基于云平台的水文监测数字化方法及应用

李崇勇，廖叶颖，李仕豪

(广东省水文局惠州水文分局，广东 惠州 516003)

1 概述

水文是国民经济和社会发展的基础性公益事业，为防汛减灾、涉水工程建设、水资源开发利用、管理和水生态文明建设等提供基础数据支撑和决策依据。水文监测是基础性的水文工作。新时期经济社会和水利发展对水文提出了新的更高要求，水文监测站点数量成倍增多，水文涉及服务社会的领域越来越广，水文监测与服务能力亟待进一步提升。同时，传统水文监测工作模式的弊端日益凸显，如还存在手工纸质记载、人工计算及成果手工录入上机等，出错率高，成果时效性低，监测业务融合度低，内部管理难度大。

本文针对水文各类监测要素，对监测任务、设施设备、四随流程、质控措施、数据展示和数据共享等，基于云平台进行梳理和设计，对多源异构数据进行标准化系统整合、自动同步，将传统水文监测方式转变为信息采集分析运用等整体数字化的实施过程，实现水文监测数字化转型，为数字孪生水文建设奠定坚实基础[1-9]。

2 云平台功能设计和特色

2.1 平台组成

云平台即水文监测综合管理平台，是惠州水文分局试点“互联网+水文监测”的研究成果，包含3个部分，PC网页端、APP移动端(iOS客户端、Android客户端)和数据服务；架构有数据层、业务层、通讯层、解析层和应用层(见图1)。云平台采用B/S+APP结构开发，PC网页端支持业务查询、成果报表下载及系统管理，APP移动端支持测验原始数据的收集与初步成果展示，数据服务提供测验原始数据的计算与存储。

2.2 功能特色

云平台充分利用大数据、云计算等技术，打造了水文监测业务流、数据流、管理流，做实做细“六个更”，赋能水文监测数字化转型。

1)固化算法更规范。根据水文学原理和水文测验规范等固化测算算法，对现场观测的数据进行实时判断，异常提醒或报错，且自动同步计算参数，自动计算结果，实现水文监测分析计算自动化、规范化、智能化。

2)集约管理更有序。组织机构、测验人员、测站、基础设施及仪器设备、测验成果等信息纳入云平台“一张网”“一张图”“一个库”，实现分散信息集约、有序、动态管理[10]。

3)按权分配更安全。功能权限灵活配置，匹配不同用户角色，在可见范围内赋予权限操作，有效保障水文测验数据安全。

4)成果生成更快捷。“四随”工作实时在线，测验现场自动计算和输出结果，在线分析校审，成果实时上传云平台，即时点图成表，极大提高成果时效性和准确率。目前平台已覆盖水位、流量、蒸发、大断面、水准点、水尺零点高程、含氯度、泥沙(单沙断沙)等八大要素。以单站水准测量为例，传统作业模式至少需要4人2天以上才能完成该次测验及成果的日清月结，应用云平台，共3人次1天内就能完成，效益提高6成以上。

5)数据连接更畅通。支持电子水准仪、走航式ADCP等多种电子设备成果导入与解析，打通数据从测验设备到云端的链条，实现无缝对接、互联互通。如走航式ADCP，目前兼容进口、国产等6种主流品类设备测验文件的标准化解析和一键导入。

6)移动办公更高效。采用B/S+APP结构，PC网页端、APP移动端等多终端支持，满足移动办公需求，随时随地查看水文测验数据，监控测验任务执行情况。测验动态、数据统计、成果展示等实时自动更新，也确保了水文信息资源充分共享和周到服务。

3 水文监测数字化方法

3.1 测验准备

1)测站信息

将水文监测站点的站名、站码、经纬度、断面名称、测验要素等基本信息在云平台“测站信息”模块进行初始化，为水文监测工作提供测站信息准备。其中经纬度信息可为测验人员根据APP移动端(如手机、平板等)定位，自动筛选出最近的水文测站，并准确定位所在测站，为快捷录入提供便利。

2) 测验任务

根据《测站任务书》《测验任务书》等，对测验任务进行梳理和量化，并制定测验计划，按时自动提醒测验人员；另外根据江河水情变化情况，拟定测验提醒条件，当满足测验时机时，自动下达监测任务，提醒测验人员开展应急监测工作。

3)人员信息

将测验人员所在组织机构、人员姓名、联系方式(如手机号码)等在“用户管理”模块进行初始化，并根据人员岗位和测验工作分工对操作权限进行分配授权，保障测验各环节的可溯性和安全性。

4)设备信息

将走航式ADCP、流速仪、水准仪等仪器设备的基本信息、工况信息、在库及有效状态等在云平台“仪器设备”模块进行初始化，保障水文测验顺利进行和成果有效性。如在测验前预先维护流速仪的转速比和计算公式等信息，测验现场扫描后可根据信号数和测流历时，实时计算测点流速。

