全自動電波流速儀纜道在流速修正技術中的應用

楊 健

（河北省石家莊水文勘測研究中心，石家莊 050051）

電波流速儀是一種利用多普勒原理進行測速的儀器，屬于非接觸式測速設備。該儀器不僅適用于山區水情復雜、水流湍急、含沙量較大、水面漂浮物較多的睡眠流速測量， 還可在普通轉子式流速儀無法入水的特殊水情水面流速測量。 減少單次的自動測流設備的誤測率， 提高儀器測驗合理性是加強水文應急監測能力和發布準確預測預報的重要依據。 單次的流量合理性檢驗一般采用人工實測后進行， 無法適應當前對水文監測數據實時準確上報的要求。 全自動測流纜道雖能及時快速完成流量測驗， 但需要對測流儀器采集的流速數據進行分析，修正部分不合理的測點，才能得到相對準確的流量值。

1 流速修正的依據

1.1 垂線水深和流速關系

借助MATLAB、Lingo 數學軟件通過最小二乘法等算法， 從歷史大數據中分析和挖掘標準流速分布圖和垂線的水深流速關系線。 將各垂線歷史測流數據（包括水深和流速）傳遞給最小二乘法算法庫，算法庫利用二次多項式動態擬合出固定垂線水深和流速的關系。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，由最小二乘法求解得到。在實際測流工作中， 可隨著測流數據的不斷累積定期更新以上水深～流速關系公式，即根據新的測流數據重新估算系數a、b 和c。如圖1。

圖1 某站水深與流速關系曲線

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系是一個持續的漸變過程，因此，需要通過軟件和大量實測數據進行不斷修正。 通過關系曲線的確定， 可以得出各條預定垂線流速在不同水深下的分布，各個相鄰測次所測流速構成的分布圖，如圖2，其形狀都大致相同即標準流速分布圖。

圖2 斷面多次流速分布圖與標準分布圖

1.2 垂線流速的合理修正

通過不同水深標準流速分布圖，對斷面形狀、糙率等控制因素變化不大的雷達波測速點流速進行合理修正。流量施測中，所測流速的流速分布圖其形狀如果偏離標準流速分布圖， 與標準流速分布圖相應的垂線流速超出一定的比例范圍，依據水深、流速在自然條件下的漸變性分析，如果超出一定的閾值，該測次中相應的垂線流速就應該被質疑和修正。

2 流速修正的過程

2.1 修正垂線流速

（1）確定河水的標準流速分布圖。

（2）修正實測垂線流速，以標準流速分布圖為依據，逐一校核、修正每個測次的各個實測垂線流速，從而得到修正后的河水流量。 ①確定本測次的依據流速分布圖。 ②逐一判讀各個實測垂線流速與依據流速分布圖中對應位置流速的差， 如果該差值的絕對值大于設定值， 則將該垂線流速替換為依據流速分布圖上的垂線流速。 通過修正提升測流設備的抗干擾能力，提高流量監測數據的精度。

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

通過軟件展示標準流速分布圖修改垂線流速的過程，流速修正如表1。

表1 流速修正表

可以看出， 垂線起點距19、22、28 沒有測到流速，垂線起點距34 所測流速超大明顯不合理，需要進行流速修訂。具體步驟如下：

（1）計算實測值與標準值之比。起點距48、59 對應的比值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。改算值對應的流速分布圖與標準流速分布圖的形狀是一模一樣的。（3）實測值與改算值之差，差值>0.4 的，采用改算值，否則采用實測值。

3 流速修正技術的應用

3.1 基本情況

小覺水文站位于河北省平山縣小覺鎮 （東經113°43′、北緯38°23′），始建于1955 年6 月，集水面積1.4 萬km2，是滹沱河重要的控制站。測驗斷面位于小覺村西北約100 m 處，河段大致順直，左、右岸為公路。 基本監測斷面上游約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。流量測驗方法有全自動水文纜道、吊箱纜道、高架浮標、手持電波流速儀、自動電波流速儀纜道。

3.2 洪水中流速修正的應用

通過分析豐水年2018、2019 年的200 多組數據，確定流速分布圖呈現規律的狀態，定義一個標準流速分布圖來規范和修正異常數據。小覺站2019 年出現1 次明顯的洪水過程，最高峰在2019 年8 月5日10:10，測得最大流量為274 m3/s，水位165.33 m。首先經過一系列分析， 和當年前后流量測次中各條流速的分布規律，確定將65 測次，各條垂線的流速分布情況，定義為該時段內的標準流速分布圖。如圖4。

圖4 標準流速分布圖

利用標準曲線和程序對2019 年漲水過程中的測次進行了篩選，發現53 測次流速均有垂線流速偏差超出比例范圍的情況， 根據修正邏輯進行了相應的修正。修正后的流速分布更加合理，符合流速分布規律， 幾條流速與經驗流速分布不合理的測點均得到了修正，流速分布曲線無較大的突兀點。如圖5。

圖5 流速修正前和修正后對照圖

通過幾次流速修正使得幾個測次的流量也隨之改變，得到的水位與流量的關系點群更加的集中，原本偏離曲線較多的測次流量數據， 現在與其他前后的測次呈現出較好的相關聯系，因此可以推斷，幾次的流速測驗確實存在問題； 通過流速修正技術的應用，從流量的基本元素垂線流速去修正之前的問題，使得流量數據更加合理。如圖6，小覺站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系曲線。

圖6 小覺站2019 年7—8 月水位流量關系

4 結語

（1）自動電波流速纜道自動化程度高，在流量監測中可以定時或設定水位變化幅度自動收集流量數據，其中包括各條垂線的流速數據，為數據分析提供了龐大的基礎數據支撐。 方便技術人員調取數據進行分析和總結，找出問題和規律，并結合自動形成的標準流速分布圖，進行人工的調整和修正。在各級部門對水文數據的監測和上報要求時效性越來越高的情況下，快速消除一定的奇異垂線數據，保證整體的流速分布的合理性， 以保證整個斷面流量計算的質量。減少了人為修正操作帶來的主觀性，縮短了處理數據的時間。

（2）當然流速修正技術有其自身的局限性。參與修正的動態閾值不好控制， 程序自動修正的個別參數需要人工去處理； 電波測速這種非接觸式測速儀器相比接觸式測速儀器在流速數據的穩定性上還有一定的差距。因此，流速修正技術在多變的外界條件下，還需要進一步優化，提高人工智能方面的應用和加強對外界影響因素參數的率定， 才能使修正技術更加完善，測得的流速值更加接近真值。