水文数据处理方法-水文现代化与水文新技术

用计算机进行洪水预报作业时，也会碰到一些数据处理的困难：一类是寻找理想的算法（处理方法）不易，例如，绳套水位流量关系下水位与流量的转换，泰森多边形权重的计算等；另一类是存在客观上的困难，很难完全满足水情工作的要求，例如，报汛雨量缺漏的插补等。

6.3.3.1　数据查错

我国当前供建模使用的原始数据主要是国家水文年鉴，一般是由人工录入。水文资料在整编、刊印、录入过程中总会有差错，故检查并改正录入数据的差错至关重要。录入数据的查错可以采用的方法有如下几种。

1.时段——日雨量对照

水文年鉴中雨量资料有日雨量和时段雨量摘录两种，比较两种资料就可以进行数据的检查。把时段雨量相加求出日雨量，再与日雨量表数据对照，凡是出现二者不相符的情况，就可能是差错引起的（注意：有时0.2～0.3mm以内的差异是由自记雨量计记录分段判读舍入误差造成，属于正常）。

利用计算机交互技术，在用程序进行对照后，将仍有二者不相符的记录用不同颜色或文本闪烁技术标注提示出来，操作人员便可以一目了然看到差错所在，再运用文件文本交互编辑的技术，立即修改差错。

2.降雨空间对照和插补

检查建模雨量站资料一般以一个流域作为对象，所以降雨资料还可以用空间对照的方式查错。可以观察各站并列绘制的降雨时序柱状图，以发现一些突出的矛盾，例如：流域面上各站无雨，个别站出现不合理的较大降雨；流域上普遍降雨，个别站出现不合理的空缺（并与日雨量对照），等等。

当判断资料有缺漏时可以用邻站雨量求平均的方法进行雨量资料插补。但是，用时段雨量空间分布图的方法，依靠经验进行交互式插补常常比数学计算更为合理。它可以兼顾日雨量的空间分布、时段雨量空间分布的合理性。实施时可以在屏幕上显示流域站网图，按需要插补的时间起讫，逐时段和逐日显示雨量空间分布图，在图上可以直接输入插补值，一经确认，这些插补值就可以写入到分站时段雨量的文件中去。

3.水位流量对照

水位流量对照法是水文资料整编等工作中常用的合理性检查方法。如果测站的水位—流量是单一关系线，采用连时序线的方法在屏幕上绘图，那么一个整编年的资料就应形成一个单一线的窄带。凡是水位或流量数据有差错的，就会偏离正常线带，如果放慢显示的速度，并在窗口上开一个旁窗框同步显示所绘制点的数据（时间、水位、流量），错误的数据便很快被找到，并可立即在数据显示窗口上改正。

如果测站的水位流量关系是绳套关系，原理也是一样的，只是屏幕窗口绘出的是整编的连时序绳套线。为了控制显示绘图速度，需要窗口上设立控制按钮，控制每10组（或20组）进行一次暂停、继续和倒回，并采取图形与数据同步显示，便于观察和修改。

4.过程线观察

对于水位、流量时序数据，在屏窗中绘出它们的过程线，这时，凡是时间、水位、流量值录入有差错的，在过程线上均可明显看出来，时间有错的会出现横走的过程线条，水位流量值有错的会产生不合理的上凸、下凹。

5.降雨流量对照

对于准备建立流域水文模型的数据，在计算出流域平均的时段雨量之后，可以在屏窗中用相同的横坐标（时间）绘出时段平均降雨与出口流量的对照图。从图上也可以发现明显的降雨与流量不对应的差错。例如，有时整编时雨量记录日期时间错位，就会发现先起涨后降雨等情况，必然属于记录有误。

6.上下游测站对照

如一条河上自上游向下游布设一系列的水文站，如果把它们的水位或流量过程线用同一横坐标（时间）绘在一张图上，通过上下游关系的合理性和相应性的检查，也可以发现其他方法不能查出的差错。

总之，所有在水文资料整编、预报上常用的人工操作的查错方法，都可以用图形交互技术在计算机上实现，其检查的速度快，检查的质量也高。

6.3.3.2　降雨量的时空插补

由于通信条件差，有些委托观测员素质偏低，加上现在普遍实行5mm或10mm的时段雨量加报标准制度，雨量缺报，特别是时段雨量缺报经常发生。用计算机作预报，就需要研制缺报降雨量和联机插补的软件。

