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1、濯河坝水文站水平ADCP 测验资料整编方法研究邓彬1董泽纯1牛睿平2王艳红3于宝荣1（1.重庆市水文水资源勘测局重庆 401147）（2.南京水利水文自动化研究所江苏南京210000）（3.重庆市江北区农林水利局重庆市 401147）摘要：为有效解决濯河坝水文站受上游水电站调蓄和下游电站回水影响下的流量水文测验难题，2010 年濯河坝水文站引进安装了Sontek淘金者 SL500 水平 ADCP ，通过近几年的运行，所收集的水位、流速资料系列较为完整， 水平 ADCP 流量与转子流速仪流量的相关性较好。为了深入分析该水平ADCP 的特性以及其使用条件，本文对濯河坝水文站 2011年收集的水文资
2、料进行了分析和整理，总结水平 ADCP 使用经验，以期更好地用于重庆水文测验工作之中。关键字： 水文站； ADCP ；测验；资料整编1 概述流量测验是水文测站工作的主要任务之一。传统的流量测验手段由于测流历时长、自动化程度低、操作复杂等缺点，越来越不能适应水文现代化事业的发展要求。 随着社会经济的发展和河流流域的逐步开发，受水利工程影响的水文测站将逐渐增多，使用传统的水文测验方法使得流量测验变得更加困难。水平式 ADCP 利用声学多普勒原理通过自动测定河流代表流层的指标流速的方式来进行流量测验，具有不扰动流场、历时短、自动化程度高、实时性好等优点， 可有效地解决受水利工程影响的河道流量测验问题
3、，极大地减轻了水文测验劳动强度、提高测验工作效率，是流量测验现代化发展的趋势之一。为有效解决濯河坝水文站受上游水电站调蓄和下游电站回水等影响下的水文测验难题，2010 年濯河坝水文站引进和安装了Sontek淘金者 SL500 水平 ADCP。通过近几年的运行， 所收集的水位、 流速资料系列较为完整，初步分析得出ADCP 流量与转子流速仪流量的相关性较好。为了深入分析该水平ADCP 的特性以及其使用条件，本文对濯河坝水文站2011 年收集的水文资料进行了分析和整理，总结水平 ADCP 使用经验，以期更好地用于重庆水文测验工作之中。2 水平 ADCP 流量测验原理ADCP的名称叫声学多普勒流速剖面
4、仪，其利用压电陶瓷作为声学换能器，向水流中发射脉冲声波， 然后接收被水中颗粒物散射回来的声波，依据声波脉冲频移，计算出水流的流速和流向。水平ADCP通常安装在河流岸边， 从岸边向河流中央水平发射有一定夹角的两条波束，实时测量某一水层的流速分布，作为指标流速。水平ADCP 通常要与走航 ADCP 或转子流速仪等进行比测， 率定水平 ADCP 测量的指标流速与断面平均流速的相关关系。 Sontek 淘金者 SL500水平 ADCP还内置水温、纵横摇倾角、超声波水位、压力水位等传感器，用于实时水位采集、温度补偿和参数调整等。根据指标流速与断面平均流速的相关关系，可以将ADCP 实测的指标流速反求出断
5、面平均流速， 再将断面平均流速乘以过水断面面积求得实时流量。其计算基本公式如下：1、)(VifVc，断面平均流速是指标流速的函数；2、)(HfA，过水断面面积为水位的函数；3、VcAQ，流量计算公式；其中： Vc- 断面平均流速（m/s） ， Vi-指标流速或 ADCP 流速 （m/s） ，H-水位（m ） ，A-过水断面面积（ m2） ，Q-流量（m3/s ） 。3 水平 ADCP 测验资料的整编方法3.1 水平 ADCP 测验资料的预处理由于自然灾害、 仪器故障、水中漂浮物缠绕等原因， 水平式 ADCP测验数据可能缺测， 在资料整理时需要对缺测资料进行插补，通常可以采用上下游水位过程线法、
