單延功,張維東,謝海文,朱慶云,韓伯成,朱永軍
(江蘇省水文水資源勘測局南京分局,江蘇 南京 210008)
秦淮河位于長江南京段南岸,由發(fā)源于句容境內(nèi)的句容河和發(fā)源于溧水縣境內(nèi)的溧水河在江寧區(qū)境內(nèi)匯合而成。句容河是秦淮河最大的支流,前垾村(句)水文站為句容河控制站,該站于1953年設(shè)立,2009年5月因下游建橋影響,測流斷面往上游遷移60 m,與基本水尺斷面重合。
對于坐底式ADCP 在線流量測驗方案而言,其關(guān)鍵是要確定儀器在測驗斷面上的安裝位置。由于設(shè)備價格和實際安裝存在困難等因素,不可能在河床每根垂線位置上安裝1 臺儀器,所以有必要對常測法測速垂線進(jìn)行精簡分析,只保留1 根或2 根垂線作為在線流速測驗的垂線。
《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》(SL 337—2006)規(guī)定,垂向代表線法流量測驗采用的代表線數(shù)目及位置應(yīng)通過比測、分析確定[1]?!端臏y驗手冊》規(guī)定,沒有精測資料的測站,可用常測法資料分析,如精度符合規(guī)定(即累積頻率達(dá)75%以上的誤差不超過±4%,累積頻率達(dá)95%以上的誤差不超過±8%),可作為簡測法使用[2]。本文根據(jù)上述規(guī)范要求,選用新測流斷面啟用后的2009—2016年共計288 次常測法流量測驗資料,利用Matlab 軟件編寫多元回歸程序,分析垂線流速與斷面平均流速之間的關(guān)系,確定代表垂線位置并以此作為坐底式ADCP 流速儀的安裝位置。
選用資料為288 次常測法流量資料,測驗時間為2009—2016年,所選擇的資料質(zhì)量可靠,精度較高,且分布在低、中、高各級水位,具有代表性。
前垾村(句)斷面呈U 形狀,斷面處河床基本順直,斷面穩(wěn)定,主河寬128 m,架設(shè)過河測流電動纜道,歷年采用流速儀法常測法測流,8 根測速垂線(起點(diǎn)距分別為13.2 m、30.0 m、50.0 m、65.0 m、77.0 m、90.0 m、105 m、120 m),采用二點(diǎn)法測速。
分析選用的4條垂線起點(diǎn)距分別為50 m、65 m、77 m和90 m,處于河道主泓區(qū)。
2.2.1 多元線性回歸
多元線性回歸模型[3]的一般形式為
式中,k為解釋變量的數(shù)目,βj(j=1,2,…,k)為回歸系數(shù)。
式(1)也被稱為總體回歸函數(shù)的隨機(jī)表達(dá)式,非隨機(jī)表達(dá)式為
式中,βj為偏回歸系數(shù)。
2.2.2 Matlab多元線性回歸的實現(xiàn)
多元線性回歸在Matlab中主要實現(xiàn)方法如下:
利用函數(shù)[b,bint,r,rint,stats]=regress(Y,X)確定回歸系數(shù)的點(diǎn)估計值,其中輸入?yún)?shù)X為1 與自變量組成的矩陣,表達(dá)式為
式中:輸入?yún)?shù)Y為因變量的列向量,顯著性水平ɑ默認(rèn)值為0.05;輸出參數(shù)b為回歸系數(shù),bint為b的置信區(qū)間,r為殘差(列向量),rint為r的置信區(qū)間;stats包括3 個統(tǒng)計量,決定系數(shù)R2、F值、F(1,n-2)分布大于F值的概率p,p<ɑ時回歸模型有效。
相關(guān)系數(shù)R2越接近1,說明回歸方程越顯著,F(xiàn)>F1-α(p,n-p-1)時拒絕H0;F越大,說明回歸方程越顯著,與F對應(yīng)的概率p<α?xí)r拒絕H0,回歸模型成立。
