水平式ADCP流量在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用分析

黃 幸

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安710048）

隨著科技的快速發(fā)展，水文監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化日漸凸顯，水平聲學(xué)多普勒流速剖面儀（水平式ADCP）由于能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下水平層的流速分布，已在水文行業(yè)得到了廣泛推進(jìn)，近年來(lái)已應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境或受水利工程影響的大江大河的流量在線監(jiān)測(cè)［1-2］。水平式ADCP流量測(cè)流原理是將換能器探頭固定水平安裝在水面下某一水深處，根據(jù)反射回來(lái)的聲波頻率大小計(jì)算出各層水流流速，建立穩(wěn)定的水平層流速與斷面平均流速的關(guān)系以進(jìn)行流量推求［3］。

水平式ADCP流量測(cè)驗(yàn)誤差來(lái)源主要有流速脈動(dòng)引起的流速測(cè)量誤差和橫向流速實(shí)測(cè)區(qū)間的代表性誤差［4］。針對(duì)安裝方式、數(shù)據(jù)分析及關(guān)系線擬合等方面提高流量精度，前人做了大量的研究。魏偉從支臂式、軌道式的安裝方式優(yōu)缺點(diǎn)做了分析［5］，但未涉及如何減小換能器探頭在水流沖擊力作用下振動(dòng)而產(chǎn)生流速脈動(dòng)誤差分析；杜興強(qiáng)、沈健、樊銘哲通過調(diào)整儀器換能器安裝位置的改進(jìn)方案獲取了更好的流速代表性［6］，表明儀器安裝的高度對(duì)橫向流速區(qū)間的代表性有影響；陳金浩、黃士穩(wěn)、呂耀光分析了儀器使用中各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差來(lái)源及應(yīng)用難點(diǎn)［7］；徐剛等利用小波分析理論對(duì)水平式ADCP監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的奇異點(diǎn)進(jìn)行剔除、降噪處理，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系［8］；袁德忠等分析比較了支持向量回歸、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、極限學(xué)習(xí)機(jī)模型對(duì)單元格代表流速與斷面平均流速關(guān)系的擬合精度［9］；黃士穩(wěn)等分析了水平式ADCP受含沙量的影響測(cè)流距離縮短現(xiàn)象，提出來(lái)分段定線推流方法。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，從換能器探頭靜水裝置減小脈動(dòng)誤差、水平式ADCP回波強(qiáng)度選取穩(wěn)定的代表單元格流速、Matlab小波剔除突變點(diǎn)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和代表流速法擬合曲線等方面進(jìn)行研究。

1 儀器物理安裝和數(shù)據(jù)分析

1.1 換能器探頭靜水裝置減小脈動(dòng)誤差

水平式ADCP換能器在水流的沖擊力下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，引起的隨機(jī)誤差疊加到測(cè)量數(shù)據(jù)中使得測(cè)速數(shù)據(jù)的誤差增大［10］。為防止水流沖擊力對(duì)換能器產(chǎn)生振動(dòng)而研制了加蓋防浪靜水裝置，其結(jié)構(gòu)及功能說(shuō)明如下。將不銹鋼桶里面焊接3根呈丁字形分布的槽鋼，用于水平放置水平式ADCP換能器。不銹鋼桶底部做一進(jìn)水弧形開口，其方向垂直于水流方向見圖1（a），在斷面合適位置進(jìn)行鋼筋混凝土的澆筑安裝。將5根帶有PE塑膠滑輪的不銹鋼鋼管固定在儀器換能器上，其中4根鋼管在同一平面上，另一根垂直于該平面。將換能器滑輪各自卡在槽鋼中滑動(dòng)到不銹鋼桶底部以確保換能器水平安放，換能器探頭方向應(yīng)面向進(jìn)水弧形開口見圖1（b）。此裝置避免了水流直接沖擊換能器，減小了儀器振動(dòng)帶來(lái)的誤差。由于滑輪的作用，檢修清洗儀器時(shí)可以將換能器上下滑動(dòng)取出，方便快捷，能達(dá)到提高儀器物理性精度的目的。

圖1 水平式ADCP加蓋防浪靜水裝置安裝示意圖

1.2 橫向流速實(shí)測(cè)區(qū)間的代表流速選取

由于水平式ADCP換能器的波束受到水流紊亂如旋渦、水下障礙物、含沙量大等因素的干擾，回波強(qiáng)度常出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象。通過Q-Moniter-H（流量通）［11］軟件回放如圖2所示，其中0～3 m左右的回波為數(shù)據(jù)盲區(qū)，104 m～190 m的回波受到來(lái)自對(duì)岸的強(qiáng)反射而發(fā)生紊亂?？蛇x取5 m～103 m回波穩(wěn)定、流速紊動(dòng)較小的水平層流速作為橫向?qū)崪y(cè)區(qū)間的代表流速。

