基于實(shí)時(shí)自動監(jiān)測流量的引排水量計(jì)算精簡分析

王 萍，謝 運(yùn) 山，姚 允 龍

(1.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029； 2.江蘇省水文水資源勘測局 鎮(zhèn)江分局，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

0 引 言

在未實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測以前，引排水量的計(jì)算方法一般采用一潮推流法或者連實(shí)測流量過程線法。隨著科技的發(fā)展，水文測站逐漸實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動監(jiān)測。在水位、降水量實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測后，如何實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測便成為當(dāng)前研究的熱門課題，尤其是有關(guān)定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀(H-ADCP)的應(yīng)用研究。根據(jù)文獻(xiàn)資料，從2009年開始就進(jìn)行了代表垂線法自動測流系統(tǒng)的建設(shè)[1]。隨后從流量自動監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)用環(huán)境、誤差控制、測流原始數(shù)據(jù)分析處理、設(shè)備安裝等多方面進(jìn)行了大量的研究，為實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測進(jìn)行了多方面的探索。如陳衛(wèi)[2]、梁后軍[3]等研發(fā)了通用的H-ADCP在線測流系統(tǒng)和基于二垂線式流量計(jì)算方法的ADCP流量測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了ADCP遠(yuǎn)程控制在線監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸；高怡[4]、杜耀東[5]等對ADCP的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析，總結(jié)了ADCP在平原河網(wǎng)地區(qū)使用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并提出了復(fù)雜條件影響下的應(yīng)用方法和H-ADCP應(yīng)用的改進(jìn)方案；還有部分學(xué)者研究了外部因素對ADCP流量分析、誤差控制和數(shù)據(jù)處理的影響，例如含沙量、回水、壅水等因素[6-10]；胡尊樂[11]、鄧山[12]等通過構(gòu)建數(shù)據(jù)分析模型研究了斷面流速分布特點(diǎn)和擬合精度。對于引排水量的計(jì)算，萬曉凌[13]、馬俊華[14]等基于實(shí)測資料采用水位差關(guān)系法對引排水量進(jìn)行了研究，但是其研究資料是基于較長系列實(shí)測資料，計(jì)算工作量相對較大。因此，開展基于流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的引排水量計(jì)算資料精簡分析十分必要。

在實(shí)現(xiàn)流量自動監(jiān)測后，如何利用實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行引排水量資料整編的研究相對較少，這主要是由于沿江沿海實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測的水文測站較少，例如江蘇省也是近幾年才開始進(jìn)行定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀的實(shí)際應(yīng)用，因此在應(yīng)用自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行引排水量資料整編方面的研究尚處于探索階段。針對這種情況，江蘇省鎮(zhèn)江市諫壁閘水文站和九曲河閘水文站在分別實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)式垂向聲學(xué)多普勒流速儀和橫向聲學(xué)多普勒流速儀實(shí)時(shí)自動監(jiān)測后[15-16]，也進(jìn)行了引排水量資料整編方法的探索[17]，初步實(shí)現(xiàn)了根據(jù)流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行引排水量資料整編工作，但是如何利用較少的流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行資料整編的研究還尚未開展。因此，在目前流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測的方式應(yīng)用較廣泛的情況下，對實(shí)時(shí)自動監(jiān)測流量數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡分析十分有必要。

本文主要通過對定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，以5 min的實(shí)時(shí)自動監(jiān)測流量數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，按不同時(shí)間間隔分別進(jìn)行引排水量計(jì)算，在分析計(jì)算精度的情況下得到最大時(shí)間間隔，即采用較少的流量數(shù)據(jù)即能計(jì)算得到同等精度的引排水量成果。這樣就能最大程度地進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡，也為計(jì)算逐日平均流量提供了思路。研究成果可為水文測報(bào)方式逐步實(shí)現(xiàn)流量自動監(jiān)測和水文資料整編研究提供參考。

