感潮河段流量在線監(jiān)測系統(tǒng)精度控制方法分析

陳佳偉 曾瑞 毛金鋒 胡綱

摘要：

感潮河段水位流量時空變化復雜，可運用在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)流量整編。為提高流量在線監(jiān)測系統(tǒng)的測驗精度，利用實測數(shù)據(jù)從代表流速精度控制、斷面面積精度控制、代表流速擬合方案優(yōu)選等3個方面對可能導致結(jié)果產(chǎn)生誤差的因素進行分析。結(jié)果表明：通過合理比選代表流速位置、進行代表流速斷面投影、適當延長定點ADCP測速歷時、對數(shù)據(jù)進行平滑處理以及優(yōu)化選擇面積測量方式等，可以有效保證模型精度，滿足水文整編規(guī)范要求。

關鍵詞：

流量測驗； 精度分析； 代表流速； ADCP； 感潮河段

中圖法分類號：P332

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.001

文章編號：1006-0081（2023）05-0006-06

0 引 言

受上游徑流和海洋潮汐雙重作用，感潮河段水位流量時空變化復雜［1］。長江南京河段水位受潮汐影響，每日兩漲兩落，呈非正規(guī)半日潮型，水位年內(nèi)變幅較大；水流特性以單向徑流為主，受潮汐上溯影響，枯季斷面出現(xiàn)負流，自左岸起影響通量；水位、流量曲線呈波浪形變化，流量整編較為困難。韋立新、朱巧云等［2-3］研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子式流速儀或ADCP走航式施測流量監(jiān)測的頻次偏少，無法實現(xiàn)流量的過程推求，對此可通過建立流量在線監(jiān)測系統(tǒng)解決。馬富明等［4］通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，近年來國內(nèi)不少河流采用在線流量監(jiān)測系統(tǒng)，然而實際運用效果良好的不多，精度難以保證。本文采用優(yōu)化測驗方式及實測數(shù)據(jù)，針對感潮河段流量在線監(jiān)測系統(tǒng)中可能導致結(jié)果產(chǎn)生誤差的因素進行分析，旨在提高流量資料整編精度與流量在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

1 研究內(nèi)容

1.1 代表流速精度控制

流量在線監(jiān)測系統(tǒng)通常采用流速-面積法建模。為了使模型推算的斷面平均流速更貼近真實流速，需充分考慮各項代表流速的代表性與一致性，本文將圍繞代表流速的比選、流速的投影、測速歷時選擇、流速曲線擬合方法4個方面展開分析。

1.2 斷面面積精度控制

流量在線監(jiān)測系統(tǒng)斷面面積可采用實時水位插補大斷面數(shù)據(jù)方法獲取，受旁瓣及盲區(qū)影響［5］，走航式ADCP自測的斷面面積與實際存在偏差，需要優(yōu)化面積測量方式。

1.3 代表流速組合方案優(yōu)選

當流量在線監(jiān)測系統(tǒng)中存在多項代表流速時，需比選不同組合，分別建模，統(tǒng)計誤差，驗證精度，選出最優(yōu)方案。

2 數(shù)據(jù)來源

長江水利委員會水文局研發(fā)的基于ADCP的流量在線監(jiān)測系統(tǒng)可實時推求長江下游感潮河段斷面流量［6-7］，滿足了長江下游水文資料系統(tǒng)性和連續(xù)性的要求，為感潮河段以及易受各種水力因素影響河段的流量報汛及整編提供了科學參考［8-9］。本文以南京水文實驗站（以下簡稱“研究區(qū)域”）使用的基于ADCP的流量在線監(jiān)測系統(tǒng)為實例展開分析。

研究區(qū)域流量在線監(jiān)測系統(tǒng)中，采用2臺定點垂向ADCP和1臺水平式ADCP相結(jié)合的方式連續(xù)施測代表流速，見圖1。

通過走航式全潮水文測驗方式率定3個代表流速與斷面平均流速的多元線性回歸模型；斷面面積通過實時水位插補大斷面資料計算。采用走航式ADCP每年施測30次以上的穩(wěn)定流時段流量用以驗證模型精度。技術路線圖見2。