3.2 测验流程

1)考证测量

考证测量主要包括水准、水尺、大断面等，如水准测量，采用光学水准仪进行观测(如图2所示)，可将观测数据现场即时录入APP移动端，实时传输至云平台并自动计算，逐站提醒测验合理性，测验完成后自动生成测验成果，自动判断并提醒测验人员处理，校审流程完成后，自动生成符合规范要求的“水准点高程考证表”；采用电子水准仪进行观测时，可自动读取测验文件，自动生成“测验记载簿”“水准点高程考证表”等。

图2 水准测量往返测过程(APP移动端)示意

2)水位观测

通过人工观读水尺读数，将读数录入APP移动端，云平台根据水尺零点高程自动计算对应水尺的水位；也可校核遥测水位，如两者超过规范允许误差范围，则自动提醒，校审流程完成后，自动生成“校核水位记载簿”。

3) 流量测验

流量测验常用方法有流速仪法、浮标法、比降面积法、ADCP航测、非接触式雷达流速仪测流、视频测流等，云平台均有融合对接。目前最为常用的是ADCP航测，云平台能读取进口、国产多个品类走航式ADCP测验文件，经自动计算、数据同步和成果信息自校正等，解析并自动生成定制的符合规范的“流量测验记载表”[11]。

4)蒸发观测

测验人员将观测到的蒸发器皿水面高度数据在现场即时录入APP移动端，云平台自动计算前日蒸发量、分析统计特征值等，也可校核自动蒸发设备观测数据。自动生成定制的符合规范的“蒸发观测记载表”。

5)含氯度、泥沙测验

含氯度、泥沙测验均为水样化验作业，采样时可在现场同步采样时间、水尺水位、起点距等，记录断面和垂线位置、水样标号和体积等信息，在现场(含氯度)或实验室(泥沙)录入实验数据，自动生成各类记载表、计算表。

3.3 测验成果

1)结果校审

如流量测验，云平台可自动将流量测点数据点绘在该站水位～流量、水位～断面面积、水位～水面宽、水位～流速等关系曲线图上，辅助检查点线偏离情况，可实现测验成果现场合理性检查；流速仪测流过程中还可自动生成起点距～水深～流速分布图，辅助检查测验参数信息合理性；云平台还支持套汇上下游水文站流量过程线，辅助检查流量、水量合理性。测验人员在现场利用辅助检查功能检查数据无误后，将测验结果一键提交校审人员，校审人员进一步检查、复核测验成果完整性、合理性。完成“四随”流程后，测验成果最终自动入库、云存储，为资料整编、预警预报作业等提供及时、准确的实测数据信息(见图3～图5及表1)。

表1 垂线间流量测验计算分析

图3 流速仪法流量测验计算成果示意

图4 流量测验成果点线偏离情况辅助检查示意

图5 水深流速横向分布示意

2)成果展示

测验成果数据入库后，测点数据会自动点绘在水位～流量关系曲线、水位过程线、流量过程线等曲线图上，在大断面图上展示测时水位、流量信息，在测次页面上展示各种测验参数信息等。

3)数据共享

如流量测验成果，通过实时共享，将参与断面输沙率等计算，自动积累流量、泥沙等年度整编基础数据；预报人员或分析评价人员可在云平台中实时获取准确的最新的实测数据，为滚动预报作业、应急处置、水资源评价考核等提供及时、准确、重要的参考信息。

4 实例应用

自云平台在广东省水文系统内部投入使用以来，得到了各水文分局的广泛好评。截至2023年5月，注册用户约400人，各类站点近2 500个，仪器设备3 000余部，法规文档资料共享40余条。

测验人员应用云平台开展常规巡测和应急监测，利用APP移动端现场监测水位、流量、大断面、流量等多个水文要素，自动计算和输出结果，即时点图成表，现场在线分析校审，成果实时上传云平台，极大提高了水文监测工作效率和成果的时效性、准确率，为防汛抗旱、水资源管理保护和水生态文明建设提供了更加科学、及时、准确的实测资料依据，发挥了重要作用(见图6～图7)。

图6 水文监测站点“一张图”展示示意

图7 水文监测情况总览示意

5 结语

1)水文现代化是新阶段水利高质量发展的基础性、先行性工作。作为水文基础性工作，水文监测业务数字化转型势在必行。本文提出的基于云平台的水文监测数字化方法及应用实践，其推广应用符合打造现代水文监测体系的要求，将进一步提高水文监测工作效率、信息化水平和服务能力，有力助推我省水文现代化建设，为实现“三个水文”发展战略、助推广东水文高质量发展奠定坚实基础，为广东现代水利、数字政府和粤港澳大湾区建设贡献水文智慧。

2)根据水文现代化建设最新要求，随着水文科技发展、新技术新设备不断革新，需要进一步完善水文监测数字化方法研究，拓展更多测验方式的融合对接，打造云平台测验方式“汇聚地”和测验信息“集散地”，持续推进水文监测业务数字化转型，不断助力水文现代化建设和高质量发展[12-15]。