珠江河口原型观测平台水文数据处理和分析软件开发及应用

2019-01-23方神光许劼婧刘晋高

人民珠江 2019年1期

方神光，许劼婧，刘晋高

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 510611)

珠江河口作为粤港澳大湾区的核心区域，其水域的保护、开发及利用显得尤为重要。近些年，珠江河口动力和水沙盐等物质输移以及滩槽演变呈现出一些新的特征[1-5]。为增强河口原型观测能力，丰富河口水文、泥沙、水质原型资料，目前在珠江河口建成了由12个浮标平台组成的原型观测试验站，其中内伶仃洋水域布放4个，中国澳门管辖水域布设3个，磨刀门水域布设3个，黄茅海布设2个，该原型观测试验站所属的浮标平台已陆续投入使用并获取了大量的实测数据，为充分发挥该试验站在珠江河口水资源保护、防洪减灾、水环境治理和生态环境保护等方面的作用，急需对获取的海量实测数据进行整编、特征值提取和深入分析等方面的研究工作。针对水文资料整编，章树安等[6]对中国水文资料整编的主要技术方法、数据库技术标准和建设成就等进行了回顾和总结；陈望春[7]则通过建立灰色预测模型对各阶段的水文资料质量进行了预测评估；在水文资料分析手段方面，詹寿根[8]探讨了Excel软件在径流量、降水量、灌溉库容和经验频率等特征值计算分析中的应用；陈德清等[9]基于全球广泛应用的水文水环境数据处理分析系统(WISKI)进行了本地化和二次开发；谢加球等[10]将HEC-RAS 水文分析软件推广应用到水利水电勘测设计中；韩灯亮等[11]通过对南方片水文资料整编软件测试显示其功能强大，整编成果更切合实际，输出成果基本不需要人工干预，并建议在潮位统计和遥测数据处理方面进一步完善；郭磊等[12]、盛寿龙等[13]通过自己开发的水文频率计算软件不仅节省了工作量，还极大提高了适配曲线的拟合精度；总体来看，有关水文资料的整编技术规范规程已经相当成熟，但在资料分析和特征值的计算等方面，各学者主要结合地方特色和自身研究需要利用现有软件或独立开发处理软件。针对当前珠江河口建立的原型观测试验站获取的海量实测数据，一方面要对水文数据依据规范规程进行整编，另一方面还需要单独研发相应的水文分析处理软件，以适应当前珠江河口治理和保护的需要，更好的服务于粤港澳大湾区的建设。

1 原型观测试验站的观测要素及特征数据提取

1.1 观测要素

珠江河口原型观测试验站均由原型观测浮体、数据采集传输与控制系统、数据接收管理系统、安全防护系统、太阳能供电系统、运行监测及自检系统及仪器自动升降系统组成，并配套安装有声学多普勒流速仪，泥沙、盐度、水质多参数观测仪，声学多普勒波浪剖面流速仪，风速、风向仪，氨氮、COD二合一监测仪等设备，实现对珠江河口水域水深、潮流、波浪、泥沙、盐度、水质、风况等多要素的实时同步观测及自动在线传输，见图1。

图1 珠江河口原型观测平台浮标站

1.2 潮位特征值的提取

主要提取一段时间内随时间变化过程中的所有高潮位和低潮位数据点，以此计算此段时间内平均潮差、最大潮差、平均高潮位和平均低潮位等要素，见图2。某一时间点出现的高潮位值一般高于前后时间点的潮位，出现的低潮位则小于前后时间点的潮位，采用这一特征通过编制计算机程序可以自动提取；由于原型观测平台的水位(水深)实测频率为10 min一次，频次相对较高，为避免局部波动导致提取的潮位值为虚假特征值，采用通过增加比较特征点前后潮位值的个数以及特征值出现的时间间隔来过滤掉提取的虚假值。

1.3 潮流特征值的提取

原型观测试验站给出潮流实测值会根据水深变化而自动分层给出各水深测点的水深值、实测层数、流速E分量、流速N分量及流速和流向，通过E分量和N分量也可以合成流速和流向。在对潮流特征值的分析中，一般较为关注的特征值有：涨急流速和流向、落急流速和流向、涨潮平均流速和流向、落潮平均流速和流向、余流流速和流向、涨潮流历时和落潮流历时等特征值，同时以上特征值还需要区分所处水深位置，一般水文规范上要求给出表层(0.2 h)、中层(0.6 h)、底层(0.8 h)位置的特征值。