1.子流域降雨量时空联合插补法

在大面积系统性降雨条件下，降雨量在空间分布上有一定的渐变性，利用这一规律，可以对系统性降雨进行空间插补。进行雨量人工插补的处理的方法有三种：

（1）点绘各站降雨量图（日和时段的），审视雨量分布变化趋势，徒手勾绘关注区的小段加密的雨量等值线（5mm或10mm间距）。在待插补站处按距等值线梯度方向的距离，考虑到等值线梯度增减的趋势，目估得到本站插补雨量。这种方法逻辑严格，比较符合客观规律。但是，其软件的编制难度很大，即令能编出来，其效率不会高。

（2）当降雨空间变化的梯度趋向不明显时，可以在该站四周按距离最近的原则寻找参证站，考虑距离远近因素，作算术平均或加权平均，得到本站插补值，或者令缺报站等于流域均值。

（3）待插补站靠近雨区边缘，或可以判断降雨属局地零星性质，一般可放弃插补，仍令雨量为零。

降雨量的插补只能时间、空间联合进行判断，才能较为合理、可靠。我国目前的时段雨量报汛规定本身不够完善，只有日雨量是有雨必报，缺漏情况相对少一些。因此，在这种实际情况下，如果直接进行时段降雨量的空间插补，成片缺漏问题很大。所以应当从单站时间序列上对日雨量和时段雨量进行比较，尽可能先行时间插补。有时，测站报有部分时段雨量，反而缺报日雨量，更需要将空间分布的插补与时间上的插补联系起来判断。

根据以上的基本原理，葛守西设计了一套以子流域为对象，考虑时空联合判断的雨量通用插补程序。它的操作规则为：

（1）选择围绕一个待插补站近旁的4个雨量站作为插补参证站。选站时，尽可能地使4个站均匀地分布于待插补的4个不同方向上，且距本站的距离大体相同。这样，直接使用4站雨量的均值作为本站插补值，既可替代空间直线插补，也可满足没有明显梯度情形的插补要求。

（2）假定在4个参证站中有2站或2站以上无雨，则认为本站处于雨区边沿或属零星降雨性质。这时不再插补，令本站雨量为零。

（3）空间插补以日雨量为主。先插补日雨量，再向各时段分配。在日雨量未观测的时段则直接使用时段雨量作空间插补。

（4）日雨量的时段分配以一个流域（或一片）作为对象。降雨的时序分配是洪水预报的重要因素。经比较，采用一个流域（20站左右规模为宜，范围过大时，降雨同步性变差，效果不好）进行统一分配比单站处理为好。方法是以流域（片）上各时段雨量全有发报的诸站日内分配的平均比例将缺报站的日雨量（或插补的雨量）分配到时段。只有在出现流域（片）全部缺报时段雨量的特殊情况，才将日雨量平均地分配到各时段。分配时，凡遇到某时段有发报数据，均以发报数据为准，以争取分配的数值接近真实。

上述雨量插补规则，按以下步骤在计算机程序中实现：

（1）在插补对象流域的全部雨量站（包括用于插补的站）所有准备使用的时间范围（包括向前延伸到日起点部分）内数据库中把报汛的时段、日雨量数据一次调出来。

（2）逐站对日雨量和时段逐一进行自检。将有日雨量而只缺一个时段雨量或时段雨量齐全而缺日雨量的站自身插补齐全。

（3）按前面所述的规则对日雨量进行空间插补。

（4）计算全流域（片）不需进行日内分配插补的全部站的日内各时段分配的平均比例，并据此将需插补的各站日雨量分配到时段内。如果这时某站尚有个别时段有报汛数据的，则先从日雨量中扣除该值后，再用剩余时段进行分配。例如：某站空间插补得日雨量为35mm，其8∶00～14∶00、14∶00～20∶00有报汛雨量10mm和5mm，则将剩余的20mm在20∶00～2∶00、2∶00～8∶00两时段内分配，分配的比例用流域（片）上全有发报的各站20∶00～2∶00、2∶00～8∶00两时段的平均比例（假定为5∶3），则得该20∶00～2∶00雨量插补值12.5mm，2∶00～8∶00插补雨量7.5mm。

（5）若全流域（片）无一完整的时段分配比例，则日雨量平均地分配到各时段。若此时遇到有个别的时段雨量报，则先扣除已报数据再平均分配余量。例如：上例若属于没有完整分配比例情形，则20∶00～2∶00、2∶00～8∶00两时段各分配10mm。

（6）如果出现插补的日雨量小于已有时段值之和的情况，则插补值采用实测值。例如：上例插补的日雨量若为12mm，小于已有的两个时段之和（15mm），则日雨量改用15mm，其余无报时段雨量皆作零处理。

