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      基于落差指數(shù)法解決河道流量實時在線問題的探討

      2021-09-15 01:04:02鄭長陵王繼龍錢學(xué)智江蘇省水文水資源勘測局徐州分局江蘇徐州221000
      農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2021年18期
      關(guān)鍵詞:系統(tǒng)誤差河道水位

      鄭長陵,王繼龍,錢學(xué)智(江蘇省水文水資源勘測局徐州分局,江蘇 徐州 221000)

      隨著社會進步與國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,為防汛抗旱、水資源管理、水生態(tài)保護、河湖長制等工作提供即時流量信息是當(dāng)前水文部門面臨的重大任務(wù),實現(xiàn)河道流量實時在線也是水文水利信息化、智能化的重要工作之一。

      解決河道流量實時在線問題,概括起來有兩大類方法:一類是現(xiàn)代儀器全時序自動監(jiān)測法,最常用的儀器有HADCP、VADCP、時差法測流設(shè)備等幾種;另一類是水力因素法,最常用的具體方法有水工建筑物法、落差指數(shù)法、校正因素法等幾種。而儀器自動監(jiān)測法有受限條件多、經(jīng)費投入大、安全性能低、后期維護難等缺點,故水力因素法是解決河道流量實時在線問題的研究方向之一。

      隨著水利工程建設(shè)的不斷發(fā)展,純天然河道已少之又少,對受洪水漲落、變動回水等綜合因素影響的河道站來說,用落差指數(shù)法解決河道流量實時在線問題,是比較理想的方法選擇。

      1 方法原理

      對比較穩(wěn)定的河道斷面而言,Q=f(G,n,R,S)(其中G為基本斷面水位,n為河道糙率,R為過水?dāng)嗝嫠Π霃?,S為河段水力坡度或水面比降),對已有固定落差斷面的研究河段,R=f(G),S=f(G,G′)(其中G′為研究河段另一端點落差斷面水位),那么就有Q=f(G,G′,n)。

      為找出具體的流量計算模型公式,便于流量實時在線,引入落差指數(shù)β概念,即把糙率n及其他可能存在的諸多影響因素融合為一個影響因子β,則有Q=f(G,G′,β),采用試算法對比測實驗資料進行分析,可優(yōu)選出最佳落差指數(shù)β,那么就有Q=f(G,G′),即只要有合適距離的上下游兩斷面水位就可實現(xiàn)流量實時在線。

      2 分析過程

      2.1 優(yōu)選落差指數(shù)β

      2.1.1 資料整理審查

      搜集整理基本斷面實測流量和兩落差斷面實時水位資料,對各資料進行合理性、可靠性、代表性審查后,摘錄并計算每次實測流量所對應(yīng)的水位落差Z。

      2.1.2 優(yōu)選落差指數(shù)β

      采用試算法。落差指數(shù)經(jīng)驗取值范圍為0.20~0.80,從β取值0.50開始,按±0.01步長分別假定不同落差指數(shù)β,用公式q=Q/zβ計算各測點的單值化流量(或稱校正流量因素)q,點繪水位G或概化水深h與單值化流量q相關(guān)圖,每假定一個落差指數(shù)β就可以建立一個G~q或h~q相關(guān)圖,其中相關(guān)點密集程度最高、呈現(xiàn)線型最好的相關(guān)圖所對應(yīng)的β值為初步選定的落差指數(shù)值。

      2.2 相關(guān)線數(shù)學(xué)模型的建立

      對優(yōu)選出最佳落差指數(shù)β的G~q或h~q相關(guān)圖進行定線。為方便流量實時在線,對單值化流量關(guān)系線冠以某種數(shù)學(xué)模型q=f(G)或q=f(h),常用的關(guān)系線數(shù)學(xué)模型一般有直線型、n階多項式型、冪函數(shù)型等??煞謩e選配不同類型的數(shù)學(xué)模型,選擇所定關(guān)系線的上中下部都與實測點配合密切且無系統(tǒng)偏離的關(guān)系線作為初步選用的關(guān)系線,該關(guān)系線所對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型公式為進一步分析計算公式。如圖1示例:

      圖1 新安站落差指數(shù)法概化水深h~單值化流量q(Q/Z0.62)相關(guān)圖

      2.3 關(guān)系線檢驗及精度評定

      2.3.1 總體要求

      根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》(SL 247—2012)要求,所定單一關(guān)系線應(yīng)進行符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗和精度評定。當(dāng)三種檢驗全部通過且關(guān)系線的系統(tǒng)誤差、隨機不確定度均符合《規(guī)范》精度要求時,所定關(guān)系線方可作為推流方案使用,否則應(yīng)進行重新定線。

