全站儀預(yù)判浮標(biāo)路徑的河道流量測驗(yàn)方法及浮標(biāo)關(guān)系線精度淺析

黃 幸，張建豐，于坤霞，黃世洪

(1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020)

目前流量測驗(yàn)方法主要有流速儀法和ADCP法測流[1-2]等，流速儀法測流雖能在精度上滿足流量測驗(yàn)規(guī)范的要求，但其操作復(fù)雜、歷時(shí)長、工作強(qiáng)度大，效率低下[3]。ADCP法測流在低含沙量下測驗(yàn)效果顯著，但超過一定的含沙量可能會(huì)造成指標(biāo)流速突變而失真[4-5]，當(dāng)遭遇較大洪水時(shí)，在流速儀法和ADCP法測流均無法施測的情況下，可用雷達(dá)波法[6-7]、浮標(biāo)法測流[8]等測量水的表面流速，水面浮標(biāo)法測流方便安全快捷，雖然精度較低，但使用頻率高，浮標(biāo)系數(shù)Kf=Q/Qf，式中：Q為同步流速儀斷面流量；Qf為浮標(biāo)斷面虛流量?？梢娡搅魉賰x法斷面平均流量與浮標(biāo)虛流量的相關(guān)關(guān)系精度直接影響浮標(biāo)流量的精度，王曙光從浮標(biāo)標(biāo)志物的選材與制作型式統(tǒng)一做了分析[9]。鄧念德從水位～流量關(guān)系曲線法、水面流速系數(shù)法分析了中泓浮標(biāo)系數(shù)精度[10]，歐陽凱、林天才、黃錦鑫分析了線性相關(guān)關(guān)系及三種檢驗(yàn)[11]，但均未從浮標(biāo)監(jiān)測方法、浮標(biāo)流速橫線分布分析突變點(diǎn)、關(guān)系線多種方案擬合等方面進(jìn)行研究，為提高水面浮標(biāo)系數(shù)精度，選取北碚水文站2015年～2018年共20次的同步流速儀法斷面平均流速和中泓浮標(biāo)法流速資料建立相關(guān)關(guān)系，從全站儀預(yù)判水面浮標(biāo)路徑監(jiān)測角度的新方法、浮標(biāo)虛流速橫向分布分析突變點(diǎn)，關(guān)系線多種方案擬合及精度檢驗(yàn)方面進(jìn)行分析，并優(yōu)選最佳關(guān)系線擬合方案。通過北碚水文站2020年共10次同步流速儀法流量和中泓浮標(biāo)法流量資料進(jìn)行驗(yàn)證。

1 方法

1.1 全站儀預(yù)判水面浮標(biāo)路徑監(jiān)測角度新方法

水面浮標(biāo)法常規(guī)的監(jiān)測方法是全站儀追尾跟蹤水面浮標(biāo)進(jìn)行角度監(jiān)測，往往會(huì)出現(xiàn)當(dāng)水面流速大時(shí)監(jiān)測的角度精度不夠的情況、秒表開始和結(jié)束時(shí)間掌握不準(zhǔn)確造成浮標(biāo)歷時(shí)誤差，采取全站儀預(yù)判浮標(biāo)路徑監(jiān)測角度新方法能提高水面浮標(biāo)監(jiān)測角度的精度。

全站儀預(yù)判水面浮標(biāo)路徑監(jiān)測角度新方法是全站儀施測人員視線注視河道中的水面浮標(biāo)，選定需要監(jiān)測的浮標(biāo)后迅速預(yù)判浮標(biāo)流經(jīng)路徑，提前將全站儀望遠(yuǎn)鏡視線快速移動(dòng)到距離浮標(biāo)流動(dòng)方向前1 m～2 m或更遠(yuǎn)位置，并持續(xù)到中斷面見圖1，將全站儀中絲相切水面并鎖定豎直角，待浮標(biāo)進(jìn)入全站儀望遠(yuǎn)鏡視線范圍內(nèi)見圖2(a)，快速轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡使橫絲重合浮標(biāo)前端見圖2(b)，觀讀水面浮標(biāo)的水平角和豎直角。各斷面監(jiān)測人員各自完成浮標(biāo)歷時(shí)、開始水位和結(jié)束水位的工作，直到完成一個(gè)浮標(biāo)的監(jiān)測過程。然后重復(fù)以上過程直到完成最后一個(gè)浮標(biāo)的監(jiān)測。這種監(jiān)測方法有效避免了由于浮標(biāo)速度過快，盲目追尾水面浮標(biāo)造成觀測角度不到位而造成精度不高的情況。通過實(shí)際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，這種方法操作便捷，能有效提高監(jiān)測角度精度，切實(shí)可行。

1.2 浮標(biāo)虛流速突變點(diǎn)分析方法

浮標(biāo)虛流速突變點(diǎn)實(shí)際上是測量誤差所致，是測量中不可避免的，產(chǎn)生的主要原因是全站儀監(jiān)測浮標(biāo)角度不準(zhǔn)確；浮標(biāo)歷時(shí)不準(zhǔn)確等方面導(dǎo)致浮標(biāo)虛流速不準(zhǔn)確，剔除浮標(biāo)虛流速突變點(diǎn)后的數(shù)據(jù)能有效提高關(guān)系線擬合精度，從而提高浮標(biāo)系數(shù)精度，由于每測次中泓法浮標(biāo)流速測點(diǎn)數(shù)據(jù)較少，可采用每測次的水面浮標(biāo)虛流速橫向分布圖用物理判斷方法進(jìn)行綜合評判。方法是點(diǎn)繪各測次同步流速儀法起點(diǎn)距與垂線相應(yīng)位置0.2流速分布和同步的浮標(biāo)起點(diǎn)距流速分布圖，根據(jù)流速儀法垂線流速分布趨勢與浮標(biāo)虛流速對比分析判斷哪些是突變點(diǎn)見圖3，按這方法將各測次的浮標(biāo)虛流速突變點(diǎn)進(jìn)行剔除。