6、建立数学模型插补等方法。水平 ADCP 所测得的水文资料时间系列是非平稳的，呈现各种各样的特性，在资料整编前需要对其进行平滑处理。目前小波分析方法和滑动平均法均可以用于水文时间系列的去噪处理。对于受水利工程影响的水文资料系列存 在骤变等特性 ， 在平滑处理时采用小波分析方法更为适合一些， 利用小波分析方法排除水文数据中的噪音，充分利用小波变换的多分辨率多尺度分析的思想和时频局部化特点，提高了ADCP 测验数据的精度和质量。根据近年来小波分析方法在水文时间系列处理结果来看，采用Daubechies 小波基函数对水文时间序列进行多层分解，采用硬阀值或软阀值去处水文时间序列中的高频部分，可以有效去除
7、水文时间系列中的随机噪声和突变点1,2。3.2 水位与断面过水面积推算水平 ADCP 测得的水位数据是由水位传感器测得的水深加上水位传感器高程，由于水平ADCP 安装支架的沉降位移、传感器零点漂移等影响，仪器水位资料经过预处理后，按照水位观测规范要求，需用人工水尺水位对水平ADCP 水位数据进行订正，得到连续、准确的水位监测数据。由于水文站测验断面存在一定的冲淤变化，在汛期要加强水道断面的测量。在大断面借用时，为保证推算面积的准确性，需要根据推算流量的具体时间选用适合的大断面成果。3.3 指标流速与断面平均流速关系率定指标流速法是美国地质调查局(USGS) 于 1982 年提出并应用， 其原理
8、是利用相关分析法或回归法建立局部流速与断面平均流速之间的相关关系， 由局部流速推算断面平均流速，进而实现断面流量的实时监测。水平ADCP 指标流速与断面平均流速回归模型的选择受仪器安装方式、测验参数设置、断面情况、测站条件、资料质量要求等多方面因素影响。目前，常用的指标流速回归模型5有：一元线性、二元线性、复合线性、一元二次多项式、幂函数、径向神经网络等。在具体应用中可以选用多种回归模型进行比较分析，确定适合的回归模型和比测方式。在水文站测验过程中，水平ADCP 可能无法测得测站的整个水位变幅和流量过程， 此时可采用其他测流方式作为补充，如枯水和低水可用转子流速仪涉水测验、高水采用水文缆道、浮
9、标、电波流速仪等进行监测。3.4 水平 ADCP 测验资料的精简分析水平 ADCP 的自动化程度很高，一年采集的数量量很大，以每5分钟自动采集一个数据计算，一年就有10 万多个数据。数据量的增大在提高水文资料质量的同时也增加了资料整理工作的难度。可采用精简分析法，从大量的水文测验数据中选出较少的测次来表达水文要素的变化过程，达到减少数据处理量，提高工作效率的目的。水文资料精简方法有手工摘录、 计算机自动摘录等。 手工摘录的方式存在工作效率低、易错等问题。 计算机自动摘录中的折线逼近方法适宜于对遥测水文资料进行的精简处理4。4 应用实例濯河坝水文站位于重庆市黔江区冯家镇阿蓬江流域，东经108 4
10、6、 北纬 29 21， 于 2010 年 1 月 1 日由原濯河坝水位站上迁6km而来，现行集水面积3180 平方千米，距河口距离84.5 千米。断面形状呈 U型，测验河段顺直长约400米，无区间入流，河床由卵石夹砂组成，两岸均为自然护坡。断面控制较好，基下800m为浅滩控制，为低水临时测流断面，各级水位主泓基本稳定，全年最大流速在3.0m/s 左右，平均流速在0.102.50m/s ，水面宽 75140m ，最大水深变幅在 7.0 15.0m 之间。断面冲淤变化小，汛期水位上涨时漂浮物较多，含沙量较大，落水及平水时漂浮物较少。枯季江水较清。水位测验方式采用人工水尺观测， 流量测验方式采用电
11、动水文缆道测验。流量资料采用临时曲线法整编。随着阿蓬江流域的梯级开发， 濯河坝水文站测验断面上游约6km建有渔滩电站，下游14km 建有箱子岩电站。由于受上游电站调蓄发电和下游电站水库回水的影响，水文测验工作量较大，如图1。为解决水文测验受人为影响的问题，2010 年 6 月濯河坝水文站安装了Sontek公司的淘金者 SL500kHz 水平 ADCP，仪器安装于测验断面左岸，具体位置如图2。濯河坝水文站 2011年6月水位-流量过程线图403403.5404404.5405405.5406406.5407407.54082011-6-1 0:022011-6-11 11:012011-6-21
