采用簡單移動平均法進行南寧站定點式ADCP流量平滑處理

李偉娟，韋廣龍

（南寧市水文水資源局，南寧 530001）

采用簡單移動平均法進行南寧站定點式ADCP流量平滑處理

李偉娟，韋廣龍

（南寧市水文水資源局，南寧 530001）

采用簡單移動平均法對南寧站定點式ADCP采集的流量進行平滑處理，與原瞬時流量過程對比，平滑處理后的流量過程與水位過程相應(yīng)，消除了原瞬時流量過程的鋸齒波，平滑后的流量值更合理。

移動平均法；定點式ADCP；流量平滑處理；南寧站

0 引言

南寧站定點式聲學多普勒流速儀（簡稱定點式ADCP），從2011年1月1日正式投入使用，常年每日24 h連續(xù)采集流量信息，每次采集間隔5 min，施測歷時100 s。由于水流脈動性，采集的流速數(shù)據(jù)系列為鋸齒波，致使流量過程為鋸齒波，與水位過程線不太相應(yīng)。目前，聲學多普勒流速儀分為走航式和定點式兩大類，《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》中對定點式聲學多普勒流速儀流量測驗第5.2.2流量測驗相關(guān)關(guān)系的建立與使用應(yīng)符合下列規(guī)定：第2條：斷面平均流速可用流速儀精測法或走航式聲學多普勒流速儀（簡稱走航式ADCP）測量。《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》對走航式聲學多普勒流速儀流量測驗第4.3.1流量相對穩(wěn)定時，應(yīng)進行兩個測回斷面流量測量，取均值作為實測流量值[1]。

南寧站定點式ADCP與走航式ADCP進行斷面平均流速比測，建立斷面平均流速相關(guān)關(guān)系。因此，南寧站定點式聲學多普勒流速儀的流量系列按照走航式聲學多普勒流速儀流量測驗的要求，取2個采集流量值作為一個測回，按兩個測回取4個采集流量值，取均值作為實測流量值。以前，南寧站定點式ADCP流量整編，摘錄的逐時流量是采用沒經(jīng)過平滑技術(shù)處理的原瞬時流量，致使流量過程呈鋸齒波，欠缺合理性。采用移動平均法進行定點式ADCP指標流速平滑技術(shù)處理，平滑流速脈動性，也就是對定點式ADCP流量進行流量平滑技術(shù)處理，消除了原瞬時流量鋸齒波，使之更合理。

1 基本依據(jù)

1.1 簡單移動平均法

簡單移動平均法是指對由移動期數(shù)的連續(xù)移動所形成的各組數(shù)據(jù)，使用算術(shù)平均法計算各組數(shù)據(jù)的移動平均值，并將其作為下一期預測值[2]。

簡單移動平均法是一種改良的算術(shù)平均法，是一種用作處理鋸齒波的平滑方法。

南寧站定點式ADCP流量數(shù)據(jù)相應(yīng)時間序列的時距相等，故采用簡單移動平均法進行定點式AD?CP流量平滑技術(shù)處理。

1.2 簡單移動平均法表達式：

式中：Qt——移動平均時期的平滑計算值，m3/s；

Vi——定點式ADCP斷面平均流速，m/s；

Ai——定點式ADCP監(jiān)測斷面面積，m2；

n——移動平均時期的時期個數(shù)。n=2，3，4……m；

i=0、1、2、3……m。

2 斷面流量計算

2.1 流量移動平均時期的優(yōu)選

南寧站定點式ADCP與走航式ADCP進行斷面平均流速比測，建立斷面平均流速相關(guān)關(guān)系。流量移動平均時期則以走航式ADCP兩個測回斷面流量相對應(yīng)的4個定點式ADCP采集流量段為流量移動平均時期，即n=4。由（1）式得其表達式：

式中：Qt——定點式ADCP流量移動平均相應(yīng)時間t時的流量，m3/s；

qi——定點式ADCP在t時間采集流量系列的相應(yīng)流量，m3/s；

2.2 定點式ADCP平滑指標流速KC計算

對定點式ADCP流量數(shù)據(jù)平滑處理，主要是對定點式ADCP的斷面平均流速平滑處理，而定點式ADCP的斷面平均流速通過與定點式ADCP的指標流速建立相關(guān)關(guān)系，是對定點式ADCP的指標流速平滑處理得平滑指標流速KC。因此，由（2）式得：

式中：KC——定點式ADCP平滑指標流速，m/s；

Kt——定點式ADCP指標流速，m/s。

2.3 進行定點式ADCP平滑指標流速KC計算

按（3）式進行定點式ADCP平滑指標流速KC（見表1）。

表1 南寧站2014年6月4日9～13時定點式ADCP平滑指標流速計算表 m/s

3 南寧站定點式ADCP流量平滑計算

3.1 南寧站定點式ADCP指標流速平滑計算

（1）確定定點式ADCP指標流速采集時間。南寧站定點式ADCP指標流速Kt的每次采集間隔時間是根據(jù)走航式ADCP一個測回間隔的平均時間而定，走航式ADCP一個測回間隔的平均時間5～6 min。因此，南寧站定點式ADCP指標流速Kt的每次采集間隔時間為5 min。