图2 潮位特征值示意

原型观测试验平台的潮流观测值一般分为10层左右，观测频率也为10 min一次，当需要分析较长时间如半月潮、全月潮、季度潮或更长时间内的特征值时，需要处理的数据量将非常大，此处通过开发专用软件分析平台来处理海量数据，程序流程见图3。该软件平台的主要特点如下。

a) 该软件平台围绕原型观测试验平台的实测数据特点和需要进行的处理和分析而开发，可自动识别数据格式，根据用户对数据层数的需求自动差值和提取所需层数的数据。

b) 针对往复流，先找出涨、落急流向夹角的中线为界限，然后根据其他时刻流向所处的区间来区分其为涨潮还是落潮；针对旋转流，先提取高、低潮位的时刻，然后根据每个潮流值的测量时间来区分涨潮还是落潮。

c) 在区分所有流速值的涨、落潮特性后，找出涨憩和落憩出现的时刻，计算每个涨(落)潮时段内流速曲线与时间所围的面积以及涨潮历时和落潮历时，并计算每个涨(落)潮时段内的平均流速和流向，以及余流流速和流向。

图3 潮流特征值提取软件平台开发流程

1.4 其他要素特征值的提取

其他特征要素主要为含沙量、盐度、水质等要素的涨潮平均值、落潮平均值、涨潮时段最大值、落潮时段最大值等。同样由于数据量很大，需要通过开发相应的软件平台来处理，在已经区分了涨潮流和落潮流时段的前提下，主要流程与流速特征值提取类似。

a) 确定实测要素值所处的涨(落)潮时段区间，针对往复流，采用往复流的涨(落)憩时间点来控制，针对旋转流，采用高、底潮位时间点来区分。

b) 计算每个涨(落)潮时段内实测要素曲线与时间的面积，通过与该涨(落)潮时段的时长相除来计算涨(落)潮时段的平均值，通过大小来判断涨(落)潮时段内的最大值和最小值。

2 示范应用

珠江河口澳门水域7号浮标站位置见图4，位于澳门机场以南海域，该浮标站投放时间较早，运行状态较为稳定，已有较为完整的水深及潮流实测数据，通过分析该站点实测水文资料可以掌握澳门水域南侧外海潮流的特征。此处选取该站点2017年12月—2018年3月枯季连续4个月的潮流实测值作为此处开发软件应用示范的数据来源，需要处理的数据量有20万个左右，处理后的各月特征值见表1，分层数据的提取及表1中4个月内潮流特征值的计算总共用时不超过2 s，图5为连续4个月的表、中、底层流速玫瑰。可明确澳门机场以南海域枯季潮流具有以下特征。

a) 涨、落潮流速和流向：该海域涨潮平均流速较小，都在0.2 m/s左右，且沿水深相差不大；落潮平均流速在0.3～0.6 m/s，明显大于涨潮流速，且由表层向底层递减。涨潮主流向以NW～E向为主，偏转较大，落潮主流向以SSW向为主，较为集中。

b) 涨、落潮流历时：该海域落潮流历时显著大于涨潮流历时，且涨潮流历时由底层向表层递增，落潮历时由表层向底层递减。表、中、底层平均涨潮流历时分别为2.6、4.5、8.7 h，平均落潮流历时分别为21.4、19.5、15.3 h。

c) 余流流速和流向：该海域余流流向与落潮流主流向一致，以SSW向为主，表、中、底层余流流速分别是0.42、0.25、0.13 m/s，由表层向底层递减。

图4 三灶站潮位与7号浮标站水深的相关拟合线

位置月份平均涨潮流速/(m·s-1)平均落潮流速/ (m·s-1)涨急流速/(m·s-1)涨急流向/(°)落急流速/(m·s-1)落急流向/(°)涨潮流历时/h落潮流历时/h余流流速/(m·s-1)余流流向/(°)表层120.170.450.42421.142151.8 22.2 0.3821210.170.590.412981.622051.9 22.1 0.521320.180.560.443181.481932.4 21.6 0.4820330.20.440.543151.551944.9 19.1 0.48220中层120.210.330.51200.92077.4 16.6 0.1622510.220.460.53881.252014.7 19.3 0.3221320.20.350.51200.92034.9 19.1 0.2821030.220.390.4871.031954.6 19.4 0.28211底层120.180.270.48230.772079.7 14.3 0.0923710.20.330.46320.862037.6 16.4 0.1622420.190.30.48200.772038.6 15.4 0.1322530.20.330.463540.762078.9 15.1 0.13211

3 结论

自珠江河口原型观测平台12个浮标站陆续投入试运行以来，其观测频次达到10 min一次，观测要素逐渐增加，需要处理的数据量极为惊人。为实现珠江河口原型观测平台建设的目的，更好的发挥其在河口治理与保护中的作用，此处开发了相应的数据处理和分析软件，并应用在7号浮标站枯季4个月实测约20万个海流数据的处理分析中，结论如下。

a) 测试显示，针对原型观测平台数据结构特点开发的处理和分析软件极大提高了工作效率，使科研人员有更多的精力投入到对珠江河口水沙环境运动规律的分析和认识中。