水文資料整編與水文數(shù)據(jù)庫建設(shè)與發(fā)展

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 我國水文資料整編和數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展綜述

  章樹安1，林 偉2、吳禮福1 (1.水利部水文局，北京，10053；2. 四川省水文水資源勘測局，四川 成都，610031）   摘 要： 關(guān)鍵詞：   水文是水利和國民經(jīng)濟建設(shè)與發(fā)展重要的基礎(chǔ)工作。經(jīng)過整編的水文資料是水文數(shù)據(jù)的最終產(chǎn)品，是國家重要的基礎(chǔ)信息資源之一。它被廣泛應(yīng)用于防汛抗旱、水利工程規(guī)劃設(shè)計、水資源管理與開發(fā)利用、水環(huán)境保護、水科學(xué)研究及其他國民經(jīng)濟建設(shè)，是不可缺少的基本信息資源。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和人民生活水平不斷提高，對控制水旱災(zāi)害、水環(huán)境監(jiān)測與保護、水土保持與生態(tài)、水資源管理等方面要求越來越高，對水文數(shù)據(jù)分析處理、存儲、應(yīng)用服務(wù)也將有較高的要求。本文主要從技術(shù)角度，對我國水文資料整編和水文數(shù)據(jù)庫建設(shè)與發(fā)展作簡要回顧與總結(jié)。   水文資料的整編、匯編是對水文監(jiān)測數(shù)據(jù)按流域水系進行處理、加工、分析、統(tǒng)計等復(fù)雜的技術(shù)過程和人員組織過程。刊印水文年鑒一般需經(jīng)過資料在站整編、資料審查、復(fù)審、匯編、刊印等生產(chǎn)過程。 水文年鑒是一種逐年刊印的資料，以統(tǒng)一、科學(xué)的圖表形式表達出來的成果。內(nèi)容主要是上年實測的并經(jīng)過嚴格整編審查的、普遍需要的基本水文資料，提供水利水電建設(shè)、其他國民經(jīng)濟建設(shè)及科學(xué)研究部門使用。水文年鑒的內(nèi)容主要包括：說明資料，水位、流量、輸沙率、泥沙顆粒級配、水溫冰凌、水化學(xué)、地下水、降水量、蒸發(fā)量等資料，已刊布的資料的更正與補充；主要有逐日表、月年統(tǒng)計表、實測成果表、摘錄表等。   中國的水文測驗開始于戰(zhàn)國時期，但資料的積累、保存、整編要晚得多，正式觀測記錄被系統(tǒng)保存下來，開始于19世紀。保存的正規(guī)降水量記錄，開始于清道光二十一年（1841年，北京），正規(guī)的水位記錄，開始于清同治四年（1865年，漢口）。其后，凡開始近代水文觀測的站，一般都計算逐日值列出年表。從清末民初開始將多站水文資料匯編刊印，如民國24年，全國經(jīng)濟委員會水利處出版民國22年的《全國水文報告》，含水文站153處，水位站277處的資料。新中國成立后，從1949年開始，在全國范圍內(nèi)，對歷史積存的水文資料，按統(tǒng)一布置和要求，進行系統(tǒng)的整編刊印工作，并在50年代全面完成。 1958年，水利部水文局將全國按流域水系統(tǒng)一劃分水文資料的卷冊范圍，并將逐年資料統(tǒng)一命名為《中華人民共和國水文年鑒》，全國分10卷94冊。1964年在編制《水文年鑒審編刊印暫行規(guī)范》時，對原卷冊劃分進行了調(diào)整，調(diào)整后全國分10卷74冊，并長期維持穩(wěn)定。1999年，發(fā)布的《水文資料整編規(guī)范》對原卷冊劃分作了個別修改，現(xiàn)為10卷75冊。至1986年止，刊出歷史水文資料及水文年鑒共2277冊。1987年后，一些單位繼續(xù)刊布水文年鑒，另一些單位將整編成果存入計算機，用打印或復(fù)印方式供應(yīng)，沒有刊布水文年鑒，至1990年后全國全面停刊水文年鑒。1979年，水利部水文局頒布《地下水觀測試行規(guī)定》，地下水資料按省、直轄市、自治區(qū)或地區(qū)單獨刊印，不再列入水文年鑒。