      2.3.2 過渡統(tǒng)計量計算

      對定線實測點,按水位(或概化水深)從小到大順序排列,用公式pi=100(qi-qci)/qci計算各點對關(guān)系線的相對誤差pi和系列平均相對誤差p,進而計算各點和(pi-p)2,最后統(tǒng)計計算相對誤差為正值(或負值)的個數(shù)k1(pi=0者正號或負號個數(shù)各計0.5)、符號變化次數(shù)k2(pi=0者可按對檢驗有利認定其符號為正或負)、

      2.3.3 關(guān)系線檢驗

      b.適線檢驗(α取0.05)。若符號變化次數(shù) k2≥0.5(n-1),則不做此項檢驗,默認直接通過,否則應(yīng)進行適線檢驗,方法是:用公式計算適線檢驗統(tǒng)計量μ,若μ<u1-α(查臨界值表得u1-α),則關(guān)系線通過適線檢驗。

      三種檢驗評定結(jié)果是:符號檢驗:0.77=μ<μ1-α/2=1.15,接受假設(shè);適線檢驗:0.39=μ<μ1-α=1.64,接受假設(shè);偏離數(shù)值檢驗:0.86=│t│<t1-α/2=1.66,接受假設(shè)。

      2.3.4 關(guān)系線精度評定

      關(guān)系線精度評定因子有系統(tǒng)誤差和隨機不確定度,當(dāng)兩項評定因子都不超過《規(guī)范》要求的相應(yīng)類別精度水文站的精度指標(biāo)值時,所定關(guān)系線才可以投入生產(chǎn)應(yīng)用。

      實測點對關(guān)系線無明顯系統(tǒng)偏離時,關(guān)系線的系統(tǒng)誤差采用實測點對關(guān)系線的相對誤差的平均值,即系統(tǒng)誤差=p。

      2.4 關(guān)系線適應(yīng)范圍確定

      2.4.1 實測點范圍

      實測點范圍是指參加定線的自變量基本水位G或概化水深h的變化范圍。

      2.4.2 關(guān)系線高低水延長

      為合理擴大關(guān)系線使用范圍,可對所定關(guān)系線適當(dāng)進行高低水延長,按《規(guī)范》規(guī)定,高低水延長最大幅度可各為實測變幅的30%,該文謹慎采用高低水延長幅度各為實測變幅的15%,由此得到經(jīng)過延長后的關(guān)系線自變量范圍。

      2.4.3 關(guān)系線單向變化范圍確定

      所獲單一線往往為某種非線性曲線的單向遞增部分,通過函數(shù)求導(dǎo)的方法求關(guān)系線數(shù)學(xué)模型公式的極值,進而得到關(guān)系線單向變化的自變量區(qū)間范圍。

      2.4.4 關(guān)系線適應(yīng)范圍確定

      關(guān)系線延長后的自變量范圍集合和滿足關(guān)系線單向變化的自變量范圍集合的交集就是所要獲得的關(guān)系線適應(yīng)范圍。

      3 方案應(yīng)用

      根據(jù)公式q=Q/zβ和求得關(guān)系線模型公式q=f(G)或q=f(h),即可獲得實時在線流量計算公式為:Q=zβf(G)或Q=zβf(h),如新安站流量實時在線方案為:Q=(G上-G)0.62[134.76(G-24)2-80.91(G-24)+35.00],適應(yīng)范圍:(G上-G)≥15 mm且24.600 m≤ G≤29.713 m。

      由此可知,落差指數(shù)β優(yōu)選后,只要有上下兩斷面的實時水位數(shù)據(jù),就可計算出實時流量,通過編制可視化程序即可實現(xiàn)流量實時在線顯示。

      4 適應(yīng)工作環(huán)境及誤差來源分析

      4.1 適應(yīng)工作環(huán)境

      落差指數(shù)法流量實時在線方案適應(yīng)于受多種因素綜合影響的河道站,要求所在測驗河段基本順直、河床較穩(wěn)定、植被無太大變化,研究河段的上下游兩落差斷面遙測水位采集設(shè)備宜設(shè)在同一岸。

      4.2 誤差來源分析

      (1)水準(zhǔn)點、水尺高程測量的誤差造成的系統(tǒng)誤差;

      (2)水位觀測、水位校準(zhǔn)、儀器運行等環(huán)節(jié)造成的隨機誤差;

      (3)風(fēng)浪影響、下游閘門變動緩沖等因素造成的隨機誤差。

      5 結(jié)語

      綜上分析,受多種因素綜合影響的河道站,只要滿足最基本的工作環(huán)境要求,均可嘗試通過落差指數(shù)法解決流量實時在線問題,對推進水文現(xiàn)代化發(fā)展進程,為經(jīng)濟社會提供快捷高效服務(wù)有著較大現(xiàn)實意義。

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