圖2 水平式ADCP回波信號(hào)圖

1.3 Matlab小波工具箱閾值剔除突變點(diǎn)

水平式ADCP采集的數(shù)據(jù)因受水平層水流紊亂、過往船只、水中含沙量等影響，會(huì)產(chǎn)生突變點(diǎn)數(shù)據(jù)。為提高數(shù)據(jù)擬合精度，可利用Matlab小波工具箱閾值去噪處理對(duì)無(wú)效數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。小波閾值去噪的理論依據(jù)為小波多層分解后的信號(hào)小波系數(shù)幅值要大于噪聲的系數(shù)幅值。具體處理過程是使用一維信號(hào)模型設(shè)置一個(gè)閾值，大于該閾值的小波系數(shù)為有用信號(hào)進(jìn)行收縮和保留，小于該閾值的小波系數(shù)為噪聲予以剔除，由此實(shí)現(xiàn)去噪效果。去噪流程圖見圖3。

圖3 小波閾值去噪流程圖

基于Matlab閾值去噪應(yīng)用較多［12-13］，一般應(yīng)用為通過對(duì)含噪數(shù)據(jù)進(jìn)行多層小波分解得到分解系數(shù)，設(shè)置適當(dāng)?shù)闹底鳛殚撝?，選擇硬閾值函數(shù)或軟閾值函數(shù)處理。硬閾值函數(shù)法是將信號(hào)的絕對(duì)值與閾值比較，小于閾值的點(diǎn)置為零，其余不變。軟閾值函數(shù)法是將信號(hào)的絕對(duì)值與閾值比較，大于或等于閾值的點(diǎn)向零收縮，變?yōu)樵擖c(diǎn)值與閾值之差。

1.4 擬合方案

1.4.1 代表流速法

代表流速法是一種根據(jù)斷面代表流速與流速儀法或走航式ADCP測(cè)得的斷面流速建立相關(guān)關(guān)系的方法，其中斷面代表流速為水平式ADCP穩(wěn)定水平層的全部或部分單元格流速的算術(shù)平均值。

代表流速法的推流過程為：①根據(jù)水平式ADCP斷面代表流速和流速儀法或走航式ADCP測(cè)得的斷面流速建立相關(guān)關(guān)系；②根據(jù)水位數(shù)據(jù)和大斷面資料推求出斷面過水面積；③根據(jù)斷面代表流速和斷面過水面積完成斷面流量的推求。

斷面流量計(jì)算的基本公式如下所示：

1.4.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation）是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，具有優(yōu)良的分裂能力和多維函數(shù)映射能力，其本質(zhì)是將網(wǎng)絡(luò)誤差平方作為目標(biāo)函數(shù)，采用梯度下降法計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的最小值［14-15］。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層、輸出層三層結(jié)構(gòu)組成。輸入的信息通過輸入層向隱含層逐層傳播，最終傳到輸出層并計(jì)算出均方差和相關(guān)系數(shù)。輸出結(jié)果之前判斷是否滿足期望，滿足期望輸出結(jié)果，否則誤差將按原路反向傳播，逐層計(jì)算誤差對(duì)各神經(jīng)元權(quán)重值的偏導(dǎo)數(shù)，重復(fù)正向反向傳播，直至誤差滿足期望后結(jié)束BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖4。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖

2 實(shí)例分析

以北碚水文站的水平式ADCP流量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備為分析對(duì)象進(jìn)行儀器物理安裝和數(shù)據(jù)分析。此站為一類精度站，測(cè)站特性為河道平坦順直、斷面較穩(wěn)定，中低水的水位流量關(guān)系受長(zhǎng)江三峽電站和上游14 km左右草街電站蓄放水影響關(guān)系較紊亂，高水的水位流量關(guān)系呈繩套線型。流量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備為ChannelMaster型水平式ADCP，系統(tǒng)頻率為300 kHz，單元數(shù)為1～128，單元尺寸為2 m，監(jiān)測(cè)頻率為15 min/次。采用圖1的靜水裝置固定安裝在圖5所示的河道左岸斷面線上，儀器探頭縱橫搖角度為0°，同時(shí)采用流速儀法和遙控船ADCP所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比測(cè)。