1 研究區(qū)域概況

鎮(zhèn)江市是長江三角洲中心區(qū)27城之一，是長三角地區(qū)重要的港口、工貿(mào)和風(fēng)景旅游城市，國家生態(tài)文明先行示范區(qū)、國家低碳建設(shè)試點(diǎn)城市，地處中國華東地區(qū)、江蘇省南部，是南京都市圈成員城市、揚(yáng)子江城市群重要組成部分，長江流域第三大億噸港口鎮(zhèn)江港通江達(dá)海。水系分北部沿江地區(qū)、東部太湖湖西地區(qū)和西部秦淮河地區(qū)。長江流經(jīng)境內(nèi)長103.7 km，京杭大運(yùn)河境內(nèi)全長42.6 km，在諫壁與長江交匯。鎮(zhèn)江市面積3 840 km3，常住人口為321萬多人，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降水量1 071.5 mm，汛期雨量約占全年降水量的63%。

鎮(zhèn)江市諫壁閘水文站位于鎮(zhèn)江市諫壁閘，屬鎮(zhèn)江市京口區(qū)，長江與大運(yùn)河交匯處的入口處。九曲河閘水文站位于鎮(zhèn)江市丹陽市九曲河閘，長江與九曲河交匯處的入口處。兩處水利樞紐均為太湖流域北排長江入口處水利工程，兩處水文站能否準(zhǔn)確計(jì)量引排水量對于水利工程調(diào)度起到非常重要的作用。兩站位置如圖1所示。

圖1 諫壁閘水文站和九曲河閘水文站位置Fig.1 Location of Jianbi sluice hydrological station and Jiuquhe sluice hydrological station

諫壁閘水文站流量測驗(yàn)采用纜道流速儀法校測V-ADCP，應(yīng)急測流方案采用流速儀橋測法或走航式ADCP。諫壁閘站設(shè)站以來實(shí)測閘上游長江最高潮位8.34 m，最低潮位1.52 m；實(shí)測閘下游大運(yùn)河最高水位7.47 m，最低水位1.96 m。引水最大流量474 m3/s，排水最大流量543 m3/s；實(shí)測引水最大斷面平均流速2.18 m/s，實(shí)測排水最大斷面平均流速1.72 m/s。該站為京杭運(yùn)河蘇南段進(jìn)口口門控制站。測驗(yàn)河段系人工開挖，上下游河道順直，斷面所在河道兩岸為混凝土澆筑，河床為沙壤土，斷面沖淤變化較小。諫壁閘上游約1 300 m為長江，閘下游為京杭運(yùn)河蘇南段。平行于河道左側(cè)約50，1 200 m處分別為諫壁船閘、諫壁抽水站引河。閘下游980，1 200 m處分別有諫壁船閘、抽水站引河與京杭運(yùn)河交匯，1 400 m處古運(yùn)河于京杭運(yùn)河右岸匯入。諫壁閘站自動測流系統(tǒng)于2015年10月22日初步安裝設(shè)施，數(shù)據(jù)接入江蘇省水文局水文數(shù)據(jù)庫。2016年開始比測，2017年8月通過省水文局審查驗(yàn)收。隨后按要求進(jìn)行校測和綜合比測，測驗(yàn)資料應(yīng)用于資料整編和報(bào)汛。諫壁閘水文站各監(jiān)測斷面分布情況如圖2所示。

圖2 諫壁閘水文站監(jiān)測斷面分布Fig.2 Distribution of monitoring section of Jianbi sluice hydrological station