（7）对尚不能得到日雨量的时段，进行雨量插补，则直接使用时段雨量相邻的四站的雨量作空间插补，规则与日雨量插补相同。

2.网格雨量法

这是国外使用较多的一种方法。它的基本思路是用一个有一定密度的固定网络覆盖在流域面上，控制计算网格结点上的雨量，也就控制计算了区域或流域的雨量。这样，所谓缺报雨量的插补问题就转换成了在不固定测站条件下，观测雨量的上网问题。(www.xing528.com)

3.插补雨量的交互式校正

降雨量计算的准确性是影响降雨径流预报精度最主要的因素之一。在对一次联机预报的结果进行分析研究时，首先要注意雨量资料的质量和插补数据的可靠性。

用常规的软件技术去模拟人工进行雨量插补思维方式比较困难，但采用图形交互技术可获一定程序的弥补。“长江专家交互式洪水预报系统”开发研制了一批交互处理模式，其中之一便是对插补雨量进行交互式校正。

将预报流域逐时段的报汛（包括用前述插补方法插补）雨量的空间分布图绘于屏幕上，并利用颜色不同，将插补出的值与实际报汛值区别开来，这时预报员很容易看出插补值是否恰当，如不够恰当，经预报员判断应当修正多少，并在显示的数据上进接键入修正数据，实现校正。可见，计算机交互式校正实际上是利用人的判断弥补“自动插补”的不足，使预报所依据的雨量数据可信。经验表明，无论采用何种插补方法，其综合适应性尚无法与人工插补相比，故提供交互式校正手段是必需的。

6.3.3.3　绳套关系水位流量的转换和预报

在人工作业条件下，洪水预报作业中绳套关系的水位流量的转换依靠预报员的经验进行处理，使用计算机作业后，这个问题就变得困难了。在水文遥测系统中，所采集的信息是雨量和水位，流量是由水位转换而得，故必须解决转换问题；其次，大多数洪水预报数学模型是流量预报，防汛关注的是水位，预见期的水位流量之间也需要转换，才能满足防汛使用要求。

在计算机上进行绳套形水位流量关系的转换，主要的困难是在绳套水位－流量之间没有准确的数学解析关系。

现介绍两种在生产上实际使用，并具有发展前途的绳套水位流量转换方法。一种是长江水利委员会水文局研究的单值化方法，另一种是葛守西为解决绳套转换预报而研究的系统方法。同时，再简单介绍在洪水预报系统上绳套水位流量转换的交互处理技术。

1.用单值化法进行绳套水位流量转换

用单值化技术处理绳套，使洪水预报中水位流量转换的难题出现了新的研究思路和途径。以下将着重研讨用落差指数法进行绳套水位流量转换的数学模型在洪水预报上应用的问题。

在具有绳套水位流量关系的测站上，对应一个水位H的流量Q是非单一的，但可以找到一个参证站，它与本站之间的落差为F，则可以证明比值Q/Fα在相同水位接近于常数，即：

将q视作“换算的单值流量”，它与水位之间可保持单值关系。式（6.110）即落差指数法的基本公式。α称为落差指数，一般为常数。此式是由圣维南方程简化导出。

式（6.110）将传统的落差指数法转化为一个数学模型，α成为模型的一个参数。作为数学模型，单值流量q的关系方程可以进一步扩展为：

式中：F*为河段水面比降特征的综合落差；α为落差指数，模型参数；β为惯性系数，模型参数。

可以看出，当β＝1，α＝0.5，F*使用一个参证比降站计算的F时，式（6.111）就是传统的落差开方根法公式。α≠0.5但取常数则为落差指数法。

在天然河道中，不同测站的水力条件因水系结构不同而有很大差异，只采用一组参证水尺比降很难全面反映影响本站流量的水力条件，这时，可以选多组参证水尺，用下式计算综合落差：

式中：，ci为权重因子，是模型的一组参数，考虑各组水尺对于F*贡献作用的大小而不同。显然，当n＝1，ci＝1.0，就是常规一组参证站的情形。

在水文资料整编的控制曲线法中，推导出阻抗模数ψ为：

如果流速水头与水深比较可以忽略，断面稳定时，ψ在同一水位下成为常数，控制曲线据此计算校正流量。K1就称为惯性乘数，在忽略惯性项时，K1＝1。因此，在特殊情况下，流速水头不能忽略，K1可以成为同水位下单值流量的修正系数，这就是式（6.111）中的参数β。使用β（或K1）的式（6.114）计算值实际上往往难于达到满意的效果，但在数学模型中，它作为待定参数，可用实际资料率定，则可以达到改进模型精度的效果。

