水文頻率曲線適線軟件的開發與應用

1數據庫操作系統在分析水文水資源時，大多數工作都是純處理不同類型的數據。從實用出發,結合日常工作的需要,作者采用TurboC語言編程,結合關系數據庫(即dBASE及Foxbase或Foxpro)結構特點,開發了一個水文水資源數據庫操作系統。該系統以其友好的界面設計,具有使用方便、數據輸入效率高、便于管理應用等特點,在具體工作中已得到廣泛運用。基本思路如框圖1所示。1.1水位長且寬度,以t流量、水位、降雨量等水文資料的庫結構基本相同,各有5個字段名:①站名編號:用STA_NUM表示,N型字段,寬度為8;②年份:用YEAR表示,N型字段,寬度為4;③月份:用MONTH表示,N型字段,寬度為2;④日期:用DAY表示,N型字段,寬度為2;⑤數據:流量、降雨量用VALUE表示,水位用LEVEL表示,皆為N型字段,流量寬度為10,其中小數位數為3;水位寬度為7,其中小數位數為2;降雨量寬度為5,其中小數位數為1。1.2將已輸入的數字數據納入數字保護通過TurboC編程語言對關系數據庫巧妙直接的操作(限于篇幅,操作源程序略),這一步對已輸入數據的站名編號進行索引,以表格形式顯示各站已輸入數據的年份、起始月日和終止月日、總天數,已輸入數據的本文于2005-03-25收到,2005-07-22收到修改稿。總站數等。按鍵及其功能:①←、數字鍵:數字鍵輸入站名編號,←鍵用于修改數字;②Tab鍵:彩條光標在要輸入的站名編號與已輸入數據的站名編號之間切換;③↑、↓、PageUp、PageDn鍵:尋找需要顯示具體數據的站名編號;④Esc鍵:退出軟件系統。1.3水文輸入的軟件設計為了方便水文數據的輸入工作,經設計后屏幕將顯示與水文年鑒上逐日平均流量(或水位、降雨量等)基本相同的表格。說明如下:(1)年份欄:輸入年份,必須輸入四位整數;(2)站名編號可以輸入1～8位整數;(3)數據加值:可以輸入實數。若輸入該欄數值,表格內已有的各日數據將加上該值后存入數據庫。此欄目對水位數據庫非常有用,可以隨時改變水位數據庫中的水位基面或加上某一修正值;(4)用戶說明:可輸入任何能打印的字符。此欄目僅用來顯示一些用戶的提示說明,如水文測站說明等;(5)逐日數據欄:若輸入數據為降雨量,允許輸入整數或帶一位小數的實數;若是水位,允許輸入整數或帶不大于二位小數的實數;若是流量,允許輸入整數或有多位小數的實數;(6)Ins、Del功能鍵:插入、冊除數據;(7)PageUP、PageDn功能鍵:向前、向后移動整個月的數據;(8)為了操作方便,特別設計了一些如F1功能鍵、F2功能鍵、Esc鍵等等,可以按需要對數據進行處理。在輸入水文數據時,軟件設計了以下簡便的輸入方法,將大大提高數據輸入效率。(1)直接按回車鍵,當日數據將取上一日的數據;(2)輸入數據的第一位是小數點時,當日數據的整數部分將取上一日數據的整數部分,而小數部分則取輸入數。這對提高建立水位數據庫的效率非常有用;(3)可以直接修改數據,并且在打入回車鍵以前又不想修改了,只要將彩條光標移走,仍顯示原數值,相當方便;(4)若輸入數據是流量或水位,表中就有“平均”這一欄,用來顯示月平均值;若是降雨量則有“總量”這一欄,顯示月降水總量。逐日數據輸入是否正確,用戶基本上可以通過這一欄檢查;(5)月份、日期在顯示屏上已經定格,因而可以省圖不輸。上述這些簡便方法,使得數據輸入的效率大大提高。另外,菜單一和菜單二所列的功能,在使用上是隨時的,即在數據輸入的任何時候都可以使用這些功能。如選擇菜單二第6條功能,屏幕將顯示水文要素過程線圖,再按任意鍵,屏幕將返回數據輸入狀態。建立水文水資源數據庫,為以后的水文水利分析、測報分析提供了系統資源,必將給水文工作帶來更加方便快捷的理想模式。2適合頻率曲線的軟件2.1設計頻率曲線的適線問題在洪水測報方面,往往想知道洪峰洪量的等級,即約為多少年一遇的洪水;在水利水電規劃設計方面,諸如設計暴雨、設計洪水、設計水位、設計年徑流等若干分析計算工作都涉及到頻率曲線,其適線工作量大,往往要經過查表、計算、數據點繪、曲線繪制等多道過程,且需要重復多次,特別是現階段大都采用PⅢ型頻率曲線目估適線,需經多次適線比較才能定線,若采用手工操作自然是諸多不便,宜通過計算機途徑簡化。2.2cs參數的調整PⅢ型頻率曲線呈一端有限,而另一端無限的偏態分布。