首先,利用Matlab 提供的Lillietest 函數(shù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗;其次,利用Matlab 提供的Vartest 函數(shù)進(jìn)行方差齊性檢驗;最后,利用Matlab提供的Dwtest函數(shù)進(jìn)行自相關(guān)性檢驗。Durbin-Watson 統(tǒng)計量值介于0~4之間,統(tǒng)計量值為2時,數(shù)據(jù)完全不存在自相關(guān)性,越是接近0 或者4,說明數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。一般認(rèn)為,統(tǒng)計量值介于1~3之間時,數(shù)據(jù)獨(dú)立性不存在問題[4]。
根據(jù)2009—2016年實測大斷面資料繪制大斷面圖,大斷面高中低水位面積計算結(jié)果表明,各年斷面面積變化小于±3%,符合規(guī)范規(guī)定的斷面穩(wěn)定要求。這一結(jié)果表明,所選用的流量資料的斷面面積是一致的。
利用選用的4條測速垂線流速分別與斷面平均流速繪制散點(diǎn)圖,結(jié)果表明,各垂線流速與斷面平均流速存在明顯的線性關(guān)系,可以利用線性回歸進(jìn)行分析。
分別利用各垂線流速與斷面平均流速進(jìn)行回歸分析,計算累積頻率75%以上的隨機(jī)誤差和累積頻率95%以上的隨機(jī)誤差如表1。
表1 單根垂線精簡分析誤差統(tǒng)計
分析結(jié)果表明,各垂線流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系都不符合誤差限要求,在剔除了殘差置信區(qū)間不含有0 的異常點(diǎn)后再次回歸,隨機(jī)誤差依然不符合要求,無法用1根垂線作為代表線測速。
分別利用2根垂線流速與斷面平均流速進(jìn)行回歸分析,計算累積頻率75%以上的隨機(jī)誤差和累積頻率95%以上的隨機(jī)誤差如表2。
表2 2根垂線精簡分析誤差統(tǒng)計
分析結(jié)果表明,剔除殘差置信區(qū)間不含有0 的異常點(diǎn)后,垂線V50 和V77 流速與斷面平均流速回歸的累積頻率75%以上的隨機(jī)誤差和累積頻率95%以上的隨機(jī)誤差符合誤差限要求,可以利用垂線V50和V77作為代表線進(jìn)行流速測驗。
通過模型求解所得的回歸結(jié)果如表3。
表3 回歸結(jié)果
剔除殘差置信區(qū)間不含0的異常點(diǎn)后得到回歸結(jié)果如表4。
表4 剔除異常點(diǎn)回歸結(jié)果
模型檢驗p值為0,說明模型通過檢驗。
根據(jù)回歸結(jié)果,可以確定斷面平均流速與垂線流速關(guān)系模型為:
V50和V77垂線流速與斷面平均流速回歸殘差散點(diǎn)圖如圖1。
圖1 殘差散點(diǎn)分布
殘差散點(diǎn)圖顯示,殘差在0附近隨機(jī)分布,無明顯趨勢。
殘差檢驗結(jié)果如表5。
表5 殘差檢驗結(jié)果
殘差檢驗結(jié)果表明,數(shù)據(jù)在正態(tài)性、方差齊性和獨(dú)立性方面都符合多元線性回歸的適用條件。同時,本分析使用數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《水文測驗手冊》規(guī)定的最低限值30,可以判定回歸模型有效。
(1)單根垂線的流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系模型的隨機(jī)誤差均不滿足規(guī)范規(guī)定的累積頻率75%以上(誤差限±4%)累積頻率95%以上(誤差限±8%)誤差要求,而系統(tǒng)誤差滿足規(guī)范要求(誤差限±1%)。
(2)2 根垂線的流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系模型的隨機(jī)誤差,只有V50 和V77 滿足規(guī)范規(guī)定的累積頻率75%以上(誤差限±4%)累積頻率95%以上(誤差限±8%)誤差要求,系統(tǒng)誤差也滿足規(guī)范要求(誤差限±1%)。
(3)該站可以在V50 和V77 垂線處安裝坐底式ADCP進(jìn)行流量在線測驗。