采用简单移动平均法进行南宁站定点式ADCP流量平滑处理
2016-08-23李伟娟韦广龙
李伟娟，韦广龙
（南宁市水文水资源局，南宁 530001）
采用简单移动平均法进行南宁站定点式ADCP流量平滑处理
李伟娟，韦广龙
（南宁市水文水资源局，南宁 530001）
采用简单移动平均法对南宁站定点式ADCP采集的流量进行平滑处理，与原瞬时流量过程对比，平滑处理后的流量过程与水位过程相应，消除了原瞬时流量过程的锯齿波，平滑后的流量值更合理。
移动平均法；定点式ADCP；流量平滑处理；南宁站
0 引言
南宁站定点式声学多普勒流速仪（简称定点式ADCP），从2011年1月1日正式投入使用，常年每日24 h连续采集流量信息，每次采集间隔5 min，施测历时100 s。由于水流脉动性，采集的流速数据系列为锯齿波，致使流量过程为锯齿波，与水位过程线不太相应。目前，声学多普勒流速仪分为走航式和定点式两大类，《声学多普勒流量测验规范》中对定点式声学多普勒流速仪流量测验第5.2.2流量测验相关关系的建立与使用应符合下列规定：第2条：断面平均流速可用流速仪精测法或走航式声学多普勒流速仪（简称走航式ADCP）测量。《声学多普勒流量测验规范》对走航式声学多普勒流速仪流量测验第4.3.1流量相对稳定时，应进行两个测回断面流量测量，取均值作为实测流量值[1]。
南宁站定点式ADCP与走航式ADCP进行断面平均流速比测，建立断面平均流速相关关系。因此，南宁站定点式声学多普勒流速仪的流量系列按照走航式声学多普勒流速仪流量测验的要求，取2个采集流量值作为一个测回，按两个测回取4个采集流量值，取均值作为实测流量值。以前，南宁站定点式ADCP流量整编，摘录的逐时流量是采用没经过平滑技术处理的原瞬时流量，致使流量过程呈锯齿波，欠缺合理性。采用移动平均法进行定点式ADCP指标流速平滑技术处理，平滑流速脉动性，也就是对定点式ADCP流量进行流量平滑技术处理，消除了原瞬时流量锯齿波，使之更合理。
1 基本依据
1.1 简单移动平均法
简单移动平均法是指对由移动期数的连续移动所形成的各组数据，使用算术平均法计算各组数据的移动平均值，并将其作为下一期预测值[2]。
简单移动平均法是一种改良的算术平均法，是一种用作处理锯齿波的平滑方法。
南宁站定点式ADCP流量数据相应时间序列的时距相等，故采用简单移动平均法进行定点式AD⁃CP流量平滑技术处理。
1.2 简单移动平均法表达式：
式中：Qt——移动平均时期的平滑计算值，m3/s；
Vi——定点式ADCP断面平均流速，m/s；
Ai——定点式ADCP监测断面面积，m2；
n——移动平均时期的时期个数。n=2，3，4……m；
i=0、1、2、3……m。
2 断面流量计算
2.1 流量移动平均时期的优选
南宁站定点式ADCP与走航式ADCP进行断面平均流速比测，建立断面平均流速相关关系。流量移动平均时期则以走航式ADCP两个测回断面流量相对应的4个定点式ADCP采集流量段为流量移动平均时期，即n=4。由（1）式得其表达式：
式中：Qt——定点式ADCP流量移动平均相应时间t时的流量，m3/s；
qi——定点式ADCP在t时间采集流量系列的相应流量，m3/s；
2.2 定点式ADCP平滑指标流速KC计算
对定点式ADCP流量数据平滑处理，主要是对定点式ADCP的断面平均流速平滑处理，而定点式ADCP的断面平均流速通过与定点式ADCP的指标流速建立相关关系，是对定点式ADCP的指标流速平滑处理得平滑指标流速KC。因此，由（2）式得：
式中：KC——定点式ADCP平滑指标流速，m/s；
Kt——定点式ADCP指标流速，m/s。
2.3 进行定点式ADCP平滑指标流速KC计算
按（3）式进行定点式ADCP平滑指标流速KC（见表1）。
表1 南宁站2014年6月4日9～13时定点式ADCP平滑指标流速计算表 m/s
3 南宁站定点式ADCP流量平滑计算
3.1 南宁站定点式ADCP指标流速平滑计算
