河南黄河水文信息综合平台的设计与实现

郑 凯，毛文迪，张宏愿，李国良

（黄河水利委员会河南水文水资源局，河南 郑州 450004）

0 引言

近年来，黄河水利委员会河南水文水资源局（以下简称黄委河南水文局）始终坚持“以需求为导向，以实用为目标”的原则，稳步推进水文测报能力提升工作。在提升过程中，黄河河南测区各测站已先后安装了视频监控、雷达水位计、称重式雨量计、侧扫雷达测流系统、RG30 雷达在线测流系统、同位素测沙仪等先进仪器设备，强化了水文监测、预测预报和服务支撑的能力。然而这些先进仪器设备测得的水文数据分散于各业务系统内，形成了一个个信息孤岛，无法形成水文大数据环境。在深入分析黄委河南水文局业务需求的基础上，实现测区业务数据的有效整合与共享，进一步推进信息技术与水文业务的深度融合，构建河南黄河水文信息化新格局，打造智慧水文新模式，河南黄河水文信息综合平台（以下简称综合平台）应运而生[1]。

1 设计思路

综合平台遵循“系统稳定性，技术先进性，系统完整性，结构开放性，网络适应性”的设计思想，在设计和开发中坚持“系统大众化、业务服务人性化、应用开发系统化、接口开放化、管理工具实用化”的原则，平台逻辑结构遵循数据层、逻辑层、表示层和用户交互层四层结构，使系统在建设过程中既能统一部署，又能分阶段实施，保证系统建设的系统性和可执行性。

综合平台覆盖了数据采集、传输、存储、处理、应用、决策支持等各个环节，符合水利信息化系统建设一般框架[2–3]。综合平台的逻辑结构如图 1所示。

图1 综合平台逻辑构架

综合平台采用 B/S（浏览器/服务器）技术架构体系，由数据采集、数据库、数据访问层、业务逻辑层、UI 显示层和应用层组成[4–6]，大量的业务处理都在服务器端通过调用相应的业务服务完成，技术架构如图 2 所示。

图2 综合平台技术构架

技术架构具体分析如下：

1）数据库。数据库主要包括表、视图、存储过程、触发器等数据库对象。

2）数据访问层。实现系统对各种所需信息资源的获取，为 UI 显示层各应用服务的搭建和运行提供数据支撑服务。

3）业务逻辑层。主要指对用户提交的指令及数据进行校验，再加工后将数据存储到数据库中，或将数据库的数据提取后返回给 UI 显示层。

4）UI 显示层。UI 显示层是指用户所见的那部分界面，主要功能是为用户提供信息，以及翻译用户的指令。

5）应用层。提供用户调用相应服务的 API 接口。

综合平台以 Web Server IIS 服务器和 SQL Server 数据库为支撑，以内网为主，兼容 VPN 模式下的外网，通过浏览器进行访问。

综合平台应具有以下几个特点：

1）综合平台框架及插件尽量使用免费开源代码，可根据需求灵活拓展功能，后期易维护。

2）打造“一站式”登录、“一键式”查询管理模式，只用登录综合平台，即可免登录查看其他所属网站的数据，点击测站标识，即可查询到该测站所有数据、图表信息。

3）面向基层测站人员，实用性强。

4）采用模块化结构，具有很强的可扩充性和容错性。

综合平台通过数据高效存储和服务一体化封装机制，向用户提供水文监测业务服务，测验人员使用移动端或 PC 端通过用户名和密码，经身份验证后登录平台，通过被授予的相应权限访问相应的业务服务，业务流程如图 3 所示。

图3 业务流程图

2 功能模块

综合平台包括数据查询等四大模块，功能结构组成如图 4 所示。

图4 综合平台功能结构组成

2.1 数据查询

数据查询模块以 GIS 地图为支撑，各类站点（水文站、水库站和雨量站）为标识，进行功能的扩展和延伸[7–9]，可以实现测站简介、测洪方案、测站任务书等文档数据，高水报汛曲线、瞬时水位-流量过程线、大断面图、年特征值等图表数据，视频监控等视频数据，站点分布、数字高程模型、全景照片等三维数据的查询功能，以及雨水情信息预警功能。