（2）整理定點式ADCP采集的指標流速連續(xù)性。對于全年完整的定點式ADCP指標流速系列，在年頭0時前加入2個指標流速數(shù)據(jù)，即0時前5 min、10 min的指標流速數(shù)據(jù)；在年尾24時后加入1個指標流速數(shù)據(jù)，即下年0時后5分鐘的指標流速數(shù)據(jù)。對于一年內(nèi)分為幾段指標流速數(shù)據(jù)，將按實際段次分別整理。

按（3）式：KC=（Ki-2+Ki-1+Ki+Ki+1）/4定點式ADCP指標流速平滑計算。

3.2 南寧站定點式ADCP斷面平均流速計算

南寧站定點式ADCP與走航式ADCP進行斷面平均流速比測率定得關(guān)系式：

式中：VC——定點式ADCP斷面平均流速，m/s；

KC——定點式ADCP平滑指標流速，m/s；

Hi——與定點式ADCP指標流速Kt相對應(yīng)的水位，m；

b1、b2、b3均為斷面平均流速比測率定系數(shù)。

按（4）式進行南寧站定點式ADCP斷面平均流速VC計算（見表1）。

3.3 南寧站定點式ADCP流量Qc平滑計算

根據(jù)南寧站定點式ADCP監(jiān)測實測大斷面水位Hi面積Ai的數(shù)據(jù)建立南寧站Hi～Ai關(guān)系線，并用二次函數(shù)模擬斷面面積公式：

式中：Ai——定點式ADCP監(jiān)測斷面面積，m2；

Hi——與定點式ADCP指標流速Kt相對應(yīng)的水位，m；

a1、a2、a3均為常數(shù)。

按（5）式進行南寧站定點式ADCP監(jiān)測斷面面積AC計算（見表2）。其中，水位Hi數(shù)據(jù)是以在水位臺的固態(tài)水位數(shù)據(jù)，以每5 min采集的水位Hi數(shù)據(jù)作為計算水位Hi。

南寧站定點式ADCP流量Qc計算，按流量計算公式：

式中：Qt——定點式ADCP移動平均時期的流量，m3/s；

Vi——定點式ADCP斷面平均流速，m/s。

南寧站定點式ADCP流量平滑計算，是在通過平滑指標流速計算后，再進行流量平滑計算的（見表2）。

從南寧站2014年6月4日9～13時定點式AD?CP非平滑與平滑流量過程線對比（見圖2）看到，經(jīng)對南寧站定點式ADCP指標流速KC平滑處理后，定點式ADCP流量過程線與水位過程線基本相應(yīng)。

圖1 南寧站定點式ADCP斷面平均流速對比過程線

表2 南寧站2014年6月4日9～13時定點式ADCP流量平滑計算表

4 南寧站定點式ADCP平滑流量誤差分析

從南寧站2012年6～12月定點式ADCP平滑流量誤差統(tǒng)計表（見表3）可看出，月平均誤差S≦0.01%，最大誤差SD≦±4.92%，小于±5.00%為100%，完全符合定點式ADCP流量整編規(guī)范要求。

圖2 南寧站定點式ADCP流量對比過程線

表3 南寧站2012年6～12月定點式ADCP流量平滑的流量誤差統(tǒng)計表

5 結(jié)語

采用簡單移動平均法進行南寧站定點式ADCP流量平滑處理，能消除因水流脈動而造成流量過程的鋸齒波，比沒經(jīng)過平滑處理的原瞬時流量更加合理。南寧站以簡單移動平均法n=4作移動平均時期進行定點式ADCP流量平滑計算，是結(jié)合南寧站走航式ADCP的2個測回所得4個校測流量作采用移動平均法的技術(shù)要求，對定點式ADCP流量的脈動波技術(shù)平滑。

南寧站定點式ADCP從2013年采用簡單移動平均法進行流量平滑處理，已應(yīng)用于流量整編，其整編成果符合流量整編規(guī)范要求。

簡單移動平均法進行定點式ADCP流量平滑計算可通過編程完成，只輸入指標流速、水位數(shù)據(jù)系列，把率定的斷面平均流速公式、斷面面積公式編入即可，操作簡單快捷。

[1]SL337-2006，聲學多普勒流量測驗規(guī)范[S].

[2] 百度網(wǎng)百科，理學：簡單移動平均法概述[BP]http://baike.baidu.com/view/4367280.htm，2015-05-30.

（責任編輯：劉征湛）

Flow measured with H-ADCP and smoothing by moving average method at Nanning Hydrological Station

LI Wei-juan,WEI Guang-long
（Nanning Hydrology and Water Resources Bureau，Nanning 530001,China）

At Nanning Hydrological Station,smoothing of the flow data collected with H-ADCP was conducted by simple moving average method.Compared with the hydrograph of original instantaneous flow,the smoothed hydro?graph corresponds to the water level change;the sawtooth wave of original hydrograph is eliminated and the flow da?ta is more rational.

Moving average method;horizontal acoustic Doppler current profiler（H-ADCP）;smoothing of flow da?ta;Nanning Hydrological Station

P333

B

1003-1510（2016）02-0022-04

2016-01-06

李偉娟（1974-），女，廣西靈川人，廣西水文水資源局南寧水文站助理工程師，學士，主要從事水文水資源勘測工作。