九曲河閘水文站流量測驗(yàn)采用纜道流速儀法校測H-ADCP，應(yīng)急測流方案采用流速儀橋測法或走航式ADCP。自設(shè)站以來，實(shí)測閘上游長江最高潮位7.97 m，最低潮位1.14 m；實(shí)測閘下游最高水位6.80 m，最低水位2.07 m。引水最大流量497 m3/s，排水最大流量523 m3/s；2003～2017年期間，實(shí)測引水最大斷面平均流速1.00 m/s，最小斷面平均流速0.15 m/s；實(shí)測排水最大斷面平均流速1.75 m/s，最小斷面平均流速0.085 m/s。測驗(yàn)河段系人工開挖的復(fù)式梯形河道，閘上、下游河道順直。河床為混凝土澆筑，沖淤變化較小。河道上游800 m與長江相接，平行于河道右側(cè)40 m為九曲河船閘，船閘上游與長江相接，船閘下游600 m處匯于九曲河。河道下游右側(cè)3 700 m處有新橋河匯入。九曲河閘站自動測流系統(tǒng)(V-ADCP)于2018年9月28日初步安裝設(shè)施，2018年9月30日該系統(tǒng)投入試運(yùn)行，2018年12月率定分析報(bào)告通過江蘇省水文局審查驗(yàn)收，資料可應(yīng)用于資料整編和報(bào)汛。2019年7月10日安裝H-ADCP，在進(jìn)行流量比測分析后于2019年10月通過江蘇省水文局審查驗(yàn)收，資料可應(yīng)用于資料整編和報(bào)汛。后因諫壁閘站V-ADCP設(shè)備故障，將九曲河閘站的V-ADCP設(shè)備拆除安裝至諫壁閘，目前九曲河閘水文站H-ADCP運(yùn)行正常，諫壁閘水文站V-ADCP運(yùn)行正常。九曲河閘水文站各監(jiān)測斷面分布情況見圖3。

圖3 九曲河閘水文站監(jiān)測斷面分布 Fig.3 Distribution of monitoring section of Jiuquhe sluice hydrological station

2 數(shù)據(jù)資料

本文的研究數(shù)據(jù)主要來源于鎮(zhèn)江市諫壁閘水文站定點(diǎn)式垂向聲學(xué)多普勒流速儀(V-ADCP)和九曲河閘水文站定點(diǎn)式橫向聲學(xué)多普勒流速儀(H-ADCP)流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中諫壁閘水文站2017年8月實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)式垂向聲學(xué)多普勒流速儀流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測，其分析數(shù)據(jù)時(shí)間為2018～2020年，九曲河閘水文站2019年11月實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)式橫向聲學(xué)多普勒流速儀流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測，其分析數(shù)據(jù)主要為2020年資料。

引排水工況方面，諫壁閘水文站2018～2020年定點(diǎn)式垂向聲學(xué)多普勒流速儀流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)均為引水，九曲河閘水文站2020年定點(diǎn)式橫向聲學(xué)多普勒流速儀流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)包括引水和排水兩種工況。而在引水工況下又分為閘門正常開和非正常開兩種工況。

在引排水潮次方面，諫壁閘水文站2018，2019，2020年分別引水433，441，442次，其中正常開閘潮次分別為84，61，53次；九曲河閘水文站2020年分別引水410次、排水35次，其中正常開閘潮次為94次。即用于數(shù)據(jù)精簡分析的總樣本量共1 761潮次，用于正常開閘工況的樣本量共292潮次。

3 研究方法

3.1 分析方法

根據(jù)收集到的兩個(gè)測站的定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，以5 min的流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分別按5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，90，120，150，180 min等不同時(shí)間間隔進(jìn)行引排水量計(jì)算，并與5 min的計(jì)算成果進(jìn)行對比分析。在計(jì)算過程中保留最大流量參與引排水量計(jì)算。

3.2 分析思路

本次研究主要是對不同工況情況下的引排水潮次數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析：① 按引水和排水的不同工況對全部潮次的不同時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；② 按是否正常開閘的工況對此情況下的引水潮次進(jìn)行分析。

3.3 分析流程

單次開關(guān)閘期間的引排水量計(jì)算主要是根據(jù)計(jì)算時(shí)間間隔來確定參與計(jì)算的各個(gè)代表流速，然后通過代表流速與分析率定的斷代關(guān)系計(jì)算出斷面平均流速，再根據(jù)測時(shí)水位查出對應(yīng)的面積，將斷面平均流速與面積相乘得到流量，通過單次開關(guān)閘期間的流量數(shù)據(jù)計(jì)算得到引排水量。這個(gè)主要是通過編程進(jìn)行不同工況不同時(shí)間間隔的全部單次引排水量批量計(jì)算[17]。然后將計(jì)算好的各次引排水量根據(jù)分析方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并與5 min的引排水總量進(jìn)行誤差分析計(jì)算，得到相關(guān)誤差成果(見圖4)。

