小許莊水文站二線能坡法自動測流系統(tǒng)應(yīng)用與分析

封一波 武宜壯 胡菲菲 殷懷進 胡必要

（江蘇省水文水資源勘測局連云港分局 連云港 222004 ）

1 引言

天然河道斷面流量是水文監(jiān)測的重要水文要素，實現(xiàn)天然河道流量自動監(jiān)測是水文測報現(xiàn)代化需要探索的重要領(lǐng)域之一。江蘇省水文水資源勘測局連云港分局在小許莊水文站基于利用坐底式安裝的單波束流速傳感器（ADCP），基于二線能坡原理為基礎(chǔ)的水力學模型，成功在小許莊水文站建成一套斷面流量自動監(jiān)測系統(tǒng)。通過實際應(yīng)用和分析，目前小莊水文站的流量的測驗任務(wù)達到實時在線監(jiān)測，實現(xiàn)了水文站“無人值守、自動測報、網(wǎng)絡(luò)整編”的目標。

2 測站基本情況

小許莊水文站位于淮河流域沭河水系薔薇河上游，為省級重要水文站。該站測驗河段順直段長度約1000m，斷面總寬約200m，在水位超過4.00m左右開始漫灘，兩岸灘地寬共約130m左右，河道沖淤變化較小，基本穩(wěn)定。為通航河道。小許莊水文站斷面見圖1。

3 自動測流系統(tǒng)設(shè)計安裝

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

流量實時在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計分成四層，分別是信息采集層、數(shù)據(jù)集成層、數(shù)據(jù)存儲層、應(yīng)用層。其中信息采集層在監(jiān)測點；數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲層、應(yīng)用層放在信息中心。結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2。

3.2 流速傳感器的安裝

該系統(tǒng)采用兩臺多普勒流速傳感器（單波束ADCP），分別坐底式安裝在起點距73m、105m河底處。實時監(jiān)測兩條垂線的流速分布，為實現(xiàn)斷面流量自動監(jiān)測提供計算依據(jù)。

3.3 流量模型基本原理

本文提出的基于二線能坡原理流量自動監(jiān)測技術(shù)，是以描述天然河道非恒定流的曼寧公式為基礎(chǔ)，通過實時監(jiān)測河道斷面兩條垂線的流速分布，實現(xiàn)流量在線監(jiān)測。即通過兩條實測垂線流速求出能坡參數(shù)后，把原來斷面中實測n條垂線流速變成計算n條垂線流速的方法，再利用部分流速—面積法計算斷面流量。

該方法的優(yōu)點是不需要長期對比觀測建立率定關(guān)系，通過有代表性的流量測次進行模型參數(shù)優(yōu)化，就能夠保證系統(tǒng)的實時在線運行，適用于受洪水漲落、變動回水影響下的河道流量在線監(jiān)測，為天然河道水量自動監(jiān)測提供一種可行的選擇方案。

4 應(yīng)用與分析

4.1 系統(tǒng)運行狀況

系統(tǒng)自2017年12月建成運行至今，連續(xù)采集到時間間隔5min的流量數(shù)據(jù)，通過與流速儀常規(guī)流量測驗獲得的部分實測流量數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)優(yōu)化后，系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定，與人工常規(guī)流量測驗成果變化趨勢一致，效果良好。實時流量過程與人工流量監(jiān)測成果對比見圖3。

圖1 小許莊水文站實測大斷面圖

圖2 小許莊水文站流量自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖3 小許莊水文站水位流量過程線圖

圖4 實測流量與自動測流流量關(guān)系圖

表1 關(guān)系線三種檢驗結(jié)果統(tǒng)計表

4.2 對比資料收集

流量自動監(jiān)測系統(tǒng)自2017年12月建成至2018年9月，共完成人工流速儀法測流200次，經(jīng)分析，舍棄7次（主要受行船及斷面其他不確定因素影響較大的測次）；對比分析采用193次實測數(shù)據(jù)，其中，實測最大流量75.1m3/s、實測最小流量6.24m3/s。據(jù)此與同期自動流量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。

