全自動(dòng)電波流速儀纜道在流速修正技術(shù)中的應(yīng)用

楊 健

（河北省石家莊水文勘測(cè)研究中心，石家莊 050051）

電波流速儀是一種利用多普勒原理進(jìn)行測(cè)速的儀器，屬于非接觸式測(cè)速設(shè)備。該儀器不僅適用于山區(qū)水情復(fù)雜、水流湍急、含沙量較大、水面漂浮物較多的睡眠流速測(cè)量， 還可在普通轉(zhuǎn)子式流速儀無(wú)法入水的特殊水情水面流速測(cè)量。 減少單次的自動(dòng)測(cè)流設(shè)備的誤測(cè)率， 提高儀器測(cè)驗(yàn)合理性是加強(qiáng)水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力和發(fā)布準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要依據(jù)。 單次的流量合理性檢驗(yàn)一般采用人工實(shí)測(cè)后進(jìn)行， 無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前對(duì)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確上報(bào)的要求。 全自動(dòng)測(cè)流纜道雖能及時(shí)快速完成流量測(cè)驗(yàn)， 但需要對(duì)測(cè)流儀器采集的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，修正部分不合理的測(cè)點(diǎn)，才能得到相對(duì)準(zhǔn)確的流量值。

1 流速修正的依據(jù)

1.1 垂線水深和流速關(guān)系

借助MATLAB、Lingo 數(shù)學(xué)軟件通過(guò)最小二乘法等算法， 從歷史大數(shù)據(jù)中分析和挖掘標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖和垂線的水深流速關(guān)系線。 將各垂線歷史測(cè)流數(shù)據(jù)（包括水深和流速）傳遞給最小二乘法算法庫(kù)，算法庫(kù)利用二次多項(xiàng)式動(dòng)態(tài)擬合出固定垂線水深和流速的關(guān)系。即：

式中V 為垂線流速（m/s)；H 為河流垂線水深（m)；a、b 和c 為系數(shù)，由最小二乘法求解得到。在實(shí)際測(cè)流工作中， 可隨著測(cè)流數(shù)據(jù)的不斷累積定期更新以上水深～流速關(guān)系公式，即根據(jù)新的測(cè)流數(shù)據(jù)重新估算系數(shù)a、b 和c。如圖1。

圖1 某站水深與流速關(guān)系曲線

由于斷面的沖淤變化等外界要素影響， 水位與垂線流速的關(guān)系是一個(gè)持續(xù)的漸變過(guò)程，因此，需要通過(guò)軟件和大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷修正。 通過(guò)關(guān)系曲線的確定， 可以得出各條預(yù)定垂線流速在不同水深下的分布，各個(gè)相鄰測(cè)次所測(cè)流速構(gòu)成的分布圖，如圖2，其形狀都大致相同即標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖。

圖2 斷面多次流速分布圖與標(biāo)準(zhǔn)分布圖

1.2 垂線流速的合理修正

通過(guò)不同水深標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖，對(duì)斷面形狀、糙率等控制因素變化不大的雷達(dá)波測(cè)速點(diǎn)流速進(jìn)行合理修正。流量施測(cè)中，所測(cè)流速的流速分布圖其形狀如果偏離標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖， 與標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖相應(yīng)的垂線流速超出一定的比例范圍，依據(jù)水深、流速在自然條件下的漸變性分析，如果超出一定的閾值，該測(cè)次中相應(yīng)的垂線流速就應(yīng)該被質(zhì)疑和修正。

2 流速修正的過(guò)程

2.1 修正垂線流速

（1）確定河水的標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖。

（2）修正實(shí)測(cè)垂線流速，以標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖為依據(jù)，逐一校核、修正每個(gè)測(cè)次的各個(gè)實(shí)測(cè)垂線流速，從而得到修正后的河水流量。 ①確定本測(cè)次的依據(jù)流速分布圖。 ②逐一判讀各個(gè)實(shí)測(cè)垂線流速與依據(jù)流速分布圖中對(duì)應(yīng)位置流速的差， 如果該差值的絕對(duì)值大于設(shè)定值， 則將該垂線流速替換為依據(jù)流速分布圖上的垂線流速。 通過(guò)修正提升測(cè)流設(shè)備的抗干擾能力，提高流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度。

流速修正流程圖如圖3。

圖3 流速修正流程圖

2.2 流速修正示例

通過(guò)軟件展示標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖修改垂線流速的過(guò)程，流速修正如表1。

表1 流速修正表

可以看出， 垂線起點(diǎn)距19、22、28 沒(méi)有測(cè)到流速，垂線起點(diǎn)距34 所測(cè)流速超大明顯不合理，需要進(jìn)行流速修訂。具體步驟如下：