圖1 全站儀預(yù)判浮標(biāo)路徑示意圖

(a)

(b)

圖3 浮標(biāo)流速突變點(diǎn)剔除分析圖

1.3 中泓浮標(biāo)法浮標(biāo)位置范圍優(yōu)選方法

由于水位級不同，河段中泓位置范圍會(huì)發(fā)送變化，宜根據(jù)測站點(diǎn)河流特性，確定中泓位置范圍。在監(jiān)測天然水面浮標(biāo)時(shí)，一般情況是水面浮標(biāo)集中出現(xiàn)的位置就是中泓位置區(qū)域，也有天然浮標(biāo)在河段橫向分布位置較散亂的情況，為收集更多的浮標(biāo)資料，往往會(huì)抓測較大范圍內(nèi)的浮標(biāo)點(diǎn)，為提高關(guān)系線擬合精度，需要確定浮標(biāo)流速橫向分布的起點(diǎn)距范圍。方法是點(diǎn)繪不同水位級下監(jiān)測的起點(diǎn)距～中泓浮標(biāo)測點(diǎn)流速關(guān)系見圖4，可見不同水位級下的浮標(biāo)測點(diǎn)大都分布在河段中泓起點(diǎn)距100 m～200 m范圍內(nèi)，優(yōu)選起點(diǎn)距100 m～200 m內(nèi)的測點(diǎn)計(jì)算各次中泓法浮標(biāo)斷面虛流速。其他測點(diǎn)不參加中泓法虛流速計(jì)算，從而提高浮標(biāo)系數(shù)關(guān)系線精度。

圖4 北碚站浮標(biāo)流速分布圖

2 資料選用

以北碚水文站為例，北碚水文站是嘉陵江出口控制站，其位于嘉陵江觀音峽內(nèi)，測驗(yàn)河段順直，兩岸平緩而穩(wěn)定，沖淤變化較小，當(dāng)三峽電站蓄水位較高時(shí)，有頂托現(xiàn)象。

選取北碚水文站2015年～2018年共20次同步流速儀法斷面平均流速、中泓浮標(biāo)法流速比測資料進(jìn)行分析，中泓浮標(biāo)法虛流速的數(shù)據(jù)通過上訴突變點(diǎn)分析剔除、中泓浮標(biāo)起點(diǎn)距范圍方法處理。

3 關(guān)系線擬合及精度檢驗(yàn)

通過計(jì)算后得到中泓浮標(biāo)法斷面流量，點(diǎn)繪與同步流速儀法斷面流量的散點(diǎn)相關(guān)關(guān)系圖見圖5，將呈帶狀分布的測點(diǎn)建立線性關(guān)系模型。使用直線擬合、剔除突變點(diǎn)后直線擬合、剔除突變點(diǎn)一元二次回歸擬合、剔除突變點(diǎn)冪函數(shù)回歸擬合4中方案進(jìn)行回歸方程關(guān)系擬合分析見表1。

圖5 起點(diǎn)距100 m～200 m段中泓浮標(biāo)系數(shù)分析圖

表1 不同方法擬合關(guān)系及誤差精度

根據(jù)表1的分析指標(biāo)表明各方案均滿足相關(guān)水文規(guī)范要求，推薦使用最優(yōu)方案為剔除突變點(diǎn)后冪函數(shù)回歸方程：Q=0.7754Q虛1.0247。

4 成果驗(yàn)證

2020年08月北碚水文站收集10次中泓法浮標(biāo)測流資料，使用推薦方程計(jì)算出各次浮標(biāo)斷面流量與同步流速儀法流量Q42～51次進(jìn)行流量誤差驗(yàn)證分析檢驗(yàn)見圖6。

圖6 浮標(biāo)流量相對誤差檢驗(yàn)關(guān)系圖

圖6可見流量的相對誤差在-1.72%～3.11%之間，誤差較小，符合相關(guān)水文規(guī)范要求，驗(yàn)證合格。

5 結(jié)語

通過研究全站儀預(yù)判浮標(biāo)路徑監(jiān)測角度方法、突變點(diǎn)剔除、多種線性回歸擬合浮標(biāo)系數(shù)相關(guān)關(guān)系，其結(jié)論如下：

(1)通過全站儀望遠(yuǎn)鏡提前預(yù)判浮標(biāo)路徑監(jiān)測角度的方法操作簡單、效果顯著，能有效提高浮標(biāo)監(jiān)測角度精度，可推廣。

(2)剔除浮標(biāo)流速突變點(diǎn)對浮標(biāo)系數(shù)相關(guān)關(guān)系精度有所提高。

(3)多種關(guān)系線擬合方案優(yōu)選最佳精度方案，可提高中泓浮標(biāo)法關(guān)系線精度。