国外水文数据库建设现状研究_张鹏程

引言
国外发达国家在水文数据库建设方面取得了一系列成 果，已开发一些实用的水文数据库系统和产品。 本文主要调研 了美国、俄罗斯、欧盟、澳大利亚等国家的水文数据库建设现 状，进行整理和分析，从而为我国水文数据库建设提供宝贵的 资料。
1 美国 NWIS 系统概述
美国国家水信息系统 （National Water Information System, NWIS）[1]提供了对美国 50 个州大约 150×104 个 测 站 的 水 资 源 数 据的访问，并发布水资源的相关数据，以供各州、地方政府、公共 和私有设施使用。这些水资源数据不仅可用于水量调度的决策， 也用于洪水预警系统的开发， 桥梁、 水坝和洪水控制工程的设 计，分配灌溉用水，定位污染源以及预测放射性废物处理对水供 应的潜在影响等。 1.1 NWIS 系统的结构
摘 要：鉴于我国水文数据库发展较慢，而国外发达国家已取得了一系列的成果。 本文调查美国 、俄罗斯 、欧盟 、澳大
利亚等国家和地区的水文数据库建设现状及相应的产品，通过整理和分析得出结论，这些国家和地区已制定了共享
数据的标准，并完善、整合数据库中已存储的水文数据，提供了高效的水文水资源信息服务平台，从而为我国水文数
图 1 NWSI 系统的结构 Fig.1 The components of NWSI
Aggregate water-use data
Site-specific water-use data
1.2 NWIS 系统提供的数据参数 根据对 NWIS 系统的调查和使用经验， 具体提供数据参数
大 概 有 300 多 种 。 分 为 以 下 几 类 ：水 位 流 量 参 数 （Water Level/ Flow Parameters）、水质参数（Water Quality Parameters）、气象参 数 （Meteorological Parameters）、物 理 性 质 参 数 （Physical Proper-
水文气象研究中心提出的 HMC 模型， 输入包括降水 和 其 他 要 素，用模型蒸发和下渗的数学公式求得地表和地下基流，以进 行降水径流过程的模拟。
数据输出与发布子资料：以地图、表格、文档等形式输出用 户所需的水文信息，同时将部分水文信息发布到网上，提供一 定的共享服务。 2.2 AHIS 系统的数据情况
测站数据：测站在所有水利设施中收集水文数据，如溪流、 井、渠道、湖泊、水库、池塘、坑地等。 获取程序将水文数据以总 结列表、详细表格或一个文件，提供给其他软件（例如 GIS 软件） 使用。
地表水：从以下几个方面描述了地表水的特征，如水流、流 速及流水量、水库和湖水面、地表水质量和降雨量，可以通过工 具自动记录或人工测量收集数据， 由同步运行环境卫星转发和 自动处理,一般在数分钟内可得到。
数据按性质可分为测站数据、水文要素数据及时间序列数 据。 测站数据包括水文测站的详细资料（测站编码、设站与撤站 年月、测站等级等）；水文要素数据包括各种水文要素的观测与 统计数据；时间序列数据标识数据质量、测站设立年月以及水 文要素的量测时间。 2.3 AHIS 系统的的主要项目成果
依据 AHIS 系统提供的各项数据， 可以为广大用户提供以 下 项 目 成 果 [2]：
化学、物理、生物和放射化学特性的水样分析结果。 ADAPS 系 统 所 存 储 的 逐 年 时 间 序 列 数 据 是 通 过 手 工 测 量
或自动记录所获取的。 这些来自测站的数据通过同步运行环境 卫 星 （Geostationary Operational Environmental Satellite, GOES） 进行中继转发，被实时地自动化处理，在数分钟以内就会出现 在本地的 USGS Web 页面上。
NWIS 是一个分布式水文数据库，如图 1 所示。 该系统由 4 个 子 系 统 共 同 组 成 ：地 下 水 测 站 目 录 系 统 （Ground-Water SiteInventory System, GWSI）、 水 质 系 统 （Water -Quality System, WQ）、自动化数据处理系统（Automated Data-Processing System, ADAPS）和水利用数据系统（Water-Use Data System, WUDS）。
收 稿 日 期 ：2010-08-18 基 金 项 目 ：水 利 部 公 益 性 行 业 科 研 专 项 （200901060） 作 者 简 介 ：张 鹏 程(1981-)，男 ，江 苏 滨 海 人 ，博 士 ，讲 师 ，主 要 研 究 方 向 为 软 件 工 程 、水 利 信 息 化 。
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水文
WUDS 系 统 存 储 着 覆 盖 全 美 的 水 资 源 利 用 的 概 要 数 据 。 WUDS 实现了插入和更新 现 有 的 水 利 用 数 据 ，并 为 在 本 地 数 据 库中存储的数据提供检索和显示功能。
National Water Information System
Site information
Physical Inorganic Organic Trace metals Biological Sediment size
and concentration
Daily discharge values Continuous time-series
data （discharge，water levels，pH，water temperature （including real-time data） Peak flow data
GWSI 系 统 提 供 对 测 站 收 集 的 各 类 地 下 水 信 息 的 访 问 。 GWSI 系统还负责维护本地数据库并 执 行 其 他 管 理 任 务 ， 如 数 据目录修改和测站认证变更，还支持区域数据插入到文件中，以 支持本地数据库的更新。
WQ 系统中 存 储 了 超 过 350×104 条 描 述 地 表 水 和 地 下 水 的