本模型的建立和使用步骤如下：

（1）选择参证站，使用历史实测流量数据与其对应的参证水位，逐个率定模型最优参数ci、α、β。

（2）按率定的最优参数计算各实测流量对应的单值流量q。

（3）用曲线拟合方法，率定水位H－q的单一函数关系。q＝f1（H）及H＝f2（q）。

（4）水位向流量转换计算。整编或报汛时，从水位H计算绳套流量Q先根据t时刻的Ht，从q＝f1（H）求出q，再据同时刻的综合落差F*t，按下式计算Q：

如果是在预见期内进行转换，则本法要求同时预报参证站的水位。

（5）从流量反推水位。这是洪水预报上预见期中出现的特殊需求，是原方法未考虑的课题。

2.绳套水位流量关系直接转换的差分模型

从系统理论观点来看，一个测站的水位（Ht）与流量（Qt）之间也是一对互为因果的变量。可将其作为系统建模问题进行研究。

例如设法建立二者的相关关系，即：

按照数值逼近理论，任何实函数均可用幂函数的线性组合去逼近，式（6.116）一般可记为：

这就可实现一种曲线拟合。对于静态的曲线拟合，通过对于幂函数最高指数ρ的优选，可以逼近H－Q之间的任何复杂曲线形态。

对于这种途径，国内外有不少使用者，例如在珠江流域北江流水预报系统中，比利时某顾问公司就使用了一种相关模型：

其中，ΔH＝Ht－Ht－1为时段水位涨差。加入涨差因子后，受涨落率影响的水位流量关系不再是单值关系，可以构成绳套。

3.绳套水位流量转换的图形交互式处理

由于数学模型存在的存在先天性不足，带有某些缺陷，还需要对上述转换结果进行交互处理。绳套水位流量转换的图形交互式处理是指在计算机上模拟人工作业方法，采用计算机图形交互技术对模型计算的转换结果进行校正。长委水文局对奉节站绳套水位流量进行过转换，单值化的模型可以使80%乃至90%以上的测点转换误差小于±5%，系统方法的平均误差进一步下降。这说明，它们揭示了水位流量转换的宏观规律性。但是水文现象非常复杂，在一般规律之外总有例外，在对奉节站的研究中，考察那些转换误差特大的点据，发现绝大多数是由于测站附近局部性的区间入流，在短时间内破坏了河道的正常比降变化规律。这些临时性、偶然性的影响因素很难将其概化到数学模型中去。而前述由于相应流量报汛出现人为跳动时，更非数学模型能解决的。这种情况虽然出现几率不大，但造成的问题却不能忽视。预报员在长期实践中掌握了河流的水文特性，能够对于突发性的、偶然性的变化作出正确判断，及时修正数学模型计算出现的偏差。多年洪水预报实践证明，这一需求是无法取消或替代的。在使用计算机作业的新的条件下，就需要打破“自动化推算”形成的闭锁状态，让计算机提供一个窗口，使预报员以更快的速度获取必要的预报过程的中间信息，辅以人工判断，及时发现和修正数学模型的明显不合理的结果，使预报的发布更加可靠。因此，在长江中下游洪水预报系统上，对于需要实现预见期水位—流量转换的宜昌、螺山、汉口、皇庄四个关键站，既研究了转换的数学模型，也研制了交互处理的模块，其实现的步骤是：

（1）首先用数学模型实现转换的计算，得出转换初值。

（2）在计算机屏幕上绘制一张类似预报员传统作业用的水位—流量关系图。图中应绘制出：本站多年平均绳套线的轴线（它是分析绳套走向的基本依据之一）；本站有代表性的洪水绳套性；预见期计算的转换关系初值的连线，即预报绳套；近期实测水位流量关系点据。

（3）预报员观察本站在预见期以前的相应水位—流量报汛关系与实测点据的切合程度，并判断报汛可能有的偏差；另外也观察预见期的预报绳套走势的合理性。特别是结合预见期水位（或流量）的变化趋势，对绳套转折趋势作出分析，这是预报中可能误差最大的部位。通过分析，作出初始预报值是否需要修改，或者修改的数值幅度的判断。

（4）在终端上利用软件提供的交互功能，或用橡皮筋拖曳临时曲线，或用数据键入新临时曲线方式，进行预报结果的直接调整，完成修改工作。

显然，上述做法的实质是用专家的经验进行预报的最后把关。许多情况下，预报员过目后，判断预报初值可信，则勿需修改，故交互处理并不费时。当判断需要修改时，花费一些时间也是必要的，这是在当前技术水平下，一个真正能在实际作业环境下运行的预报系统不能缺少的环节。