实时采集的入库数据，在满足指定的条件下，按照SL247-1999《水文资料整编规范》和《地面气象观测规范》的要求，分别计算出相应的日、旬和月值，同时装入国家实时雨水情数据库相应的日表或统计表中。同时从实时采集的数据值中挑选出相应的日、旬、月极值，装入相应的极值表中。因为水文与气象规范在执行标准时不完全一致，如降水、蒸发的观测在水文上以每日上午 8∶00 为日分界，而在气象上却以每日 20∶00 为日分界，因此数据处理时遵循的原则是先水文规范，后气象规范。

报文生成是按照 SL330-2005《水情信息编码标准》的要求，根据入库的实时、日、旬、月数据，在规定的每日、旬、月上午的 8∶00，分别编制成水情日、旬和月报，同时将形成的报文数据入库，并可随时将形成的报文发送至上级主管部门[4]。

2.3.3 实现的功能

中心控制系统主要包括以下几个功能：1）对实时采集数据的监控及超警戒报警。可以监控所采集的水位、水温、流量、降水、蒸发等要素，并对异常或超警戒水位、流量进行报警。2）数据的查询。可以对入库的所有项目实时数据和计算成果进行查询。3）数据的统计分析。可以对时段水量和雨量进行统计分析，并能点绘雨量、流量过程线图。4）用户管理。对用户和权限进行管理，保证数据使用的安全性。5）流量自动测量和计算。主要通过远程控制流量的自动测量和计算。6）视频监控。通过远程监控断面的水位变化。7）电源管理。通过远程控制观测房内电源的开关。8）报文发送。提取入库的报文，将其发送到指定目的地。

3 他什店数字化水文站运行分析

他什店数字化水文站于 2009 年 7 月安装调试完成，8 月进行了初验，年底进行了终验，并投入正式运行。为保证自动采集数据的质量，对自动监测与人工观测的数据值进行了对比分析。首先对自动采集入库的数据次数与根据设置要求应该入库的次数进行对比，分析数据入库的完整率；其次将自动采集入库的数据与人工观测数据值进行对比，以判断数据之间是否存在误差，误差是否满足测验规范的要求。由于数据较多，经分析在汛期数据变化比较频繁，绝对值误差相对较大，因此选取了 2012 年 7月 1 日至 8 月 17 日之间的数据，作为代表性数据进行分析。利用 1 个多月连续观测的数据进行对比，说明数据采集入库较及时，不存在漏传现象，因此只对数据的绝对误差进行分析。

根据他什店数字化水文站的情况，对于自动采集的水位、水温、蒸发及气温等数据设置为每小时入库 1 次。

课堂教学设计是根据课程标准的要求和教学对象的特点，将教学诸要素合理安排与优化组合，确定合适而有效的教学方案的设想和计划，它对课堂教学具有定向作用。一般主要包括教学内容(或课题)、教学目标、教学重点、教学难点、教学方法、教学过程等。在课堂教学设计中，要重视“四个围绕”：要围绕技能形成，能力培养、素养提升设计过程；要围绕知识系统优化整体设计；要围绕转变学习方式改进教学组织；要围绕效益提升整合教学策略。

3.1 水位对比分析

3.1.1 实时水位数据的对比分析

实时水位数据的对比分析是将 8 和 20 时自动采集与人工观测的水位数据进行对比分析。本次对比选取人工观测与自动采集的 96 次数据进行误差分析，其中绝对值差小于 2 cm 的有 93 次，占总测次数的 96.875%；绝对值差大于 2 cm 的有 3 次，其中最大的差值为 4 cm。逐时水位值误差对比分析如图2 所示。

图2 逐时水位值误差对比分析图

3.1.2 日平均水位的对比分析

日平均水位的计算方法分为面积包围法和算术平均法 2 种，当观测时距相等时，可采用算术平均法代替面积包围法。由于在他什店站水位采集时间为等时距，符合算术平均法水位计算要求，因此采用算术平均法计算（日平均水位计算以 0-24 时为 1 日）[5]24。

对水位日表中人工观测与自动采集的 48 次数据进行对比，绝对值差小于 2 cm 的有 46 次，符合规范要求的占总测次数的 95.83%；绝对值差大于 2 cm的 2 次中，最大的值差为 3 cm。逐日平均水位值误差对比分析如图3 所示。

图3 逐日水位值误差对比分析图

通过对比分析发现，虽然水位观测数据存在误差，但误差与仪器本身因素及数据采集和人工观测时间不完全一致有关系。根据分析结果，水位观测随机误差在测验范围之内，满足测验规范要求。

