山东黄河水文曲线绘图系统的开发及应用

2018-09-10王静岳成鲲杨钊张伟昊

人民黄河 2018年4期

关键词：黄河

王静岳成鲲杨钊张伟昊

摘要：水文曲线的自动绘制及图形储存是水文工作中的难点，专门开发的水文曲线绘图系统能够自动绘制多种水文曲线，包括水位一流量关系线、单断沙关系线、过程线、河道大断面图及跨年度的曲线套绘；系统设计采用C++编程语言、嵌入式数据库以及计算机图形技术，界面友好，操作方便。对水位一流量关系线精度进行的分析表明，系统误差、随机不确定度、符号检验、适线检验、偏离值检验等均达到有关规范要求。系统的开发填补了自动绘制水文曲线的技术空白，为黄河水文电子图库的建立提供了技术支持。

关键词：图形储存；自动绘制；绘图系统；水文曲线；黄河

中图分类号：P333；TV882.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.002

1 概述

1987年起，黄委山东水文水资源局在测区全面实现了水文资料整编的电算化。随着2008年“北方片水文资料整汇编软件”的推广应用，水文数据处理水平得到了进一步提高，水文数据的存储、查询均实现了自动化。但是，作为水文原始资料的一部分，各种水文曲线、关系线仍为手工绘制，没有实现计算机制图及图形存储。为此，黄委山东水文水资源局开发了水文专用软件，用于绘制各种水文曲线，实现了水文曲线的数字存储，提高了水文数据的利用效率。软件实现了以下水文曲线的自动绘制：①水文站水位一流量关系线；②水文站单断沙关系线：③水文站水位、流量、含沙量过程线：④河道大断面套绘：⑤不同年份的水位一流量关系线套绘：⑥跨年度的水位、流量、含沙量过程线。

2 系统设计

水文曲线绘图系统采用面向对象程序设计，并结合泛型程序设计、函数式程序设计技术进行软件开发，可在WIN XP、WIN 7、WIN 10等操作系统上运行。在程序设计中，数据源直接调用水文整编原始数据文件来绘制图形，无需重复录入数据。编程语言采用C++11、Python3、JavaScript，在图形等跨平台领域，使用Qt5.2、Python3.3、Boostl.55库。系统包括7个模块，其中图形模块及计算模块为核心模块。系统总体框架见图l。

3 图形绘制

3.1

水位一流量关系图绘制

绘制步骤：①在制图项目中，新建或打开一张图纸，打开“插入水位一流量关系图”功能：②选择测站，然后在树型列表中展开年份，单站的跨年套绘通过展开不同年份实现：③选择线号，选线时可输入水位查读流量来验证所选线号是否正确：④设置坐标轴比例尺，纵坐标代表水位值，横坐标代表流量值，点击“插入”按钮，将关系图插入到图纸上，见图2。

水位一流量关系曲线的平滑处理方法：系统采用拉格朗日抛物线插值方法结合二阶贝塞尔曲线平滑处理等技术，实现水位一流量关系线的曲线拟合，攻克了曲线绘制的技术难点。

目前，整编程序采用的插值方法为分段拉格朗日抛物线插值法，对节点按顺序进行摘录，选取每3个相邻点进行一次插值，其插值多项式为式中：（xo，yo）、（X1，y1）、（x2，Y2）分别为三个过抛物线的已知点坐标。

对每3个相邻点，依照式（1）可绘制分段的拉格朗日抛物线。但是，如果仅用这个方法直接绘制水位一流量关系线，那么绘出的关系线不平滑，存在跳跃转折点，需要找出一种方法进行拟合，获取平滑的关系线。经过对多种方法进行尝试，并对拟合曲线与整编计算方法进行研究对比，最终选用计算机图形领域应用广泛的二阶贝塞尔曲线进行拟合绘制。二阶贝塞尔曲线的方程为B（t）=（1-t）2PO+2t（l-t）P1+t2P2（t∈[0，l]）

（2）式中：B（t）为转折点；PO为绘制线段的起点坐标；P2为该段终点坐标：P1为控制点的坐标。

通过Po、P1、P2三点即可绘制该段的二阶贝塞尔曲线。结果表明，采用二阶贝塞尔曲线拟合的效果良好，曲线平滑无转折，与人工绘制的关系曲线更加贴近。

3.2 单断沙关系图绘制

插入单断沙关系图与插入水位一流量关系图类似，绘图界面见图3。步骤为：①在制图项目中，新建或打开一张图纸，打开“插入单样一断面平均含沙量关系图”功能；②选择测站、年份与线号：③指定坐标轴比例尺，指定单位长度横纵坐标代表含沙量的值，点击“插入”按钮，把关系图插入到图纸上。

3.3 过程线图绘制

过程线是系列数据，需要先将原始数据建立为系列，才能插入到过程图中。步骤：①在制图项目中，新建或打开一张图纸，打开“过程系列查看器”功能：②在过程选择器上方，首先选择要插入的系列起始时间与结束时间：③点击“+”号按钮，选择要插入的系列类型：④点击“插入”按钮，将过程线连同系列插入到图纸中，形成过程线图，见图4。

3.4 河道大断面图的制作

制作河道大断面图的步骤：①在制图项目中，打开“插人大断面图”功能；②选择测站、年份，点击“绘图”按钮，生成某年度大断面图的套绘成果，见图5：③点击“插入”按钮，将绘制的大断面图插入到图纸上。

4 精度分析

计算机绘制的水文曲线必须满足《水文资料整编规范》（SL247-2012）（以下简称《规范》）的精度要求，才能应用于实际工作。因单断沙关系线、过程线、河道大断面图均为直线，在水文数据正确的情况下绘图精度不存在误差，故仅就计算机绘制的水位一流量关系曲线进行精度分析。

4.1 水文曲线样本的选取

选取黄河下游高村、孙口、艾山、泺口、利津5个干流水文站及东平湖人黃把口站陈山口站作为分析样本，涵盖了黄委山东水文水资源局所有的水文站。采用最近年份24站年共32条水位一流量关系曲线，包含高、中、低水，各水文站最小流量到最大流量曲线均包括在内，曲线的选取具有代表性。

4.2 实测流量点绘制曲线的精度分析

根据《规范》定线精度要求：稳定的水位一流量关系（10个流量点以上），一类精度水文站采用临时曲线进行整编，系统误差不得超过±1%，随机不确定度不得超过8%，且应进行符号检验、适线检验、偏离值检验（简称三种检验）。

4.2.1 不确定度的计算

置信水平为95%的随机不确定度XQ计算公式为

XQ=Se

（3）式中：Se为实测点标准差。