（1）监 测 水 体 的 重 要 指 标 变 化 的 定 期 科 学 报 告 ； （2）依 据 水 文 数 据 库 中 长 系 列 的 观 测 数 据 进 行 各 种 水 文 规 律分析与研究； （3）水 文 水 情 简 讯 及 期 刊 ；
第6期
张鹏程等： 国外水文数据库建设现状研究
Site File common to all systems （location and identification）
GWSI
WQ
ADAPS
WUDS
Well construction Ground-water level Well discharge Geohydrology Aquifer hydraulic State ground-water use Owner Data-collection network Field water quality
存储与检索子系统即水文数据库， 将整编后的水文资料依 据一定的结构录入数据库。 检索子系统支持以随机查找和联机 检索两种方式向用户提供所需数据。
数据分析与计算子系统： 根据具体的实际需求建立和运用 特定的水文模型，来对水文数据进行相关处理与分析，为水文水 利方面的各项研究与规划应用提供科学的参考依据。 如俄罗斯
据共享和水文数据库的建设提供宝贵资料，促进水文信息化的发展。
wenku.baidu.com
关键词：水 文 数 据 库 的 规 划 和 设 计 ； 水 文 数 据 库 的 结 构 ； 水 文 数 据 共 享
中 图 分 类 号 ：P33 ； TP39
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-0852(2010)06-0057-04
水质数据记录地表水和地下水的化学、放射化学、物理和 生物特征的水样观测与分析结果。 其中，化学和放射化学数据 包括各种主要离子浓度、追踪元素、营养素、杀虫剂和有机化合 物等。 物理特性数据包括 PH 值、水温、气温、溶解氧、大气压等。 生物特性数据包括主要微生物和生物的种类和数量等。
水文资料系统中数据由两部分组成： 实时观测数据和基 于长期观测数据的统计数据。 实时观测数据基于统一的施测 方法和计量，提供实时、准确的水文特征数据。 基于长期观测 数据的统计数据是基于时空相关性和水文特征的相关性进行 统计计算获得。 水文特征数据按照时间序列存储，由于气候、 设备、 人为等因素可能造成某水文特征的多年序列或季度月 份序列数据有所缺失，为保持时间序列的连续性，基于时空相 关性的思想利用邻近年月、 邻近区域的时间序列数据进行插 补计算得到特定年月的水文特征数据。此外，为满足某些应用 需要， 从一种水文特征数据计算获得另一种水文特征数据存 入数据库。
第30卷 第 6期 第2061期0年12月
水文 JOURNAL OF CHINA HYDROLOGY
Vol．30 No．6 Dec．, 2010
国外水文数据库建设现状研究
张鹏程 1， 蒋 蓉 2， 张 文 3， 赵 铭 3
（1.河海大学计算机与信息学院，江苏 南京 210098； 2.水利部水文局，北京 100053； 3.武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079）
地 下 水 ：美 国 地 质 勘 探 局 （USGS）每 年 监 测 数 以 千 计 的 井 水，收集地下水数据，并存储作为具体的领域-水位的测量或作 为连续的时间序列的数据， 来自动更新记录。 这些连续记录的 数据通过电话线或人造卫星被传输到全国性的美国地质勘探局 办公室。
水质数据：USGS 收 集 并 分 析 全 国 各 地 水 的 化 学 、 物 理 、生 物性质和沉淀物。 添加数据、 修改附加信息和增加获取数据渠 道都能帮助用户发现和使用所需要的数据， 从而为开发新版本 的 NWISWeb 作基础。
水文资料系统的数据记录内容主要包括水资源数据和水 质数据。
水资源数据主要记录测站所辖的流域、河流、运河、湖泊、 水库、冰川等水体的一般说明信息和水文特征数据。 一般说明 信息包括有测站基本信息、水体类型、流域名称、施测项目、量 测仪器、量测方法和标准、数据提供单位等。 水文特征数据包括 水文地理形态特征数据以及水文要素数据。 水文地理形态特征 数据记录各水体的地理位置、集水面积等，水文要素数据包括 测站观测获取各种水文要素数据（包括水位、潮位、流量、潮量、 降 水 量 、蒸 发 量 、融 雪 量 、冰 情 、冰 厚 等 的 观 测 数 据 ），以 及 由 其 得到的各种统计数据。
第30卷
ties Parameters）、 混 杂 参 数 （Miscellaneous Parameters） 和 设 备 DCP 规格性能参数（DCP/Gage Performance Parameters）。 1.3 NWIS 系统提供的数据访问方式
实时数据通常在 15～60 min 内被记录一次，存储在测 站 中 。 采用数据传输技术，一般每隔 1～ 4 h 传输给 NWIS 系统。 对于某 些关键数据，记录和传输的频率会更频繁，一般通过卫星、电话、 无线电传输数据，在几分钟内就可到达目标端。
观测与记录子系统负责对目标水体的各项水文要素、水量、 水质等进行观测和记录，获取第一手的原始实测数据。
资料整编系统： 原始实测资料经耦合子系统转换为计算机 能够识别的数据后需经过资料整编。 对于直接可以观测的资料 （如降雨、水位、蒸发等水文要素），直接对原始记录进行编辑。例 如，从连续观测记录中摘取若干个代表性数据转化为平均值，并 进行合理性检验改正即数据质量控制。 对于不能经常直接观测 的资料（如流量等要素）由直接观测资料进行换算，如由水位过 程线换算得到流量过程线。
2 俄罗斯的自动化水文资料系统的概述
2.1 AHIS 系统的结构 自 动 化 水 文 资 料 系 统 （Automatic Hydrology Information
System， AHIS）由相互关联的多个子系统组成：观测与记录子系 统、资料整编系统、存储与检索子系统、数据分析与计算子系统、 数据输出与发布子系统。