全站儀預判浮標路徑的河道流量測驗方法及浮標關系線精度淺析

黃 幸，張建豐，于坤霞，黃世洪

(1.西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048；2.長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020)

目前流量測驗方法主要有流速儀法和ADCP法測流[1-2]等，流速儀法測流雖能在精度上滿足流量測驗規范的要求，但其操作復雜、歷時長、工作強度大，效率低下[3]。ADCP法測流在低含沙量下測驗效果顯著，但超過一定的含沙量可能會造成指標流速突變而失真[4-5]，當遭遇較大洪水時，在流速儀法和ADCP法測流均無法施測的情況下，可用雷達波法[6-7]、浮標法測流[8]等測量水的表面流速，水面浮標法測流方便安全快捷，雖然精度較低，但使用頻率高，浮標系數Kf=Q/Qf，式中：Q為同步流速儀斷面流量；Qf為浮標斷面虛流量。可見同步流速儀法斷面平均流量與浮標虛流量的相關關系精度直接影響浮標流量的精度，王曙光從浮標標志物的選材與制作型式統一做了分析[9]。鄧念德從水位～流量關系曲線法、水面流速系數法分析了中泓浮標系數精度[10]，歐陽凱、林天才、黃錦鑫分析了線性相關關系及三種檢驗[11]，但均未從浮標監測方法、浮標流速橫線分布分析突變點、關系線多種方案擬合等方面進行研究，為提高水面浮標系數精度，選取北碚水文站2015年～2018年共20次的同步流速儀法斷面平均流速和中泓浮標法流速資料建立相關關系，從全站儀預判水面浮標路徑監測角度的新方法、浮標虛流速橫向分布分析突變點，關系線多種方案擬合及精度檢驗方面進行分析，并優選最佳關系線擬合方案。通過北碚水文站2020年共10次同步流速儀法流量和中泓浮標法流量資料進行驗證。

1 方法

1.1 全站儀預判水面浮標路徑監測角度新方法

水面浮標法常規的監測方法是全站儀追尾跟蹤水面浮標進行角度監測，往往會出現當水面流速大時監測的角度精度不夠的情況、秒表開始和結束時間掌握不準確造成浮標歷時誤差，采取全站儀預判浮標路徑監測角度新方法能提高水面浮標監測角度的精度。

全站儀預判水面浮標路徑監測角度新方法是全站儀施測人員視線注視河道中的水面浮標，選定需要監測的浮標后迅速預判浮標流經路徑，提前將全站儀望遠鏡視線快速移動到距離浮標流動方向前1 m～2 m或更遠位置，并持續到中斷面見圖1，將全站儀中絲相切水面并鎖定豎直角，待浮標進入全站儀望遠鏡視線范圍內見圖2(a)，快速轉動望遠鏡使橫絲重合浮標前端見圖2(b)，觀讀水面浮標的水平角和豎直角。各斷面監測人員各自完成浮標歷時、開始水位和結束水位的工作，直到完成一個浮標的監測過程。然后重復以上過程直到完成最后一個浮標的監測。這種監測方法有效避免了由于浮標速度過快，盲目追尾水面浮標造成觀測角度不到位而造成精度不高的情況。通過實際監測發現，這種方法操作便捷，能有效提高監測角度精度，切實可行。

1.2 浮標虛流速突變點分析方法

浮標虛流速突變點實際上是測量誤差所致，是測量中不可避免的，產生的主要原因是全站儀監測浮標角度不準確；浮標歷時不準確等方面導致浮標虛流速不準確，剔除浮標虛流速突變點后的數據能有效提高關系線擬合精度，從而提高浮標系數精度，由于每測次中泓法浮標流速測點數據較少，可采用每測次的水面浮標虛流速橫向分布圖用物理判斷方法進行綜合評判。方法是點繪各測次同步流速儀法起點距與垂線相應位置0.2流速分布和同步的浮標起點距流速分布圖，根據流速儀法垂線流速分布趨勢與浮標虛流速對比分析判斷哪些是突變點見圖3，按這方法將各測次的浮標虛流速突變點進行剔除。

圖1 全站儀預判浮標路徑示意圖

(a)

(b)

圖3 浮標流速突變點剔除分析圖

1.3 中泓浮標法浮標位置范圍優選方法

由于水位級不同，河段中泓位置范圍會發送變化，宜根據測站點河流特性，確定中泓位置范圍。在監測天然水面浮標時，一般情況是水面浮標集中出現的位置就是中泓位置區域，也有天然浮標在河段橫向分布位置較散亂的情況，為收集更多的浮標資料，往往會抓測較大范圍內的浮標點，為提高關系線擬合精度，需要確定浮標流速橫向分布的起點距范圍。方法是點繪不同水位級下監測的起點距～中泓浮標測點流速關系見圖4，可見不同水位級下的浮標測點大都分布在河段中泓起點距100 m～200 m范圍內，優選起點距100 m～200 m內的測點計算各次中泓法浮標斷面虛流速。其他測點不參加中泓法虛流速計算，從而提高浮標系數關系線精度。

圖4 北碚站浮標流速分布圖

2 資料選用

以北碚水文站為例，北碚水文站是嘉陵江出口控制站，其位于嘉陵江觀音峽內，測驗河段順直，兩岸平緩而穩定，沖淤變化較小，當三峽電站蓄水位較高時，有頂托現象。

選取北碚水文站2015年～2018年共20次同步流速儀法斷面平均流速、中泓浮標法流速比測資料進行分析，中泓浮標法虛流速的數據通過上訴突變點分析剔除、中泓浮標起點距范圍方法處理。

3 關系線擬合及精度檢驗

通過計算后得到中泓浮標法斷面流量，點繪與同步流速儀法斷面流量的散點相關關系圖見圖5，將呈帶狀分布的測點建立線性關系模型。使用直線擬合、剔除突變點后直線擬合、剔除突變點一元二次回歸擬合、剔除突變點冪函數回歸擬合4中方案進行回歸方程關系擬合分析見表1。

圖5 起點距100 m～200 m段中泓浮標系數分析圖

表1 不同方法擬合關系及誤差精度

根據表1的分析指標表明各方案均滿足相關水文規范要求，推薦使用最優方案為剔除突變點后冪函數回歸方程：Q=0.7754Q虛1.0247。

4 成果驗證

2020年08月北碚水文站收集10次中泓法浮標測流資料，使用推薦方程計算出各次浮標斷面流量與同步流速儀法流量Q42～51次進行流量誤差驗證分析檢驗見圖6。

圖6 浮標流量相對誤差檢驗關系圖

圖6可見流量的相對誤差在-1.72%～3.11%之間，誤差較小，符合相關水文規范要求，驗證合格。

5 結語

通過研究全站儀預判浮標路徑監測角度方法、突變點剔除、多種線性回歸擬合浮標系數相關關系，其結論如下：

(1)通過全站儀望遠鏡提前預判浮標路徑監測角度的方法操作簡單、效果顯著，能有效提高浮標監測角度精度，可推廣。

(2)剔除浮標流速突變點對浮標系數相關關系精度有所提高。

(3)多種關系線擬合方案優選最佳精度方案，可提高中泓浮標法關系線精度。