本文數(shù)據(jù)全部來自于研究區(qū)域 2021年1～12月的實測資料。其中在線測流系統(tǒng)數(shù)據(jù)來自3個代表流速實時數(shù)據(jù)；走航式全潮水文測驗共90測次，見表1，實測流量范圍-1 110～62 600 m3/s，水位范圍3.22～8.58 m，用于模型參數(shù)率定；另施測走航式穩(wěn)定流測驗30余次，用于模型精度驗證計算。

3 精度與誤差控制

3.1 代表流速比選

研究區(qū)域大斷面形態(tài)為“V”形且深槽靠右（圖1），在長江右岸斷面起點距2 140 m處布設一個水平式ADCP，選取實測水面以下一段流速作為代表流速；在江中斷面起點距1 115 m處及起點距1 595 m處設置兩個浮標平臺，平臺上布設定點垂向ADCP實測兩垂線的平均流速作為另外的代表流速。

根據(jù)歷史實測落潮期穩(wěn)定時段流量測驗資料分析，將流速儀測流斷面從左岸起共布設的10條測速垂線的垂線平均流速與斷面平均流速建立相關關系，優(yōu)選出相關性最佳的第6條垂線 ［11］ ，即圖中起點距1 595 m處；針對受感潮影響時，斷面從左岸起出現(xiàn)負流的情況（圖3），以起點距1 115 m處第3條垂線作為代表流速。

綜合考慮測速區(qū)域覆蓋橫斷面范圍［12］、所在水道平均水深、供電、安全性、維護保養(yǎng)、上游板橋河閘排澇干擾、汛期含沙量大時傳感器測量范圍銳減等因素，在右岸起點距2 140 m處深槽附近布設水平式ADCP，選取水下3.0 m位置處發(fā)射波束100～150 m的水平區(qū)段數(shù)據(jù)，該區(qū)段水平層平均流速與斷面平均流速的相關關系較好，可確保全年水平式ADCP數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，保證了該指標流速數(shù)據(jù)提取的一致性和延續(xù)性。

3.2 流速投影

走航式ADCP軟件提供的斷面計算方式包括與航跡線平行、與斷面平均流向垂直、與投影角垂直 ［13］。因為需要對照斷面起點距摘錄流速并準確計算平均流速，本文選擇與投影角垂直的方式計算。研究區(qū)域斷面流向較為穩(wěn)定，與垂直斷面方向42°基本保持一致，因此斷面投影角度為42°。為了保證資料的一致性，流量在線監(jiān)測系統(tǒng)流速計算時也進行投影處理。將定點垂向ADCP測得垂線平均流速 V? f投影到42°方向作為代表流速 V? f 1 （起點距1 115 m）、 V? f 2 （起點距1 595 m），如圖4所示。（實際操作中比照42°偏差超過10°時做偏角改正）。

水平平均流速考慮到水平式ADCP流速計算默認坐標系統(tǒng)的 Y軸為換能器脈沖發(fā)射方向，Y軸和流速儀測流斷面方向非完全平行，X軸垂直于Y軸，因此X軸 分量與水流方向也存在夾角，故而需要將水平平均流速投影到42°方向作為代表流速 V? h? ，如圖5所示。

3.3 測速歷時選擇

基于流量測驗Ⅰ型誤差，足夠的測速歷時可以使得垂線各測點流速誤差在流速脈動總體平衡條件下被有效抵消［14-15］。研究區(qū)域處于感潮河段，每天漲落潮時流速變化速率快，ADCP測速歷時過長，會導致數(shù)據(jù)不能有效反映流速變化過程；歷時過短，會使流速脈動幅度增大，降低數(shù)據(jù)代表性。