12、 21:01时间水位(m)0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.0500.0流量(m3/s)水位流量图 1 2011 年 6 月水位流量过程线图Fig.1 The stage and discharge hydrograph diagram of Zhuo Heba hydrological station in 2011 June 395400405410415420020406080100120140160起点距(m)高程(m)水平ADCP, 高 程404.36m2011年平均水位 405.48m2011年最低水位 404.70m201
13、1年最高水位 411.41m图 2 濯河坝水文站水平ADCP 安装位置图Fig.2 The horizontal ADCP installation location map of Zhuo Heba hydrological station首先，将 2011年濯河坝水平 ADCP 数据进行汇总分析 ，对因设备故障等原因导致的水平ADCP 缺测数据进行插补，得到完整的水文时间序列。采用“ DB5”小波基函数对2011 年水文时间序列3 层分解，对高频部分进行软阀值去噪。成果数据显示，小波变换前后2011年水文时间序列的均值不变，方差降低不明显。其次，濯河坝水文站 2011年实测流量 58 份，
14、除去在临时断面测流、无 ADCP 流量资料对应等无法参与率定的19 份，选取 39 份转子流速仪实测流量资料摘录与之对应的水平ADCP 流量资料进行率定分析。分析率定采用两种模型：一是二元线性回归模型，二是径向神经网络模型。二元线性回归模型采用cVibHaVc)(关系式，其中， a、b、c为系数，Vc为断面平均流速 （m/s） ， Vi为指标流速或 ADCP 流速（m/s） ，Z为水位（ m ） 。率定过程中为防止系数出现大值，对水位、断面流速数据进行归一化处理， 得到基本关系式017987.0)10942.08883. 0(ViHVc。径向神经网络模型中采用),(ViHfVc关系式，其中，
15、Vi为指标流速或 ADCP 流速（m/s） ，Z 为水位（ m ） 。率定前对水位、流速数据进行归一化处理，率定过程中调整神经网络隐形节点格式使网络零点误差集中。网络误差评定见图3-5。图 3 神经网络结构图Fig.3 Neural network structure diagram图 4 神经网络误差分布图Fig.4 Neural network error distribution map图 5 神经网络相关关系图Fig.5 Neural network correlation diagram结合濯河坝水文站2011 年水文资料整编成果分析，在水位低于406.70m时，水平 ADCP 流量
16、测验误差大于 整编规范3允许范围。由于濯河坝水文站低水水位流量关系呈稳定单一线（见图6） ，因此，对于水平ADCP 低水流量资料需用该站低水水位流量关系线进行改正。404.50405.00405.50406.00406.50407.00050100150200250 流量(m3/s)水位(m)图 6 濯河坝水文站低水水位流量关系曲线Fig.6 The low stage discharge relation curve of Zhuo dam hydrological station濯河坝水文站 2011年水平 ADCP 流量测验资料有 34674个数据，冗余数据量较大，采用折线逼近法4分别对上述模型转换的流量数据，精简后分别得到 5477 个数据和 5488 个数据，数据精简到原始数据的 15%左右，有效降低了整编工作量。最后，将精简的2011 年濯河坝水文站水平ADCP 流量时间序列导入“南方资料整编软件2.0”中进行整编计算，得出流量测验成果。将 ADCP 测验成果与转子流速仪测验成果进行比较（见表 1、2、3） ，可以得出： 1、濯河坝水文站水
