山东基础水文数据库应用系统研发与推广

1 引言
水文信息是国民经济建设与社会发展的重要基础信息，是各级领导部门防汛抗旱减灾、水资源开发利用、水环境保护等工作的主要决策依据。
建国以来，党和政府十分重视水文信息的采集和应用，上个世纪80年代水利部即组织进行基础水文数据库的调研和试点建设；1988年国家计委将分布式水文数据库确立为第一批优先开发的数据库之一；1990年12月水利部“全国水文数据库工作会议”后正式全面实施。目前，全国各省区、流域机构基础水文数据库相继建成。如何依托现代科技，用好基础水文数据库这一建设成果，优质服务于国民经济建设，山东省水文水资源勘测局自1998年起，与中国科学技术大学和安徽省水文局合作，进行了基于基础水文数据库的应用系统的研发尝试，经过项目组6年来的努力攻关，应用系统日臻完善，已在山东省防洪规划、水资源调查评价等方面进行了广泛应用，并在辽宁、陕西等8个省区推广。

2 基础数据库
（1）数据库建设。自1991年起，山东省按照水利部水文数据库建设规划和有关建库技术标准，全面组织、实施基础水文数据库建设工作，并分别于1996年3月、1998年1月通过水利部“初步建成”验收和“基本建成”认证。
（2）数据源。数据源为山东省历年刊印的《水文年鉴》及近年电算整编成果，包括山东省境内黄、淮、海流域150余处水位、水文站、近1000处降水、蒸发站自1950年以来的各类成果表，总计65000余页。目前，入库数据量达到1100MB。

3 研发思路
（1）研发目标。通过广泛的需求分析，确立了应用系统研发目标：一是以优质的服务为导向，信息深加工为重点，防汛决策、水利规划和建设等为对象，充分运用先进的计算机技术，开发出优秀的应用软件产品，全面提升水文信息服务的能力，加快水文信息化建设步伐；二是面向全国推广，顺应各单位现有软硬件资源和计算机技术发展趋势，满足近期的适用性和远期的可拓展性。
（2）应用系统结构。系统采用当今流行且技术成熟的Client/Server（客户机/服务器）体系结构，如下图所示。服务器端数据库系统采用SQL Server，客户端应用系统运用Delphi、MapInfo等主流开发工具研发，在Windows系列操作系统平台上运行。

4 主要功能
依据需求分析，应用系统主要完成以下功能模块的设计。
4．1 综合检索分析
系统设计了一个中文导航式操作界面，提供用户快速定义检索条件，查看检索结果。
（1）检索条件定义。①站群选取。包括关键字选站法、河系树形结构选站法及GIS站网图选站法三种。关键字选站法：将站码（或站名）中的部分字符作为关键字，系统仅提供带关键字的测站列表供用户选取；河系树形结构选站法：依据水系、河名、站名构造树形结构搜索引擎，用户通过展开树形结构，选取单站或一条河流上的所有测站；GIS站网图选站法：通过Mapinfo加工制作站网图，供用户单选或框选多个测站。②表项选择。在选定表名后，系统自动提供该表字段列表，可任意复选字段及对任一字段加条件限定。③统计、排序定义。
（2）检索结果构造。①表格结果。屏幕展示符合条件的检索结果，可转换输出文本、电子表格；②图形结果。在检索结果信息集合之上，可直接构造出多种矢量化图形：过程线、关系曲线和对比图。如水位过程线、不同时期流量过程对比、断面冲淤对比图等。
4．2 统计分析
水文统计分析是水文信息应用最常见的方式，也是水利及其相关领域规划、设计等的重要前期工作。主要有：①面雨量统计；②河道洪量统计；③水库还原入库洪水过程及洪量统计；④单站、区域的历年雨量月年特征值统计；⑤历年的流量、水位月、年特征值统计等。
4．3 区域降水量插补计算
水资源调查评价通常采用同步期水文系列。由于历史上水文站网变动或资料缺失等原因，造成不同测站水文观测系列长短不一，评价时需按同步期要求对选用站历年缺测资料进行插补和延长。对插补和延长后的同步期水文系列资料建立水资源评价专用数据库，据此进行区域降水量计算。
资料插补和延长采用：一是多元线性回归分析法，利用插补站与参证站已有系列资料，通过多元线性回归分析，建立一组回归方程，按照各回归方程相关程度R和F检验两个综合指标，对插补站中每一需插补或延长的资料选取最佳回归方程进行插补。二是年汛比系数法，适用于较多月份、较长年份缺测资料的插补，如多年的汛期站，原理是依据参证站逐年的年、汛期量值比及插补站逐年汛期值，推算插补站的逐年值，再利用参证站的逐月分配系数，分配插补各缺测月份数值。另外参证站的选取，应满足与插补站的资料一致性要求。
4．4 频率分析
频率分析是一种重要的分析方法，而P-III型频率分析方法在我国水文行业应用最广。其设计难点是须采用一种特殊的坐标，即将正态分布变量相应的频率P转换为t，使P与t呈一种近似的线形关系。其近似公式如下：