圖6（a）為測速歷時為30，60，120 s情況下垂線平均流速過程線。可以看出，一定范圍內(nèi)，隨著歷時增大，流速脈動減弱；圖6（b）為測速歷時為90，120，150 s情況下垂線平均流速過程線，三者趨勢較為一致。

圖7為某時段ADCP測速歷時為30，60，90，120 s情況下采集流速與代表線垂線平均流速（以150 s歷時滑動平均后的流速值為其他各種歷時試驗值的參比值）的相關性分析。可以看出，隨著測速歷時增加，ADCP測得流速的代表性逐漸增大，從代表性與實時性方面考慮，推薦ADCP測速歷時為60～120 s。

3.4 流速曲線擬合

除了通過適當延長測速歷時來減小脈動，也應選用適當?shù)那€對代表流速進行擬合，進一步削弱脈動影響。滑動平均曲線擬合是通過插值法擬合光滑曲線的一種方法。在曲線擬合的基礎上再輔以人工修線，可以改善擬合曲線與原始數(shù)據(jù)間的相關關系，清晰地描述數(shù)據(jù)趨勢［16］。本文采用滑動曲線擬合方法。如圖8所示，曲線擬合后很大程度上消除了脈動流速的影響，流速與水位的周期性對應關系符合感潮河段的水流特性。代表流速經(jīng)曲線擬合后，將全潮水文測驗所有測次時間節(jié)點在擬合曲線上查讀，對應的流速值作為自變量參與回歸分析以及流量計算。圖9（a），（b）分別是曲線擬合前后第6條代表垂線流速與走航式ADCP實測斷面平均流速的相關性對比，可以看出擬合后相關性增強。

3.5 面積誤差控制

研究區(qū)域流量在線監(jiān)測系統(tǒng)斷面面積采用實時水位插補大斷面數(shù)據(jù)方法獲取，大斷面每月實測一次。將同次流量測驗中ADCP實測斷面面積與水位插補斷面面積對比分析（圖10），發(fā)現(xiàn)ADCP實測水深與測深儀測得水深普遍存在偏差。在走航式600 kHZ ADCP 測量時外接1臺208 kHZ單波束測深儀施測水深，進行對比分析，見圖11。

綜合圖10～11分析可知，外接測深儀后，同測次斷面左岸起點距700～1 100 m處水深和斷面起點距2 030 m處的深泓部分的水深誤差明顯變小，斷面面積誤差精度有所提高。在斷面起點距1 200～1 700 m的中泓部分面積差值系河床“走沙”運動導致。

對比2021年全潮水文測驗期間90測次水位插補面積值與外接測深儀實測值，系統(tǒng)偏差為-0.33%，隨機不確定度為1.16，最大單次誤差為-2.0%，面積誤差得到較好控制，從而提高流量計算精度。

4 方案比選及誤差分析

研究區(qū)域的流量在線監(jiān)測系統(tǒng)由3個代表流速構成。考慮到代表流速偶爾會出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失狀況，兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用多方案組合形式共7種方案進行線性回歸分析，并求取回歸系數(shù) C，A 1，A 2，B及決定系數(shù)R2 。

方案1，2，3：分別統(tǒng)計單一指標（垂線代表流速 V? f 1、垂線代表流速V? f 2、水平代表流速V? h ）與斷面平均流速V之間的關系；方案4，5，6：統(tǒng)計雙指標與斷面平均流速V之間的關系（方案4考慮V? f 1和V? h ，方案5考慮V? f 2和V? h ，方案6考慮V? f 1和V? ?f 2）；方案7：統(tǒng)計3個指標與斷面平均流速V 之間的關系。

以90組流量流速數(shù)據(jù)為因變量，同時間段流量在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的 V? f 1，V? f 2和V? h 作為自變量進行多元線性回歸分析，建立的多元回歸模型系數(shù)見表2。7種方案下計算結(jié)果精度都較高，決定系數(shù)R2值均在0.97以上，說明斷面平均流速V與垂線代表流速V? f 1，V? f 2及水平代表流速V? h? 具有較好的相關關系。