（1）确定定点式ADCP指标流速采集时间。南宁站定点式ADCP指标流速Kt的每次采集间隔时间是根据走航式ADCP一个测回间隔的平均时间而定，走航式ADCP一个测回间隔的平均时间5～6 min。因此，南宁站定点式ADCP指标流速Kt的每次采集间隔时间为5 min。
（2）整理定点式ADCP采集的指标流速连续性。对于全年完整的定点式ADCP指标流速系列，在年头0时前加入2个指标流速数据，即0时前5 min、10 min的指标流速数据；在年尾24时后加入1个指标流速数据，即下年0时后5分钟的指标流速数据。对于一年内分为几段指标流速数据，将按实际段次分别整理。
按（3）式：KC=（Ki-2+Ki-1+Ki+Ki+1）/4定点式ADCP指标流速平滑计算。
3.2 南宁站定点式ADCP断面平均流速计算
南宁站定点式ADCP与走航式ADCP进行断面平均流速比测率定得关系式：
式中：VC——定点式ADCP断面平均流速，m/s；
KC——定点式ADCP平滑指标流速，m/s；
Hi——与定点式ADCP指标流速Kt相对应的水位，m；
b1、b2、b3均为断面平均流速比测率定系数。
按（4）式进行南宁站定点式ADCP断面平均流速VC计算（见表1）。
3.3 南宁站定点式ADCP流量Qc平滑计算
根据南宁站定点式ADCP监测实测大断面水位Hi面积Ai的数据建立南宁站Hi～Ai关系线，并用二次函数模拟断面面积公式：
式中：Ai——定点式ADCP监测断面面积，m2；
Hi——与定点式ADCP指标流速Kt相对应的水位，m；
a1、a2、a3均为常数。
按（5）式进行南宁站定点式ADCP监测断面面积AC计算（见表2）。其中，水位Hi数据是以在水位台的固态水位数据，以每5 min采集的水位Hi数据作为计算水位Hi。
南宁站定点式ADCP流量Qc计算，按流量计算公式：
式中：Qt——定点式ADCP移动平均时期的流量，m3/s；
Vi——定点式ADCP断面平均流速，m/s。
南宁站定点式ADCP流量平滑计算，是在通过平滑指标流速计算后，再进行流量平滑计算的（见表2）。
从南宁站2014年6月4日9～13时定点式AD⁃CP非平滑与平滑流量过程线对比（见图2）看到，经对南宁站定点式ADCP指标流速KC平滑处理后，定点式ADCP流量过程线与水位过程线基本相应。
图1 南宁站定点式ADCP断面平均流速对比过程线
表2 南宁站2014年6月4日9～13时定点式ADCP流量平滑计算表
4 南宁站定点式ADCP平滑流量误差分析
从南宁站2012年6～12月定点式ADCP平滑流量误差统计表（见表3）可看出，月平均误差S≦0.01%，最大误差SD≦±4.92%，小于±5.00%为100%，完全符合定点式ADCP流量整编规范要求。
图2 南宁站定点式ADCP流量对比过程线
表3 南宁站2012年6～12月定点式ADCP流量平滑的流量误差统计表
5 结语
采用简单移动平均法进行南宁站定点式ADCP流量平滑处理，能消除因水流脉动而造成流量过程的锯齿波，比没经过平滑处理的原瞬时流量更加合理。南宁站以简单移动平均法n=4作移动平均时期进行定点式ADCP流量平滑计算，是结合南宁站走航式ADCP的2个测回所得4个校测流量作采用移动平均法的技术要求，对定点式ADCP流量的脉动波技术平滑。
南宁站定点式ADCP从2013年采用简单移动平均法进行流量平滑处理，已应用于流量整编，其整编成果符合流量整编规范要求。
简单移动平均法进行定点式ADCP流量平滑计算可通过编程完成，只输入指标流速、水位数据系列，把率定的断面平均流速公式、断面面积公式编入即可，操作简单快捷。
[1]SL337-2006，声学多普勒流量测验规范[S].
[2] 百度网百科，理学：简单移动平均法概述[BP]http://baike.baidu.com/view/4367280.htm，2015-05-30.
（责任编辑：刘征湛）
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
李伟娟（1974-），女，广西灵川人，广西水文水资源局南宁水文站助理工程师，学士，主要从事水文水资源勘测工作。