1985年，水利電力部頒布《水質(zhì)監(jiān)測規(guī)范》，將水質(zhì)資料單獨編為《中華人民共和國水文年鑒水質(zhì)專冊》。   1 水文資料整編 1.1 資料整編歷史與水文年鑒 中國的水文測驗始于戰(zhàn)國時期，但主要為實時需求服務(wù)。對于資料的積累、保存、整編的認識則要晚得多，主要從19世紀中葉開始。保存正規(guī)的降水資料始于1841年（北京）；水位資料始于1865年（漢口）。其后，凡開始近代水文觀測的站，均保存有單站的記錄，一般計算逐日值列出年表。1949年新中國成立后，在全國范圍內(nèi)，按統(tǒng)一布置和要求，進行系統(tǒng)的整編刊印工作，并在50年代末期全面形成資料整編工作與技術(shù)體系。1949年10月～1957年，完成了對建國前歷史積存的水文資料系統(tǒng)整編。1953～1954年間，水文資料整編工作的組織，逐步從大行政區(qū)的有關(guān)機關(guān)向省一級水文機構(gòu)轉(zhuǎn)移；1954年后，在治淮委員會的倡導(dǎo)下，推行了“在站整理”，由基層水文站負責水文資料的初步整編工作。1955年在制定《水文測站暫行規(guī)范》時，將在站整理規(guī)定為測站任務(wù)之一；經(jīng)測站整理的資料，由測站上級機關(guān)組織審查、復(fù)審、匯編與刊印。在站整理的開展，使整編工作經(jīng)?；?，加快了整編進度，而且測驗與整編相結(jié)合，在整編工作中發(fā)現(xiàn)測驗中的問題及時改進；后來發(fā)展為測站“四隨”（隨測算、隨發(fā)報、隨整理、隨分析）制度。至50年代末，全國各地基本實現(xiàn)了在站整理，當年資料可于次年完成[1]。 1958年，水利部水文局將全國按流域水系統(tǒng)一劃分水文資料的卷冊范圍，并將逐年資料統(tǒng)一命名為《中華人民共和國水文年鑒》，共分10卷94冊；1964年，編制《水文年鑒審編刊印暫行規(guī)范》時，對卷冊做過一次較大的調(diào)整，將同一區(qū)域的水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)資料編在一起，調(diào)整后全國分10卷74冊；1999年頒布的《水文資料整編規(guī)范》SL247-1999，對卷冊劃分做了微調(diào)，調(diào)整后全國分10卷75冊。不同年代水文年鑒卷冊劃分統(tǒng)計見表1。   表1    不同年代水文年鑒卷冊劃分統(tǒng)計表 卷號 卷  名 1958年冊數(shù) 1964年冊數(shù) 1999年冊數(shù) 1 黑龍江流域水文資料 6 5 5 2 遼河流域水文資料 4 4 4 3 海河流域水文資料 10 6 7 4 黃河流域水文資料 10 9 9 5 淮河流域水文資料 8 6 6 6 長江流域水文資料 22 20 20 7 浙閩臺河流水文資料 6 6 6 8 珠江流域水文資料 12 10 10 9 藏滇國際河流水文資料 4 2 2 10 內(nèi)陸河湖水文資料 12 6 6   總計 94 74 75   至1986年止，刊出歷史水文資料及水文年鑒共2277冊，13.6億組數(shù)據(jù)。1987年后，一些單位繼續(xù)刊布水文年鑒，另一些單位?？哪觇b，將整編成果存入計算機，用打印或復(fù)印方式供應(yīng)，1990年后全面?？?002年起，開始恢復(fù)刊印18冊重點地區(qū)重點卷冊水文年鑒（自2001年水文資料開始）。至2005年底，估計全國累計整編數(shù)據(jù)量已超過33.2億組數(shù)據(jù)。     1.2 整編技術(shù) （1）水位資料。水位資料整編工作主要內(nèi)容：考證水尺零點高程；繪制逐時或逐日平均水位過程線；整編逐日平均水位表和洪水水位摘錄表(水位站編制)；進行單站合理性檢查。其核心問題是將水尺斷面、所用基面和水尺零點高程考證清楚。對因重復(fù)進行水準測量、水準平差、基面變換而使本站水準點數(shù)據(jù)發(fā)生變動的情況，從1955年起使用“凍結(jié)基面”的辦法，歷史水位數(shù)據(jù)不再改動。