3.2 水温资料对比分析

自动观测日均值采用算术平均法计算，而人工只在每天 8 和 20 时进行观测，根据 SL247-1999《水文资料整编规范》规定，只将每日 8 时值作为日平均水温[5]61，因此与自动观测计算的结果存在一定的误差，经对比大部分误差在 1°C 左右，与算法有很大的关系。为此将自动采集水温日均值的计算方法改为与人工观测日均值的计算方法一致，这样可减小因计算方法不同造成的误差。

实时水温数据的对比分析是将 8 和 20 时自动采集和人工观测的水温进行对比分析。水温实时表中人工观测与自动采集的 96 次对比观测中，绝对值差小于 0.2°C 的有 70 次，占总测次数的 72.92%；绝对值差小于 0.4°C 的有 86 次，占总测次数的90%。

日平均水温对比分析是将 8 时的自动采集和人工观测位进行对比分析。在水温日表中人工观测与自动采集的 48 次对比观测中，绝对值差小于 0.2°C的有 43 次，绝对值差大于 0.2°C 的有 5 次，占总测次数的 10.4%。

根据对比分析结果，水温观测存在随机误差，也存在系统误差，虽然基本在测验范围之内，但需进一步对采集仪器进行校验，或通过修正测验数据校正系统误差，以满足测验规范要求。

3.3 降水资料对比分析

根据他什店数字化水文站降水采集情况，降水每达到 0.2 mm，自动采集仪进行 1 次操作和记录。降水量的统计只进行日值对照，人工观测计算方法为以前日 8 时至次日 8 时降水量累加总和作为前 1日观测量[5]64；自动观测计算方法是根据日时界划分要求，将该日自动采集的雨量总和进行累加求得日降水量。根据连续人工观测与自动采集的 48 次值进行对比分析，绝对值差小于 0.2 mm 的有 46 次，符合规范要求的占总测次的 95.83%。在绝对值差大于0.2 mm 的 2 次中最大的差值为 0.6 mm，另 1 次为0.3 mm。逐日降水量误差对比分析如图4 所示。

由于他什店数字化水文站处于干旱的塔里木盆地，降水量少，虽然总的精度较高，但是在有限的观测次数中绝对误差还是比较大的。由于仪器本身存在一定误差，既存在随机误差，也存在系统误差。因此需对雨量传感器进行校验，或通过修正测验数据校正系统误差，以满足测验规范要求。

图4 逐日降水量误差对比分析图

3.4 蒸发资料对比分析

蒸发量的统计只进行日值对照，人工观测计算方法为，以前日 8 时至次日 8 时的蒸发值作为前 1日观测量，根据前日 8 时蒸发量观测值减去次日 8时蒸发量观测值加上前日的降水量值为前日蒸发量值[5]65。自动采集计算方法是将不同时段的蒸发量进行累加求得。

蒸发日表中连续人工观测与自动采集的 48 次对比观测中，绝对值差都小于 0.2 mm 只有 11 次，占总测次数的 23%；小于 1.0 mm 的有 43 次，占总测次数的 90 %。

蒸发观测对比分析的绝对误差比较大，主要原因是仪器采用称重方式读取数据，本身存在一定误差，既有随机误差，也有系统误差。需进一步对采集仪器进行校验，或通过修正测验数据校正系统误差，以满足测验规范要求。

3.5 气温资料对比分析

气温自动观测日均值采用算术平均法计算，人工每天只进行 3 次观测（8，14，20 时），根据规范计算的结果与自动采集计算的结果存在一定的误差。根据两者计算结果，日平均值相差 1°C 左右，有些甚至更高，这与算法有很大的关系。而根据逐时观测值与人工值进行比测，误差绝对值大部分都小于日观测值误差。鉴于以上原因，将自动采集气温日均值的计算方法改为与人工观测日均值的计算方法一致，这样可减小因计算方法不同造成的误差。人工观测日平均值计算方法为当日 2，8，14，20 时气温观测值的算术平均值[6]。但 2 时气温的人工观测值为插补值，而自动采集为观测值，因此在这一点上也存在误差。日平均气温计算方法以每日20 时为日分界。

气温日表中连续人工观测与自动采集的 48 次对比观测中，绝对值差都大于 0.2 °C，但大部分小于1.0 °C，大于 1.0 °C 的有 4 次，占总测次数的 8.3%。

气温逐时表中人工观测与自动采集的 144 次对比观测中，绝对值差小于 0.2 °C 的有 45 次；大部分都介于 0.2～1.0 °C 之间；大于 1.0 °C 的有 10 次，占总测次的 6.94%。

气温的逐时和逐日观测与对比值之间存在的误差较大，有随机和系统误差，说明温度自动观测还存在一定问题，需要通过对仪器校准、环境条件控制等环节来减小系统误差的限值。