圖4 分析流程Fig.4 Analysis flow chart

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 單次閘門開關(guān)時(shí)長統(tǒng)計(jì)

根據(jù)諫壁閘水文站2018～2020年3 a和九曲河閘2020年的節(jié)制閘開閘情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表1)，考慮到引排水計(jì)算時(shí)時(shí)間間隔最小為2 h，因此一般情況下，分析時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)可統(tǒng)計(jì)至按2 h的時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。而根據(jù)一次開關(guān)閘時(shí)長統(tǒng)計(jì)情況來看，時(shí)間間隔大于3 h的潮次占比，諫壁閘水文站均達(dá)90%以上，九曲河閘水文站引水達(dá)84.4%，排水達(dá)71.4%。因此，最長時(shí)間間隔可按3 h即180 min計(jì)算單次引排水量成果。

表1 單次開閘時(shí)長統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of single opening time

4.2 諫壁閘水文站流量自動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.2.1全年各潮次統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)諫壁閘水文站2018～2020年3 a的V-ADCP流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)和九曲河閘水文站2020年H-ADCP流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別按不同時(shí)間間隔對全年的引排水資料進(jìn)行各潮次引排水量計(jì)算。在計(jì)算過程中保留最大流量測次參與當(dāng)次引排水量計(jì)算。在計(jì)算完成后分別統(tǒng)計(jì)全年的引排水總量。最終以5 min年引排水總量為基準(zhǔn)計(jì)算各頻次總水量差值的相對誤差，得到如表2所列結(jié)果。

表2 各水文站各年引排水總量各頻次差值相對誤差統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of relative error of frequency difference of total water diversion and drainage of each hydrological station in each year

從表2中各年的全年各潮次引排水量差值百分比統(tǒng)計(jì)成果看，從最小5 min的時(shí)間間隔到最大時(shí)間間隔30 min的計(jì)算頻次進(jìn)行各年引排水量總量計(jì)算，其成果相對較穩(wěn)定，分別相差-0.15%，-0.28%，-0.23%，-0.17%，-0.66%。從35 min時(shí)間間隔的計(jì)算頻次開始，其年引排水總量與5 min的年引排水總量基準(zhǔn)值的差距逐漸變大。按60 min時(shí)間間隔計(jì)算成果時(shí)其差值最大已經(jīng)達(dá)-2.28%，在按2 h的計(jì)算頻次計(jì)算年引排水總量時(shí)，全年引排水總量差值已接近-7%。

從年引排水總量來看，按30 min的時(shí)間間隔計(jì)算的引水總量差值均在-0.3%以內(nèi)，按60 min的時(shí)間間隔計(jì)算的引水總量差值均在-3%以內(nèi)。因此，以30 min時(shí)間間隔的流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)來計(jì)算年引排水總量影響基本較小，精度較高。

4.2.2正常潮次統(tǒng)計(jì)分析

在正常開閘的工況下按上述統(tǒng)計(jì)分析方法對諫壁閘水文站2018～2020年3 a來各潮次以及九曲河閘水文站2020年94潮次引排水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對這3 a相關(guān)潮次數(shù)據(jù)分別按不同時(shí)間間隔頻次進(jìn)行引水水量統(tǒng)計(jì)分析，成果如表3所列。

從表3各潮次引排水量差值相對誤差統(tǒng)計(jì)成果看，從最小5 min的時(shí)間間隔到最大時(shí)間間隔30 min的計(jì)算頻次進(jìn)行各年引排水量總量計(jì)算，其成果相對較穩(wěn)定。從35 min時(shí)間間隔的計(jì)算頻次開始，其年引排水總量與5 min的年引排水總量基準(zhǔn)值的差距總體呈逐漸變大趨勢。按60 min時(shí)間間隔計(jì)算成果時(shí)其差值最大達(dá)-7.02%，在按2 h的計(jì)算頻次計(jì)算其引排水總量時(shí)，引水總量差距最大達(dá)-19%以上。

表3 各水文站正常開閘引水總量各頻次差值相對誤差統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of relative error of frequency difference of total water diversion amounts of normal gate opening at each hydrological station