此辦法保持了水位資料的連續(xù)性，并一直使用。 （2）流量資料。流量資料整編的主要內(nèi)容：編制實測流量成果表和實測大斷面成果表；繪制水位流量、水位面積、水位流速關(guān)系曲線；水位流量關(guān)系曲線分析和檢驗；水位流量數(shù)據(jù)整理；計算整編逐日平均流量表及洪水水文要素摘錄表；繪制逐時或逐日平均流量過程線；進行單站合理性檢查。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是水位流量關(guān)系的確定。新中國成立后，我國水文技術(shù)人員在廣泛吸取前蘇聯(lián)和其他國家經(jīng)驗，并結(jié)合中國河流特點，對不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系確定積累了較豐富的經(jīng)驗，使整編技術(shù)有了較快發(fā)展。流量資料整編主要方法見表2。另外，對于利用水工建筑物測流的流量系數(shù)分析，對于實測流量缺乏時的插補延長，也積累了豐富的經(jīng)驗。對于冰流量資料，60年代以后，使用冰流量與相關(guān)因素關(guān)系曲線法整編。相關(guān)因素有疏密度、冰厚等。   表2  流量資料整編主要處理方法統(tǒng)計表 類型 處理方法 一、穩(wěn)定的水位流量關(guān)系 曼寧公式    二、不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系   1. 受沖淤影響的水位流量關(guān)系 臨時曲線法、改正水位法 2. 受變動回水影響的水位流量關(guān)系 正常落差法、落差開方根法、落差指數(shù)法、理論落差法 3．受洪水漲落影響的水位流量關(guān)系 校正因素法 4．受水生植物影響的水位流量關(guān)系 改正系數(shù)法、改正水位法 5．受結(jié)冰影響的水位流量關(guān)系 改正系數(shù)法、改正水位法 6．受混合因素影響的水位流量關(guān)系 連時序法      （3）泥沙資料。① 懸移質(zhì)。懸移質(zhì)泥沙資料整編的核心是如何推求出斷面平均含沙量（或輸沙率）變化過程資料。新中國成立后，學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)經(jīng)驗，采用連續(xù)施測單位含沙量（簡稱單沙），同抽樣施測斷面平均含沙量（簡稱斷沙）相結(jié)合的測驗方法。通過單斷沙關(guān)系曲線，將單沙過程轉(zhuǎn)為斷沙過程。② 推移質(zhì)。50年代使用單位輸沙率～斷面輸沙率關(guān)系曲線法、懸移質(zhì)輸沙率～推移質(zhì)輸沙率關(guān)系曲線法、實測輸沙率過程線法等方法進行資料整編。其后，發(fā)展了推移質(zhì)輸沙率與水力因素關(guān)系曲線法。③ 泥沙顆粒級配。通過建立單位水樣顆粒級配與斷面平均顆粒級配關(guān)系的途徑進行整編。    （4）降水與蒸發(fā)資料。對于降水量資料的摘錄方法、統(tǒng)計方法、以及漏測時補救方法等，做過一些探索和改進。對于測站全年使用不同口徑的蒸發(fā)器觀測的資料，規(guī)定有條件的應(yīng)統(tǒng)一換算為大口徑蒸發(fā)器資料后進行統(tǒng)計編刊。不能換算的，均按實測資料編入。   1.3 計算機整編 在20世紀70年代之前，我國水文資料整編主要是人工計算、摘錄、繪制圖表和確定水位～流量關(guān)系線。從上世紀70年代初中期，長委、黃委等單位用ALGOL-60語言開始嘗試用計算機進行資料整編。到80年代中后期，在VAX計算機應(yīng)用FORTRAN語言編程，全國形成了比較系統(tǒng)的整編軟件，主要有降水、水位、泥沙、蒸發(fā)、流量等要素整編軟件，并在全國推廣應(yīng)用。但由于中國大多數(shù)河流水位～流量關(guān)系不穩(wěn)定、復(fù)雜，均需水位～流量關(guān)系單值化處理，導(dǎo)致流量整編工作復(fù)雜，采用的定線方法較多，實現(xiàn)計算機整編難度很大，一般人工定線后，把相關(guān)過程和關(guān)系的數(shù)據(jù)錄入計算機后，進行整編。