基于大數(shù)據(jù)方法垂線流速修補(bǔ)研究

趙勝凱，梁 坤

(河北省石家莊水文勘測研究中心，河北 石家莊 050000)

石家莊市已經(jīng)在地都、劉家坪、王岸、小覺水文站建設(shè)有4套雷達(dá)波測流站，就目前應(yīng)用效果來看，測流站可獲取高洪流量過程，盈水期所測流速流態(tài)穩(wěn)定、相同水位條件下各垂線流速的重現(xiàn)率高，不同水位集下垂線流速分布圖呈等比狀態(tài)分布。然而在枯水期，常常會出現(xiàn)某條測速垂線、某些測速垂線測不到流速的情況，即便是在盈水期，如遇飛蟲或其他自然因素干擾，偶爾也會出現(xiàn)某條垂線測不到流速或者突然冒出大數(shù)的情況，這些情況嚴(yán)重干擾和困擾流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可用性，而通常出現(xiàn)這種狀況時(shí)，大多是3～8條垂線流速都表現(xiàn)為正常，1條或者2條測速垂線表現(xiàn)為零或超大。為解決上述問題，通過實(shí)際的探索、實(shí)踐、比對，依據(jù)斷面的流速分布圖、垂線的水位流速大數(shù)據(jù)來即時(shí)修正不合理的垂線流速。

1 大數(shù)據(jù)修正流速方法

為了有效修正流量監(jiān)測中流速的奇異值，提升測流設(shè)備的抗干擾能力，提高流量監(jiān)測的精度，為防洪決策大數(shù)據(jù)的積累提供更可靠的保障，采用如下技術(shù)方案：

(1)依據(jù)大數(shù)據(jù)修正垂線流速的方法，該方法分兩個(gè)執(zhí)行步驟，第一步確定每條測速垂線的水位流速關(guān)系，第二步修正實(shí)測垂線流速，以測速垂線的水位流速關(guān)系和水位為依據(jù)逐一校核、修正每個(gè)測次的各個(gè)實(shí)測垂線流速[1]。

在具體實(shí)施時(shí)，上述流程中的第二步，每測得一次新的流量數(shù)據(jù)，都需要執(zhí)行一次，上述流程中的第一步，可以定期執(zhí)行并保存該關(guān)系式，由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度很快，該步驟也可以在每接收到新的流量成果后再立即執(zhí)行而不需保存該關(guān)系式。

(2)如圖1所示，河道流量測量，是在河道的某一斷面上，使用雷達(dá)波等流速感應(yīng)器對河道斷面上多個(gè)相對固定的點(diǎn)進(jìn)行流速測量，這些測速點(diǎn)位于斷面所在的直線上，該直線垂直于河水流動的方向。實(shí)際工作中，上述河道流量測量通常在一個(gè)水文站上進(jìn)行，測量到水位和垂線流速后，還需要通過水位、多個(gè)垂線流速計(jì)算出河水的流量，流量是流量測站的最終成果，修正的流速是流量計(jì)算中的關(guān)鍵因素。

圖1 測流工作及成果示意圖

(3)河道流量的測量是一個(gè)長期的過程，一般每日數(shù)次至數(shù)百次，每次測量的數(shù)據(jù)成果有各個(gè)測速垂線上的流速和當(dāng)前河道的水位。流量測量過程中可能還伴有現(xiàn)場的照片、風(fēng)速、溫度等，流量測量形成的成果本身就是大數(shù)據(jù)，從大數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵要素，該要素是垂線流速、水位系列，再以該關(guān)鍵要素對新測量的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[2]。

(4)如圖2所示，水位流速關(guān)系可用公式sp=aZ2+bZ+c來表達(dá)，式中sp表示流速，Z表示水位，a、b、c為常數(shù)，在特定的測速垂線上，每次測流的成果，對應(yīng)有該測速垂線的流速和測流時(shí)的水位，將該測速垂線上多個(gè)測次中的水位、流速數(shù)據(jù)，帶入最小二乘法，即可擬合出測速垂線的水位流速關(guān)系公式，算得a、b、c三個(gè)常數(shù)的值。實(shí)際工作中，該關(guān)系式可以事先定義，也可以動態(tài)擬合。動態(tài)擬合時(shí)，需要讀取歷史數(shù)據(jù)，即該測速垂線多次測量的水位和流速，將水位和流速集合帶入最小二乘法，可計(jì)算出sp=aZ2+bZ+c公式中的a、b、c常數(shù)；事先定義是由人工判讀的方式、人工擬合公式、人工確定a、b、c三個(gè)常數(shù)，測流過程中，當(dāng)收到實(shí)測數(shù)據(jù)后，立即進(jìn)行判讀和修正。具體實(shí)施時(shí)，如果垂線的水位流速關(guān)系公式是自定義的，則該關(guān)系式需要定期校核、更新。動態(tài)擬合關(guān)系公式a、b、c三個(gè)常數(shù)時(shí)，通常只有沒有被修正的流速才會參與計(jì)算，也就是只有實(shí)測垂線流速才會被篩選出來，使用最小二乘法參與常數(shù)a、b、c的計(jì)算[2- 4]。