式中：t为中介变量，P为频率，sign(x)是符号函数，分别依x>0、x=0和x<0取1、0和-1。
以上各模块的检索、统计、计算结果，均可直接进行P-Ⅲ型频率分析、适线，推求不同保证率的设计值。
4．5 还原《水文年鉴》
还原《水文年鉴》是水利部建库《规划》的一项重要要求，也是水文信息应用的基本方式之一。原理是：按部颁国家标准《水文资料整编规范》技术要求，事先制作好各《水文年鉴》表式的Excel格式模板，在检索获取单站年表资料后，经二次加工复原至《水文年鉴》编印格式，通过OLE（对象连接与嵌入）技术，加载至对应模板，形成《水文年鉴》成果表。
还原《水文年鉴》还包括形成《水文年鉴》样式的资料索引，可进行单测站逐年资料索引，亦可进行单年各测站（全部测站或某一流域水系的测站）资料索引。另外，应用ASP技术，水文资料索引已在山东水利信息网（内网）上发布。
4．6 数据库质量检测
为保证数据库建设质量，设计了质量检测模块。主要检测内容：一是资料完整性：通过检索数据库，建立各测站历年（或各年份所有测站）资料索引表，对照《水文年鉴》进行系列连续性、表项完整性检测；二是资料合理性：通过相关表（降水日表和摘录表）、相关数据（日值和月年特征值、洪水要素相邻记录等）间的数据关系，进行相关数据合理性检测，检出《水文年鉴》整编或刊印错误；三是一致性检测：对历年资料整编标准和要求与现行《规范》不一致的，如统计方法、计量单位等，进行统一和修正。
通过各种合理性检测功能，已检出、勘误山东省《水文年鉴》各类错误数据17000余处。
4．7 其 他
包括：①数据装载模块；②数据库管理模块；③雨量等值线构绘模块等。

5 推广应用
（1）应用服务。自1999年起，山东省依托基础水文数据库及其应用系统，为“山东省防洪规划”、“南水北调工程”、“山东省水资源调查评价”、济南军区“江河兵要地志”等数十项课题或工程提供各种分析、统计图表成果数十万，取得了十分显著的社会和经济效益。据不完全统计，年均效益数千万元。
（2）软件推广。目前系统已推广至辽宁、陕西、青海、云南、广西、西藏、宁夏、河北等省区水文部门应用，运行良好，在各省区“水资源综合规划”等方面发挥了重要作用，受到一致好评。

6 结 语
基础水文数据库的建设及其应用系统的研发是一项庞大而复杂的系统工程，我们经过13年的努力攻关，顺利完成了这一阶段性工作，并全面运用于生产实践和在多个省区推广，达到了预期的目标。但是水文信息内涵非常丰富，其应用的涵盖面涉及到国民经济建设的各个领域，随着社会发展和科技进步，必将有新的需求，需要多方技术人员合作，针对性地研发适用于各专项业务范围的系统软件，更好地发挥水文信息的应有价值。
基础水文数据库应用系统未来的研究方向是：继续与GIS、Web技术结合，与其他水文、水利数据库并网，开展决策支持系统、专家系统的研究，并结合政府上网工程，系统的服务面会更加广泛，综合效益、应用水平、服务质量、服务效率将迅速提高。