多種代表流速方案的決定系數(shù) R 2均高于單一代表流速方案，即方案4，5，6，7的決定系數(shù)均優(yōu)于方案1，2，3。這說明綜合考慮兩項代表流速較單獨考慮某一項代表流速，計算得到的結(jié)果更加符合實際情況；而在兩種代表流速方案中，考慮垂線代表流速 V? f 和水平代表流速V? h 均優(yōu)于考慮雙垂線代表流速V? f 1，V? f 2 ，即方案4，5優(yōu)于方案6；方案4，7最優(yōu)。

本文利用90次全潮水文測驗數(shù)據(jù)建立了多元線性回歸模型擬合斷面平均流速進而計算流量，通過當年另外時段30余次走航式ADCP流量實測值論證推求了流量的精度。誤差分析見表3。

從表2～3可以看出，雖然決定系數(shù) R 2較高，計算流量與實測流量依然會有不同程度的系統(tǒng)誤差，尤其單一代表流速的方案1，2，3及雙垂線方案6，決定系數(shù)較高但系統(tǒng)誤差較大。方案2系統(tǒng)誤差及隨機不確定度最大。這是因為方案2采用的垂線代表流速 V? f2位置處于斷面左岸淺灘，受到潮水上溯影響明顯，汛期流速變化趨勢和斷面平均流速一致，枯季漲潮時會最先反映出斷面負流情況，時常出現(xiàn)流速方向與斷面平均流速相反的現(xiàn)象。

根據(jù)3種檢驗（符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗）結(jié)果來分析，多種代表流速方案4，5，7均達到了Ⅰ類精度站的定線要求（SL/T 247-2020《水文資料整編規(guī)范》中系統(tǒng)誤差±2%，隨機不確定度10%），方案7與方案4決定系數(shù)、系統(tǒng)誤差、3種檢驗等各項誤差指標較為接近，加入代表流速 V? f 2 的方案7精度最高。

5 結(jié) 論

（1） 本文利用已有監(jiān)測時段內(nèi)實測的斷面平均流速、垂線代表流速和水平代表流速，建立了斷面平均流速的多元線性回歸模型。模型具有較好的精確性，可應用于實際的水文工作中。

（2） 應盡可能準確選擇合適代表流速，并通過調(diào)整測速歷時與曲線擬合減弱流速脈動影響，通過流速投影的方式提高代表流速與斷面平均流速之間的相關關系，以獲得合理、準確的變化過程。

（3） 應選擇合適斷面面積施測方式以保證建模數(shù)據(jù)一致性，流量在線監(jiān)測系統(tǒng)采用的斷面面積與走航式ADCP實測值間的偏差可通過外接測深儀方式控制。

（4） 多元線性回歸模型中選用的代表流速不同，其計算精度也有所不同。本文中綜合考慮垂線代表流速和水平代表流速，其計算結(jié)果的精度值要優(yōu)于只考慮某一單項代表流速和雙垂線流速方案；結(jié)合歷年資料，采用3種代表流速擬合精度最高。在實際工作中，應盡量完整、準確地監(jiān)測出全部代表流速，使模型更加準確、有效。

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（編輯：江 文）

Abstract：

Tidal river section has a complex spatial and temporal variations of water level and discharge.Therefore，the on-line monitoring system could be applied for the tidal river discharge data compilation.Aimed at enhancing the accuracy of on-line measuring system，the measured data were used to analyze the factors that may cause errors in the results from three aspects：precision control of representative velocity，precision control of cross-sectional area and optimization of representative velocity fitting schemes.The results indicated that through reasonable comparison and selection of index velocity position，projection of index velocity cross section，appropriately extension of fixed point ADCP velocity measuring duration，processing of data smoothing，and optimized selection of area measurement etc.，the optimized method can effectively satisfy the accuracy of online flow measuring system.

Key words：

flow measurement； accuracy analysis； representative velocity； ADCP； tidal reach