從引水總量來看，2018，2019年按30 min的時(shí)間間隔計(jì)算的引水總量差值均在±1%以內(nèi)，2020年引水總量差值為-1.34%，略大一點(diǎn)。從60 min時(shí)間間隔的計(jì)算開始引水總量差值基本大于3%，最大已達(dá)-7.02%。綜合考慮，以30 min時(shí)間間隔的流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)來計(jì)算正常開閘工況下的引排水總量影響基本較小，精度較高。

4.2.3效果評價(jià)

(1) 年引排水總量分析。根據(jù)SL/T 247-2020《水文資料整編規(guī)范》第6.4.25條款規(guī)定：根據(jù)測站特性、水位流量關(guān)系影響因素的分析，研究的新的定線推流方法，經(jīng)對以往資料的檢驗(yàn)，不同方法計(jì)算的年徑流量相對誤差小于±3%者，可作為整編方法使用[18]。綜合考慮上述兩種情況分析結(jié)果和引排水總量計(jì)算精度，諫壁閘水文站和九曲河閘水文站按30 min的時(shí)間間隔計(jì)算的引排水總量計(jì)算精度滿足整編規(guī)范要求。

(2) 單次引排水量分析。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》第6.4.20條d)款規(guī)定：以面積包圍法求得的日平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，其他方法求得的日平均值與其相比，其允許相對誤差：中高水應(yīng)為±2%，低水應(yīng)為±5%，流量很小時(shí)可適當(dāng)放寬[18]。SL 195-2015《水文巡測規(guī)范》第4.5.3條對年總量、汛期總量、一次洪水總量相對誤差均進(jìn)行了規(guī)定[19]：三類精度的水文站一次洪水總量的相對誤差為8%。

根據(jù)上述年引排水總量和閘門正常開兩種工況分析結(jié)果，對2018～2020年全年各潮次分別按5 min和30 min時(shí)間間隔進(jìn)行引排水量計(jì)算，并以5 min的計(jì)算成果為基準(zhǔn)計(jì)算單次引排水量誤差值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所列。

經(jīng)對誤差較大的潮次進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)單次引排水量過程中流速較小、流量偏小導(dǎo)致引排水量相對較小的計(jì)算誤差偏大，但總體來說單個(gè)潮次引排水量偏差較小，精度較高。同時(shí)九曲河閘水文站的單次引排水量即使按5%的相對誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其小于5%的相對誤差精度仍達(dá)到86.74%，精度也是較高的。

表4 5 min與30 min時(shí)間間隔計(jì)算的單個(gè)潮次引排量 相對誤差統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistical of relative error of single tidal discharge calculated at the time interval of 5 minutes and 30 minutes

5 結(jié) 論

本文主要是基于諫壁閘水文站和九曲河閘水文站橫向和豎向兩種不同安裝方式的定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀3 a全部開關(guān)閘期間流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的引排水總量計(jì)算數(shù)據(jù)的精簡分析。以5 min實(shí)時(shí)自動監(jiān)測流量數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)，對全部潮次和正常開閘工況期間的潮次按不同時(shí)間間隔進(jìn)行引排水量計(jì)算，并與5 min的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，統(tǒng)計(jì)相關(guān)精度。得出如下結(jié)論：

(1) 以30 min時(shí)間間隔進(jìn)行引排水量年總量統(tǒng)計(jì)精度較高，符合規(guī)范要求，達(dá)到了監(jiān)測數(shù)據(jù)精簡的目的。沿江閘壩站開關(guān)閘期間的引排水量計(jì)算采用本方案，完全可以滿足精度要求。

(2) 按60 min的時(shí)間間隔計(jì)算并統(tǒng)計(jì)年引排水總量，精度雖低于30 min間隔，但誤差基本控制在3%以內(nèi)，也能滿足水文資料整編要求。

研究成果可為單一的河道站流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的精簡分析提供思路和方法。對于其他流量實(shí)時(shí)自動監(jiān)測測驗(yàn)手段如雷達(dá)波在線測流、側(cè)掃雷達(dá)自動測流等數(shù)據(jù)精簡分析也具有一定的指導(dǎo)意義。