圖5 北碚水文站大斷面與水平式ADCP安裝示意

2.1 代表流速單元格段選取和突變點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

選取2017年1月～2019年8月共210測(cè)次的流速儀斷面平均流速，與同時(shí)期的水平式ADCP不同單元格的代表流速作為樣本數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，水平式ADCP在2017年09月11日5：00～12日01：30、2018年06月28日02：00～12：00、2018年07月11日16：10～07月14日21：00，2018年07月15日03：05～17日13：00時(shí)間內(nèi)代表流速區(qū)間的流速棒紊亂，造成數(shù)據(jù)失真，應(yīng)予剔除。剔除數(shù)據(jù)如圖6區(qū)域1所示，該區(qū)域?qū)?yīng)的含沙量范圍為1.58 kg/m3～3.23 kg/m3。由此可知，該水平式ADCP儀器能在該站正常使用的含沙量范圍為小于1.58 kg/m3。在實(shí)際工作中應(yīng)密切注意沙情變化，以便及時(shí)恢復(fù)流速儀測(cè)流。圖6區(qū)域2、區(qū)域3為離散程度較大的點(diǎn)，說(shuō)明其對(duì)應(yīng)單元格段的算術(shù)平均流速不宜作為代表流速使用。再通過Q-Moniter-H（流量通）［10］軟件回放水平式ADCP數(shù)據(jù)綜合判定，可認(rèn)為4～8單元格段（離儀器距離9.40 m～19.40 m）流速分布均勻，回波信號(hào)穩(wěn)定、流速紊動(dòng)較小，可作為水平式ADCP的代表流速。

圖6 代表流速與斷面平均流速關(guān)系

然后用Matlab小波工具箱閾值去噪剔除水平式ADCP（4～8）單元格段中的突變點(diǎn)數(shù)據(jù)見圖7。

圖7 Ma tla b小波工具箱去噪圖

2.2 代表流速與斷面平均流速關(guān)系擬合評(píng)定

采用代表流速法擬合關(guān)系線見圖8，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法擬合關(guān)系線見圖9，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合殘差見圖10。擬合關(guān)系線定線精度見表1。

圖8 代表流速法擬合關(guān)系圖

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合關(guān)系圖

圖10 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)殘差圖

表1 4～8單元格段不同方法擬合精度表

根據(jù)水文整編規(guī)范要求，穩(wěn)定關(guān)系線的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度應(yīng)滿足規(guī)范定線精度要求見表2。表2可作為本文關(guān)系線擬合的評(píng)定指標(biāo)。

表2 定線精度指標(biāo)表［16］

表1中代表流速法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的定線精度指標(biāo)均滿足表2的規(guī)定，其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的一元二次關(guān)系擬合精度指標(biāo)最佳，公式為y=-0.026x2+1.1x+0.0039。

2.3 成果驗(yàn)證

采用2020年37測(cè)次流速儀法斷面平均流速與同時(shí)期水平式ADCP（4～8）單元格段代表流速為驗(yàn)證樣本見圖11。樣本水位范圍為192.95 m～189.99 m；含沙量范圍為0.5 kg/m3～2.21 kg/m3。

序號(hào)1～4的相對(duì)誤差為11.81%～33.66%、序號(hào)6的相對(duì)誤差為22.82%、序號(hào)8～9的相對(duì)誤差為-19.19%～30.38%、序號(hào)32～34的相對(duì)誤差-14.81%～31.98%。其余序號(hào)誤差均符合規(guī)范要求。

圖11 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一元二次關(guān)系精度驗(yàn)證圖

圖11 的誤差超限原因分析如下：①序號(hào)1～4、6、8～9對(duì)應(yīng)水位范圍172.95 m～175.47 m，水位較低，含沙量很小，主要受上游草街水利樞紐蓄放水影響，水位過程線鋸齒嚴(yán)重，水位漲落變化快。流速儀法每測(cè)次時(shí)間約1.1 h左右，測(cè)驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)，水位漲落造成測(cè)次斷面平均流速偏大或偏小。相比之下，水平式ADCP間隔15 min采集的單元格段代表流速數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，可用遙控船走航ADCP（一般5 min～10 min一個(gè)測(cè)回）進(jìn)行低水比測(cè)，再分段擬合低水部分關(guān)系。②序號(hào)32～34受含沙量影響，水平式ADCP部分?jǐn)?shù)據(jù)失真。③中高水段誤差較小，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)北碚站水平式ADCP儀器靜水裝置的物理安裝方法、水平式ADCP無(wú)效數(shù)據(jù)綜合評(píng)判剔除、選取單元格段代表流速與流速儀法斷面平均流速，采用代表流速法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型擬合關(guān)系線。通過驗(yàn)證檢驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）儀器靜水裝置及安裝方法能有效地防止水流直接沖擊水平式ADCP換能器，減小振動(dòng)和數(shù)據(jù)脈動(dòng)誤差。換能器在滑輪的作用下能上下滑動(dòng)，維護(hù)清洗方便，可推廣。

（2）Matlab小波工具箱突變點(diǎn)分析剔除簡(jiǎn)單有效。剔除突變點(diǎn)后的數(shù)據(jù)擬合關(guān)系線的精度有所提高。

（3）水平式ADCP換能器受高水高沙影響，當(dāng)超過某沙量級(jí)的含沙量后采集數(shù)據(jù)有可能失真，應(yīng)分析其使用范圍。

（4）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)關(guān)系線的擬合比代表流速法好。

（5）對(duì)受水利工程影響的站點(diǎn)，低水部分受電站蓄放水影響使水位過程線鋸齒嚴(yán)重，可用遙控船走航式ADCP法代替流速儀法比測(cè)，再分段分析關(guān)系線。