確定PⅢ型頻率曲線的參數有3個:均值(Xˉˉˉ)(Xˉ)、離差系數(Cv)及偏態系數(Cs)。XˉˉˉXˉ、Cv的計算視樣本系列是否連續而定。《水利水電工程設計洪水計算規范》規定,對于n年連續系列:Xˉˉˉ=1n∑i=1nXiXˉ=1n∑i=1nXiCV=1Xˉˉˉ∑i=1n(Xi?Xˉˉˉ)2n?1????????√CV=1Xˉ∑i=1n(Xi-Xˉ)2n-1對于N年不連續系列:Xˉˉˉ=1n[∑j=1aXj+N?an?k∑i=k+1nXi]Xˉ=1n[∑j=1aXj+Ν-an-k∑i=k+1nXi]Cv=1Xˉˉˉ1N?1[∑j=1a(Xj?Xˉˉˉ)2+N?an?k∑i=k+1n(Xi?Xˉˉˉ)2]???????????????????????????????????ue001?ue000ue000Cv=1Xˉ1Ν-1[∑j=1a(Xj-Xˉ)2+Ν-an-k∑i=k+1n(Xi-Xˉ)2]式中,Xj—特大特征值;Xi—一般特征值;a—特大值的總個數,其中包括發生在實測系列內的k個。Cs—因計算誤差較大,在實際工作中一般不直接計算,多采用經驗數值給出Cs/Cv的倍比,通過適線調整Cs。首先將樣本系列按從大到小的次序排列,然后采用經驗頻率公式P=m/(n+1)×100%或p=M/(N+1)×100%算出每一個特征值Xm的對應累積頻率Pm,并得到n對的(Xm,Pm)點,繪在頻率紙(縱坐標為特征值Xp,橫坐標為頻率P)上即為經驗頻率分布。其次,通過樣本的PⅢ分布參數特征值計算,求出P與Xp的關系,繪于上述同一張頻率紙上,檢查兩條頻率曲線配合情況。若PⅢ型曲線與經驗曲線配合密切,則該PⅢ型曲線的參數即作為采用的參數。根據采用的參數推求各種不同設計頻率的特征值。假如配合不理想,再重新調整參數繪線,直到滿意為止?？梢?如果手工作業進行頻率曲線適線是相當麻煩的。2.3軟件的設計特點和主要功能2.3.1基礎數據模塊本軟件的設計特點是化整為零,表現為多個模塊設計:①主模塊;②漢字處理模塊;③基礎數據模塊:主要是有關PⅢ型頻率曲線的一些基本數據;④樣本系列輸入模塊:包括調查系列數據、實測系列數據等;⑤適線方法模塊:主要包括目估適線法、數學矩法、概率權重法、極大似然法、權函數法等;⑥菜單操作模塊:漢字菜單的顯示及操作。2.3.2合理設計頻率曲線為了盡可能的方便操作者,頻率曲線適線軟件特別設計了如下功能:①西文方式下也能提供漢字操作說明,軟件自帶小字庫;②數據輸入表格化,一目了然;③多種適線方法選擇(除目估適線法外,其它如單權函數積分法等參照南京水文所提供編制);④自動選取頻率曲線座標比例,并可作適當放大或縮小;⑤目估適線方式下,根據需要可隨意調整均值、離差系數、偏態系數,并在曲線上、設計值輸出表格上即調即顯,相當方便;⑥實線設計值表格、頻率曲線圖打印等,圖形比例正好適用于一般報告紙。2.4方法2.4.1數據輸入的配置在鍵入數據文件名、計算成果文件名后,屏幕將顯示輸入表格。(1)這些數據是由幾個團隊測量的“年份”欄若是第一次輸入,在輸入第1個年份數字后,后面的年份將自動按順序顯示,之后可依次填寫“數值”欄。(2)幾個數據如實測系列年份的特大值放入該欄,則實測系列數據里應保留該值。(3)彩條標志功能在該部份表格中輸入縱座標和圖名,屏幕上或打印圖紙上都作漢字輸出。為數據輸入的方便,設計的功能有:①彩條光標:光標為白色,移動自如;②Ins鍵:按此鍵后可在彩條光標處插入一個數據;③Del鍵:按此鍵后將刪除彩條光標處的數據;④→、←、↑、↓鍵:移動彩條光標;⑤F1鍵:樣本系列存盤后適線;⑥F2鍵:樣本系列存盤后退出;⑦F3鍵:樣本系列不存盤退出。2.4.2適宜的輸入窗口屏幕顯示頻率曲線圖后,按F1鍵可彈出適線方法選擇菜單,按F2鍵彈出功能選擇菜單,按F3鍵彈出操作提示窗口。(限于篇幅,實例說明略。)3操作系統效益特性以上軟件已廣泛應用于生產實踐,收到了良好的實用效果。如在淮河流域水資源規劃、南水北調東線工程、淮河干流設計洪水、淮河中游臨淮崗控制工程設計洪水、淮沂設計洪水分析等國家重點項目中,都很好地發揮了作用,使工作效率大幅度提高,并且能保證成果的精度和質量,較好地克服了工作中對成果的人為影響。經河海大學、安徽水科院、安徽計算機技術協會及淮委有關專家評審通過,認為“