（1）計(jì)算實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值之比。起點(diǎn)距48、59 對(duì)應(yīng)的比值0.605、0.742 都可作為可采信比例，本示例采用了0.605。（2）找出排序靠中間的比值。改算值對(duì)應(yīng)的流速分布圖與標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖的形狀是一模一樣的。（3）實(shí)測(cè)值與改算值之差，差值>0.4 的，采用改算值，否則采用實(shí)測(cè)值。

3 流速修正技術(shù)的應(yīng)用

3.1 基本情況

小覺(jué)水文站位于河北省平山縣小覺(jué)鎮(zhèn) （東經(jīng)113°43′、北緯38°23′），始建于1955 年6 月，集水面積1.4 萬(wàn)km2，是滹沱河重要的控制站。測(cè)驗(yàn)斷面位于小覺(jué)村西北約100 m 處，河段大致順直，左、右岸為公路。 基本監(jiān)測(cè)斷面上游約500 m 有急彎，200 m 處有急灘和亂石； 下游200 m 有公路石橋1 座，300 m處有淺灘及堆石引水壩，影響水流。流量測(cè)驗(yàn)方法有全自動(dòng)水文纜道、吊箱纜道、高架浮標(biāo)、手持電波流速儀、自動(dòng)電波流速儀纜道。

3.2 洪水中流速修正的應(yīng)用

通過(guò)分析豐水年2018、2019 年的200 多組數(shù)據(jù)，確定流速分布圖呈現(xiàn)規(guī)律的狀態(tài)，定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖來(lái)規(guī)范和修正異常數(shù)據(jù)。小覺(jué)站2019 年出現(xiàn)1 次明顯的洪水過(guò)程，最高峰在2019 年8 月5日10:10，測(cè)得最大流量為274 m3/s，水位165.33 m。首先經(jīng)過(guò)一系列分析， 和當(dāng)年前后流量測(cè)次中各條流速的分布規(guī)律，確定將65 測(cè)次，各條垂線的流速分布情況，定義為該時(shí)段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖。如圖4。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖

利用標(biāo)準(zhǔn)曲線和程序?qū)?019 年漲水過(guò)程中的測(cè)次進(jìn)行了篩選，發(fā)現(xiàn)53 測(cè)次流速均有垂線流速偏差超出比例范圍的情況， 根據(jù)修正邏輯進(jìn)行了相應(yīng)的修正。修正后的流速分布更加合理，符合流速分布規(guī)律， 幾條流速與經(jīng)驗(yàn)流速分布不合理的測(cè)點(diǎn)均得到了修正，流速分布曲線無(wú)較大的突兀點(diǎn)。如圖5。

圖5 流速修正前和修正后對(duì)照?qǐng)D

通過(guò)幾次流速修正使得幾個(gè)測(cè)次的流量也隨之改變，得到的水位與流量的關(guān)系點(diǎn)群更加的集中，原本偏離曲線較多的測(cè)次流量數(shù)據(jù)， 現(xiàn)在與其他前后的測(cè)次呈現(xiàn)出較好的相關(guān)聯(lián)系，因此可以推斷，幾次的流速測(cè)驗(yàn)確實(shí)存在問(wèn)題； 通過(guò)流速修正技術(shù)的應(yīng)用，從流量的基本元素垂線流速去修正之前的問(wèn)題，使得流量數(shù)據(jù)更加合理。如圖6，小覺(jué)站2019 年7—8 月流量修正后高水部分形成比較好的水位流量關(guān)系曲線。

圖6 小覺(jué)站2019 年7—8 月水位流量關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

（1）自動(dòng)電波流速纜道自動(dòng)化程度高，在流量監(jiān)測(cè)中可以定時(shí)或設(shè)定水位變化幅度自動(dòng)收集流量數(shù)據(jù)，其中包括各條垂線的流速數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析提供了龐大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。 方便技術(shù)人員調(diào)取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)，找出問(wèn)題和規(guī)律，并結(jié)合自動(dòng)形成的標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖，進(jìn)行人工的調(diào)整和修正。在各級(jí)部門(mén)對(duì)水文數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和上報(bào)要求時(shí)效性越來(lái)越高的情況下，快速消除一定的奇異垂線數(shù)據(jù)，保證整體的流速分布的合理性， 以保證整個(gè)斷面流量計(jì)算的質(zhì)量。減少了人為修正操作帶來(lái)的主觀性，縮短了處理數(shù)據(jù)的時(shí)間。

（2）當(dāng)然流速修正技術(shù)有其自身的局限性。參與修正的動(dòng)態(tài)閾值不好控制， 程序自動(dòng)修正的個(gè)別參數(shù)需要人工去處理； 電波測(cè)速這種非接觸式測(cè)速儀器相比接觸式測(cè)速儀器在流速數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性上還有一定的差距。因此，流速修正技術(shù)在多變的外界條件下，還需要進(jìn)一步優(yōu)化，提高人工智能方面的應(yīng)用和加強(qiáng)對(duì)外界影響因素參數(shù)的率定， 才能使修正技術(shù)更加完善，測(cè)得的流速值更加接近真值。