到上世紀90年代初期，隨著微機普及應(yīng)用，在DOS系統(tǒng)下，應(yīng)用BASIC語言，開發(fā)了第二代整編程序。2000年后，長委、安徽、遼寧、山東等水文局組織技術(shù)人員開發(fā)在WINDOWS系統(tǒng)下應(yīng)用VB和VC第三代整編軟件，并取得成功。2002年后，水利部水文局結(jié)合年鑒復(fù)刊和貫徹新的整編規(guī)范需要，分別委托長委和黃委水文局牽頭組織開發(fā)適合南方片、北方片資料整編需要的統(tǒng)一的整匯編軟件。目前南方片整匯編軟件已進入推廣應(yīng)用階段，其主要功能有：GIS平臺功能、系統(tǒng)管理功能、水文資料整編功能、圖形處理功能、匯編功能、圖形分析及特征值統(tǒng)計功能。同時系統(tǒng)還提供了水位、流量、輸沙率、懸移質(zhì)泥沙顆粒級配、降水量等要素生成各站特征值統(tǒng)計對照表格，便于用戶對某區(qū)域各站水文特征值進行分析。功能較為全面、界面友好，較好的滿足了目前水文資料整編生產(chǎn)應(yīng)用需要。   2 水文數(shù)據(jù)庫    水文系統(tǒng)是我國較早開始探索與實踐建立數(shù)據(jù)庫部分之一。1980～1984年，原水利部水調(diào)中心在PDP11/44計算機應(yīng)用DTR軟件開始錄入主要河流水文特征統(tǒng)計資料，進行了建立水文數(shù)據(jù)庫有關(guān)探索。1986年，提出建設(shè)全國水文數(shù)據(jù)庫，主要存儲經(jīng)過整編的水文資料（包括刊印和未刊印的），并選擇有關(guān)單位進行試點?？紤]到全國水文數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用的復(fù)雜性、艱巨性(主要是人工錄入已刊印的水文年鑒資料任務(wù)巨大)和財力的可能，當時提出的指導(dǎo)思想是：全國水文數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為分布式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，即由中央一級節(jié)點、?。ㄊ?、區(qū)）流域機構(gòu)二級節(jié)點和地市三級節(jié)點組成。二級節(jié)點作為存儲數(shù)據(jù)的實體優(yōu)先開發(fā)應(yīng)用。在實施過程中確定為分階段實施，邊建庫邊服務(wù)原則。 水文數(shù)據(jù)庫建設(shè)歷程大致可分為三個階段：① 早期建庫階段。1986～1996年，主要進行試點研究、技術(shù)準備和年鑒資料組織錄入；② 初步建成階段。1997～2001年，各二級節(jié)點已存儲了一定數(shù)據(jù)量，并開發(fā)和推廣應(yīng)用了在C/S結(jié)構(gòu)下查詢軟件系統(tǒng)；③ 發(fā)展準備階段。2002～現(xiàn)在，測站編碼修訂、制定新的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)和標識符標準、在B/S結(jié)構(gòu)下開發(fā)查詢軟件，對異地數(shù)據(jù)共享查詢進行了試點、編制項目建議書等。   2.1 早期建庫階段的技術(shù)標準制定及試點研究    （1）測站編碼。測站編碼采用8位數(shù)字代碼，分三部分，第1位數(shù)字為流域代碼，代表流域（地區(qū)）序號；第2～3位兩位數(shù)字為水系代碼，代表水系（分區(qū)）的序號；第4～8位為測站代碼，代表測站序號。測站序號的每位數(shù)字（即第4位數(shù)）隱含測站類型，0～1表示水文（水位）站，2～5表示降水（蒸發(fā)）站，6～9備用。     （2） 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)方案。