圖2 測速垂線的水位流速關(guān)系

(5)如圖3、圖4所示，上述第二步對施測垂線的修正，是在現(xiàn)場施測后，對每一個(gè)測速垂線，逐一依據(jù)測速垂線的水位流速關(guān)系和所測水位值，計(jì)算出一個(gè)流速，實(shí)測流速和計(jì)算流速之間會有一個(gè)差值，如果該差值的絕對值大于設(shè)定值，則將該垂線流速替換為計(jì)算流速。實(shí)際工作中，通常將設(shè)定值設(shè)為0.3，若計(jì)算值與測量值之差大于0.3，則使用計(jì)算值替換測量值；計(jì)算值與測量值之差小于或等于0.3，則保留測量值。具體實(shí)施時(shí)，由于垂線流速是設(shè)備測量而得的，設(shè)備返回的數(shù)據(jù)可能為0，可能特別大，例如使用雷達(dá)波測速時(shí)，流速小于0.5一般就測不到了，返回的結(jié)果就是0，或者飛蟲、鳥獸走過，樹枝擾動，設(shè)備所測流速都會發(fā)生偏移，因此可將上述差值設(shè)得稍大一些，如0.5，通常為0或者偏離特別大的時(shí)候，才需要修正。

圖3 依據(jù)水位流速關(guān)系修正流速

圖4 修正前后的流速

2 湖南藍(lán)山站應(yīng)用情況

2.1 測站基本情況

藍(lán)山水文站位于舜水河右岸，地處藍(lán)山縣塔峰鎮(zhèn)東村，東經(jīng)112°19′，北緯24°55′，系舂陵水支流舜水區(qū)域代表站，集水面積為254km2，于2004年1月1日設(shè)立并進(jìn)行雨量、水位觀測，同年7月1日正式進(jìn)行流量測驗(yàn)。測驗(yàn)項(xiàng)目有降水、水位、水質(zhì)、流量，為二類精度站。

藍(lán)山水文站水位分級為：高水(270.00m以上)、中水(269.28～269.99m)、低水(269.05～269.27m)、枯水(269.05m以下)。實(shí)測歷史最高洪水位為271.65m(凍結(jié)基面)，流量為570m3/s，發(fā)生日期為2013年8月16日；最低水位為268.45m(凍結(jié)基面)，相應(yīng)流量為0.485m3/s，實(shí)測水位變幅為3.20m。

2.2 測流設(shè)備

本站采用的是雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)，該系統(tǒng)由跨河纜索、自移動探頭、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等部分組成。

雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)的流速測量設(shè)備采用多普勒雷達(dá)波測速傳感器，以非接觸方式測量水流表面速度，設(shè)備可以自行在纜索上運(yùn)動，測量橫斷面上不同位置的水面流速，配套專業(yè)測流軟件，通過借用斷面資料來計(jì)算斷面流量。

2.3 垂線水位流速關(guān)系

依據(jù)藍(lán)山站提供的資料，該站有現(xiàn)成的水深流速關(guān)系數(shù)據(jù)及關(guān)系圖，由于該站的斷面、測速垂線已知，從而可推算其水位流速關(guān)系公式。

圖5 藍(lán)山站斷面及測速垂線

2.3.1垂線水位流速分析

以下是藍(lán)山站全部測次各個(gè)垂線分別做水深-流速分析的數(shù)據(jù)情況，見表1。起點(diǎn)距為10m的測速垂線期水深流速關(guān)系公式為：sp=0.6145+0.0884H+0.4186H2-0.0599+H3，由于起點(diǎn)距為10處河底高程為268.08m(如圖5、圖6所示)，也就是Z=268.08+H，可得：

sp=0.6145+0.0884(Z-268.08)+

0.4186(Z-268.08)2-0.0599+

(Z-268.08)3

最終可得水位-流速關(guān)系公式：

sp=-1123977.4920+12690.1313Z-

47.7554Z2+0.0599Z3

表1 藍(lán)山站斷面及測速垂線

圖6 垂線(起點(diǎn)距10m)處水深流速分析

2.3.2水位流速關(guān)系設(shè)定

從以上展示的效果看，藍(lán)山站各條垂線的水位流速具有良好的線性關(guān)系，可建立水位流速公式對奇異值進(jìn)行矯正。測試中選用了藍(lán)山站2020年1月19日至2月19日時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測和測試，在這一時(shí)段內(nèi)藍(lán)山站站的水位流量過程中，有一次大的洪峰過程。該時(shí)段內(nèi)共有65個(gè)測次，有18個(gè)測次被修改。

2.4 應(yīng)用情況

通過對藍(lán)山站2020年1月19日至2月19日時(shí)段內(nèi)65個(gè)測次數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，該時(shí)段內(nèi)有一場高洪水過程，大多為低水期，有18個(gè)測次處于超低水期，有1～3條測速垂線沒有測到流速，本方法予以了及時(shí)的修正，修正后的數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)相比，較符合該站的常年流速分布特征，修改后的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可用；其余47個(gè)測次的流速分布圖與標(biāo)準(zhǔn)流速分布圖偏差不大，數(shù)據(jù)沒有被修改，方法對數(shù)據(jù)的處理合情合理。

3 結(jié)論

現(xiàn)狀雷達(dá)測速在獲取垂線流速結(jié)果時(shí)存在一定的誤差，為了提高垂線流速精度，提出使用大數(shù)據(jù)方法提取數(shù)據(jù)，擬合水位-流速曲線，對雷達(dá)測速結(jié)果進(jìn)行修正。以湖南藍(lán)山站為例，對該方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，采用大數(shù)據(jù)方法對垂線流速進(jìn)行修補(bǔ)較為可靠，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。