基于二維測(cè)流方式下流量算法模型在天然河道中的研究與應(yīng)用

阮 聰，方金鑫，牛智星，劉 偉，陳紹祥，陳 翠，陳宇飛

(1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2.云南省水文水資源局麗江分局，云南 麗江 674100；3.云南省水文水資源局臨滄分局，云南 臨滄 677000)

0 引言

流量資料具有極為重要的作用，涉及防洪安全、水文水利計(jì)算、水資源評(píng)價(jià)等各個(gè)方面，因此河流流量測(cè)量是水文工作的重要內(nèi)容。

河道流量資料無法通過測(cè)量直接獲取，必須先測(cè)量流速和過水面積數(shù)據(jù)，然后再通過相應(yīng)模型計(jì)算出最終的流量數(shù)據(jù)。當(dāng)前常規(guī)的河道流速測(cè)量?jī)x器包括流速儀、雷達(dá)波測(cè)流設(shè)備等，基本原理是人工/自動(dòng)測(cè)量河道單點(diǎn)流速[1]、多點(diǎn)面上流速，按照物理空間的劃分可以理解成點(diǎn)為一維空間，面為二維空間。

想要獲取準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)，首先流速要測(cè)得準(zhǔn)確，其次模型算法一定要合適，否則出來的流量與真實(shí)流量偏差較大。本文基于二維流速測(cè)量方式下，對(duì)相應(yīng)的流量算法模型進(jìn)行研究和應(yīng)用。

1 流速、過水?dāng)嗝婷娣e的獲取

1.1 流速

按照不同維度可以分為以下幾類。一維：針對(duì)點(diǎn)流速進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，主要采集設(shè)備有旋杯/旋槳式流速儀、單點(diǎn)雷達(dá)等。二維：針對(duì)面上的多點(diǎn)、多垂線流速的測(cè)量，主要設(shè)備有側(cè)掃雷達(dá)[2]、H-ADCP、走航式ADCP、時(shí)差法測(cè)流設(shè)備等。本文主要針對(duì)二維測(cè)流進(jìn)行研究。

1.2 過水?dāng)嗝婷娣e

天然河道中，想要獲取過水?dāng)嗝婷娣e，首先要測(cè)量出河道的大斷面資料和當(dāng)時(shí)的水位深度。

大斷面測(cè)量：首先使用GPS或全站儀[3]獲得左右岸兩側(cè)的水邊點(diǎn)坐標(biāo)及高程，然后根據(jù)超聲波測(cè)深儀及GPS獲取的數(shù)據(jù)組成斷面數(shù)據(jù)。

過水?dāng)嗝婷娣e：根據(jù)斷面資料和水深，使用準(zhǔn)確度較高的辛普森積分法公式[4]來計(jì)算出相應(yīng)的過水?dāng)嗝婷娣e。見圖1。

圖1 河道過水?dāng)嗝婷娣e示意圖

2 流量計(jì)算模型

2.1 指標(biāo)流速法模型

首先通過測(cè)流設(shè)備，例如側(cè)掃雷達(dá)、ADCP獲取到單元流速，然后通過計(jì)算得出指標(biāo)流速，再通過人工測(cè)流數(shù)據(jù)來確認(rèn)指標(biāo)流速與斷面平均流速的關(guān)系，然后通過水位和大斷面資料計(jì)算出過水?dāng)嗝婷娣e。最終通過斷面平均流速與過水?dāng)嗝婷娣e相乘來得出流量。同時(shí)，模型的成果可以對(duì)人工測(cè)流的數(shù)據(jù)進(jìn)行反向校核。見圖2。

圖2 指標(biāo)流速法模型流程圖

這是一個(gè)循環(huán)演進(jìn)過程，通過不斷新增的人工測(cè)流數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校正。

(1)指標(biāo)流速

根據(jù)儀器測(cè)量的代表性點(diǎn)流速，通過算數(shù)平均法或面積加權(quán)法公式，得出指標(biāo)流速：

V=(V1+V2+…+Vn)/n

式中：V為指標(biāo)流速；V1…Vn為點(diǎn)流速。

(2)平均流速

斷面平均流速與指標(biāo)流速建立一元多次方程，率定相應(yīng)回歸系數(shù)。指標(biāo)流速與斷面平均流速的方程式，根據(jù)關(guān)系擬合度自動(dòng)選擇二次或三次，關(guān)系越好次數(shù)越少。

Vm=C1+C2×V+C3×V2+C4×V3

式中：Vm為斷面平均流速；V為指標(biāo)流速；C1、C2、C3、C4為回歸系數(shù)。

(3)過水?dāng)嗝婷娣e

通過辛普森積分法來計(jì)算出相應(yīng)的過水?dāng)嗝婷娣e：

式中：n為將閉區(qū)間等分成2n個(gè)小區(qū)間[xi，xi+1](xi

(4)流量

Q=S×V

式中：Q為流量；S為過水?dāng)嗝婷娣e；V為水流流速。

2.2 傳統(tǒng)流速面積法模型

首先通過測(cè)流設(shè)備得到單元流速，過濾出有效單元。同時(shí)通過水位和大斷面資料，獲取到過水?dāng)嗝婷娣e，再通過各單元的有效流速和各單元的過水?dāng)嗝婷娣e，來計(jì)算出單元流量，再累加獲取斷面流量，見圖3。

圖3 傳統(tǒng)流速面積法模型流程圖

(1)過水?dāng)嗝婷娣e

通過辛普森積分法來計(jì)算出相應(yīng)的過水?dāng)嗝婷娣e：

(1)

式中：n為將閉區(qū)間等分成2n個(gè)小區(qū)間[xi，xi+1](xi

(2)流量

(2)

式中：Q為總流量；S為單元面積；V為單元流速。

3 系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐

通過集成上述關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)并建設(shè)了流量算法模型軟件。對(duì)于流量模型來說，接口需要做到標(biāo)準(zhǔn)化，輸入包括人工數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、自動(dòng)遙測(cè)數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)來源。涵蓋了多種模型，系統(tǒng)可智能選擇最優(yōu)模型。模型隨著數(shù)據(jù)樣本的增加，自動(dòng)校正，優(yōu)化參數(shù)。輸出的格式標(biāo)準(zhǔn)化，滿足流量的資料整編。流量算法模型軟件見圖4。

圖4 流量算法模型軟件

通過在云南省來遠(yuǎn)橋水文站進(jìn)行半年左右時(shí)間的應(yīng)用，將流量算法模型得出的成果與人工測(cè)驗(yàn)得出的整編成果進(jìn)行對(duì)比。見圖5。

圖5 模型計(jì)算在線流量與人工整編流量對(duì)比

4 結(jié)語

經(jīng)過半年多應(yīng)用研究，根據(jù)模型算法得出的在線流量與人工實(shí)測(cè)流量過程線分析可知，兩個(gè)測(cè)驗(yàn)方式的流量成果關(guān)系較好，在高水洪峰流量段時(shí)模型算法得出的流量高于人工實(shí)測(cè)流量，其他時(shí)段模型成果均與人工實(shí)測(cè)流量較吻合。