1）雨水情信息预警功能。在 GIS 地图上显示测区雨量站当前 2 h 累积雨量数据，且会根据累积雨量大小，通过不同颜色图标加以标识，当超过设置的阈值后，进行语音告警，并向值班人员推送告警短信[10–11]。

2）视频监控功能。通过对 WebComponentsKit的二次开发，内置代码即可加载监控视频，显示测站硬盘录像机上所有的视频图像，点击相应视频，即可放大该图像，实现黄委河南水文局、勘测局对测站测验及测验设备运行等情况的远程监控[12–13]。

2.2 数据审查

数据审查模块实现了时段、旬月降水量校核，水位-流量、库水位-蓄水量关系校核，上下游水位、流量、含沙量过程线对照等功能。

1）旬月降水量校核功能。自动对旬降水量与一旬的日降水量累加值，月降水量与三旬降水量累加值进行校核，对差值超过阈值的雨量站，自动向值班人员告警[14–15]。

2）上下游流量过程线对照功能。可套绘指定时间内上下游测站的流量过程线，并标注相应的实测点，通过流量过程线，值班人员可查看上下游流量过程是否一致。

2.3 数据统计分析

数据统计分析模块实现了断面冲淤变化、时段内水文特征值、上下游水量和沙量的统计，以及水流沙误差分析等功能。

1）断面冲淤变化统计功能。可套绘显示测站相应断面的实测流量成果，通过测点河底高程和断面流速，分析不同测次间流速分布与河底冲淤变化情况，在“水位”文本框输入某一水位，点击“计算”按钮，可计算该水位下历次测验后的断面冲淤变化量，使测验人员实时了解测验断面的冲淤变化情况[16]。

2）上下游水量统计功能。可根据套绘的上下游流量过程线，通过鼠标拖动任意时段，统计该时段的上下游测站的径流总量，并对上下游测站的水量平衡进行分析[17]。

2.4 防汛决策

防汛决策模块实现了洪水演进模拟、风险图生成、防汛调度指令发布等功能。

洪水演进模拟功能可根据某一水位或典型历史洪水的水位，模拟在现行河道状况下洪水的演进过程，绘制洪水出槽后下游滩区的淹没范围，自动生成风险防控图[18–19]。

3 结语

综合平台以水文基础信息数据为依托，采用微软 C# 开发语言、SQL Server 数据库及 Layui 前台框架等技术，开发完成了 GIS 地图、雨水情数据、测站档案、小浪底水库淤积测验、伊洛夹滩淤积测验等应用模块，打造了“一站式”登录、“一键式”查询的管理模式，初步实现了河南测区信息共享化、数据传输自动化、动态监测一体化。

测站日常测流期间，如遇水位变化幅度大时，测验人员只需登录综合平台，即可通过实时数据及视频监控监测水位，节省人员开支；通过大断面、断面-流速套绘，可分析对比冲淤变化及水面流速分布情况，通过开启统计功能，可得到时间段内最大、最小数据特征值及相应时间，提高工作效率；每日报汛后，可通过河道水情功能，获知是否已发报成功；上级部门在获取测站测验数据及设施设备信息时，只需通过导出功能，即可得到相应数据及已绘制好的图表。

在 2020 年小浪底水库防洪控泄期间：河南测区干流四站通过综合平台数据，可分析实测点在水位-流量关系曲线位置分布，审查报汛曲线走向趋势，随时修订报汛曲线，合理选择换线时机；通过流速断面套图、河底高程，检验测量垂线布设是否合理、单次流量测深是否正确及河底冲淤变化幅度；分析上下游测站水情变化及水库蓄水过程，推算洪水到达时间，精准把握测验时机。

目前综合平台不仅已在黄河河南测区全面推广应用，覆盖了两级机构和 25 个所属水文站，系统运行稳定，在测区水文测报和业务管理工作中发挥了重要作用，且已推广至黄委中游测区。但综合平台能够实现的数据共享及服务调用还处于初级阶段，不够完善，涉及查询数据量大的数据库表反应速度可能相对缓慢，对数据安全性方面的考虑也有诸多不足，有待今后进一步研究和完善。