庫表結(jié)構(gòu)方案設(shè)計主要根據(jù)水文年鑒水文數(shù)據(jù)特性和應(yīng)用需要進行設(shè)計，既考慮了應(yīng)用的需要，同時也考慮了當時計算機性能的限制，經(jīng)過多次試點和修改，于1994年推出全國通用的“全國水文數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)方案3.0版”。表結(jié)構(gòu)分為七類，共60個表。七類表為：測站信息類、日值類、摘錄值類、月年統(tǒng)計類、實測值類、時段最大值類、注解類。     （3）標識符表。標識符表包括表標識符和字段標識符，每一個標識符同時給出中文名和英文名。其命名遵照以下規(guī)則：① 國際標準有明確規(guī)定的，一律按標準執(zhí)行；② 沒有標準規(guī)定的優(yōu)先采用傳統(tǒng)習(xí)慣名稱；③ 標識符長度不超過6個字符，由字母和數(shù)字組成，字母按英語單詞縮寫規(guī)則構(gòu)造。     （4）錄入格式標準。錄入格式標準規(guī)定了水文資料整編數(shù)據(jù)和歷史水文年鑒數(shù)據(jù)的錄入格式，其主要內(nèi)容如下：① 文件命名規(guī)則（主文件名和擴展名）；② 代用符號一覽表；③ 數(shù)據(jù)錄入文件的組織；④ 數(shù)據(jù)處理程序的編制原則。     （5）其他標準。除以上主要技術(shù)標準外，還陸續(xù)制定了建庫的其他標準，如“磁介質(zhì)編碼試行辦法”，“水文數(shù)據(jù)庫驗收標準”等。     （6）試點研究。在制定有關(guān)標準的同時，對數(shù)據(jù)庫軟件選型也作了試點研究，分別用DTR、RDB、DBMS等數(shù)據(jù)庫軟件進行試點研究，最后確定用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(Oracle)作為建庫管理軟件。 2.2 基本建成階段 1990年后，由于各地陸續(xù)不刊印水文年鑒，整編后的水文資料以水文數(shù)據(jù)庫方式保存和檢索，大大促進了各地水文數(shù)據(jù)庫建設(shè)的發(fā)展，到1995年底全國有90%以上流域和省級水文單位在Vax機應(yīng)用Oracle數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)達到了初步建成目標(應(yīng)有40%年鑒數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)庫)，此后原水利部水文司要求各建庫單位在初步建成的基礎(chǔ)上，在2000年前實現(xiàn)基本建成的目標。即數(shù)據(jù)裝載量應(yīng)達到本二級節(jié)點2000年前數(shù)據(jù)總量80%以上，錄入誤碼率小于等于萬分之一，有相應(yīng)的查詢檢索服務(wù)系統(tǒng)。由于計算機、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，計算機(服務(wù)器)價格性能比大大提高，原購置的Vax機已不適應(yīng)建庫和服務(wù)的要求，此后大多數(shù)建庫單位選用了中低檔微機服務(wù)器和Sybase等數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為水文數(shù)據(jù)庫基本建成的硬、軟件，1997年開發(fā)了基于C/S結(jié)構(gòu)下查詢檢索軟件，并在全國推廣應(yīng)用，推進了水文數(shù)據(jù)庫建設(shè)發(fā)展。到2002年全國已有85%的?。ㄊ小^(qū)）或流域機構(gòu)二級節(jié)點應(yīng)用微機服務(wù)器和Sybase等管理系統(tǒng)達到了基本建成的要求，全國已錄入數(shù)據(jù)量(含計算機整編數(shù)據(jù))8000多MB，初步具備了取代原水文年鑒向外服務(wù)的能力，基本改變了以前手工處理、刊印保存、手工檢索服務(wù)的落后方式。