理論上，該方法的監(jiān)測流量就是斷面流量，因此自動監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)該相等（即兩者的相關(guān)關(guān)系應(yīng)在45°線上），由于人工測驗存在一定隨機誤差，自動流量參數(shù)優(yōu)化及模型計算也有一定的誤差，因此，人工流量與自動流量應(yīng)該是緊密分布在45°線附近、沒有明顯的系統(tǒng)誤差。見圖4。

4.3 擬合精度分析

自動流量系統(tǒng)是否滿足應(yīng)用要求，需要通過行業(yè)規(guī)范相關(guān)規(guī)定，對其精度進行量化指標檢驗分析。

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）（以下簡稱《規(guī)范》）單一曲線相關(guān)線精度指標要求，依據(jù)收集到的193次實測流量與自動監(jiān)測流量資料對比，分別計算隨機不確定度、系統(tǒng)誤差。

4.3.1 標準差計算

4.3.2 隨機不確定度

4.3.3 系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差采用關(guān)系線相對誤差的平均值，其結(jié)果為0.127%。

根據(jù)《規(guī)范》精度評定要求，精度指標符合二類精度水文站精度隨機不確定度10%～12%，系統(tǒng)誤差不超過±1%的指標要求。

4.4 關(guān)系線檢驗

根據(jù)《規(guī)范》要求，對關(guān)系曲線為單一線或經(jīng)單值化處理的單一數(shù)值線，且測點在10個以上者，應(yīng)作符號檢驗、適線檢驗及偏離數(shù)值檢驗。即分別對三種檢驗的統(tǒng)計量（μ、t）進行分析計算，并根據(jù)《規(guī)范》給定的顯著性水平（α）值查算相應(yīng)的臨界值，當計算統(tǒng)計量小于臨界統(tǒng)計量時，為界首檢驗，否則為拒絕原假設(shè)。

4.4.1 符號檢驗

根據(jù)表1系列數(shù)據(jù)，按照公式（1）計算符號檢驗統(tǒng)計量μ值：

式中：n為系列測點總數(shù)，k為測點偏離值的正號（或負號）個數(shù)（偏離值為0者計0.5）。

4.4.2 適線檢驗

根據(jù)實測流量和自動流量數(shù)據(jù)系列，按照人工流量升序排序，從第二測點開始統(tǒng)計偏離正、負號變換，變換符號及1，否在記0。統(tǒng)計“1”的次數(shù)，按照式（2）計算適線檢驗統(tǒng)計量μ值：

式中：n為系列測點總數(shù)，k為變換符號次數(shù)，k＜0.5（n-1）時作檢驗，否則不作此檢驗。

4.4.3 偏離數(shù)值檢驗

按照式（3）計算偏離數(shù)值檢驗統(tǒng)計量t值：

式中：n為系列測點總數(shù)，pi為測點與關(guān)系線的相對偏離值，為平均相對偏離值。

三種檢驗統(tǒng)計量計算結(jié)果檢驗見表1。檢驗結(jié)果滿足要求。

5 結(jié)論

通過分析，小許莊水文站二線能坡法自動測流流量與流速儀法實測流量關(guān)系，其不確定度、系統(tǒng)誤差全部滿足《規(guī)范》要求；同時流量關(guān)系線通過了符號檢驗、適線檢驗及偏離數(shù)值檢驗。經(jīng)江蘇省水文水資源勘測局批復，小許莊水文站斷面流量小于80.0m3/s時，自動流量監(jiān)測成果可以直接應(yīng)用于水情報訊、水文測驗和資料整編等生產(chǎn)應(yīng)用。流量超過80.0m3/s時，需要合理布設(shè)人工流量測次，進一步積累資料進行誤差分析。

小許莊水文站流量自動監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了自動化水平、減輕了人工測流的工作量，有效解決了該站在中低水情況下的流量測驗技術(shù)難題，在解決天然河道流量自動監(jiān)測技術(shù)方面提供了成功案例，具有一定的推廣應(yīng)用價值■