少部分單位通過建立的計算機網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了異地數(shù)據(jù)傳輸和查詢，并且取得了較明顯社會和經(jīng)濟效，但中央和地區(qū)(市)節(jié)點數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)沒有起步建設(shè)。在這個階段，筆者認為是水文數(shù)據(jù)庫建設(shè)快速發(fā)展階段，也是應(yīng)用與服務(wù)較好階段。 （1） 錄入內(nèi)容及質(zhì)量控制。目前已錄入存儲的資料是歷年水文年鑒(刊印和未刊印的)，共有60種表格類型及有關(guān)圖形。通過人工錄入、校核和開發(fā)的計算機程序自動校核，已發(fā)現(xiàn)和糾正原年鑒刊印錯誤多處，有的省如廣東、四川等，多達3～4萬條記錄，從而使保存在數(shù)據(jù)庫里的資料質(zhì)量高于原年鑒。 （2）查詢檢索功能及相關(guān)軟件?；贑/S體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的查詢檢索軟件，實現(xiàn)了單(多)站，單(多)項等系列數(shù)據(jù)的檢索和異地查詢檢索(通過廣域網(wǎng)，如廣東等)，使用方便，界面友好，查詢速度較快。輸出形式有數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)表格文件、圖形輸出；輸出結(jié)果可以顯式、打印、存入介質(zhì)。一些單位在國家水文數(shù)據(jù)庫建設(shè)的同時，還初步研究開發(fā)了實用性較強的應(yīng)用軟件(數(shù)據(jù)的二次加工)，如“實時洪水監(jiān)視與對比分析”、“大水年洪水對比分析”、“等雨量線圖繪制”、“站網(wǎng)信息熱圖構(gòu)造”等。 （3）應(yīng)用服務(wù)?？苫咎娲哪觇b數(shù)據(jù)服務(wù)功能，基本滿足洪水預(yù)報模型的建立、洪水預(yù)報方案的編制與修訂、旱澇情分析、工程水文設(shè)計、水資源評價與管理及有關(guān)規(guī)劃所需的水文資料與信息服務(wù)。在1999年各地的防洪規(guī)劃設(shè)計中水文數(shù)據(jù)庫發(fā)揮了重要作用，既提高了速度，又提高了精度。如山東省在防洪規(guī)劃設(shè)計時，累計查詢(含重復(fù)查詢)數(shù)據(jù)量達1500MB，如果沒有水文數(shù)據(jù)庫是不可能在較短時間實現(xiàn)如此大數(shù)據(jù)量的查詢和應(yīng)用。 2.3 水文數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展試點階段 2001年9月17日，水利部下發(fā)了“關(guān)于公開提供公益性水文資料的通知”（水文[2001]377號），決定公開提供的公益性水文資料范圍為實時報汛資料、經(jīng)過整編的國家基本水文測站的基本水文資料。             主要介紹水文數(shù)據(jù)庫建設(shè)歷史與技術(shù)發(fā)展的過程及成就：80年代中后期－90年代初期試點建設(shè)與技術(shù)標準的制度；90年代中后期－2002為建設(shè)發(fā)展期C/S；2002年后為服務(wù)期所取得成就。 4 存在的主要問題及措施   資料整編；數(shù)據(jù)庫   編制數(shù)據(jù)庫項目建議書、在不同地區(qū)進行逐步升級改造（東北片試點）B/S，異地共享，編制水利行業(yè)技術(shù)標準SL324-2005 5 展望   水文現(xiàn)代化指導(dǎo)意見要求，貫徹新的技術(shù)標準，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享為目標   參考文獻： [1] 水利部水文司. 中國水文志[M]. 北京：中國水利水電出版社，1997. 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