基于二维测流方式下流量算法模型在天然河道中的研究与应用

阮 聪，方金鑫，牛智星，刘 伟，陈绍祥，陈 翠，陈宇飞

(1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.云南省水文水资源局丽江分局，云南 丽江 674100；3.云南省水文水资源局临沧分局，云南 临沧 677000)

0 引言

流量资料具有极为重要的作用，涉及防洪安全、水文水利计算、水资源评价等各个方面，因此河流流量测量是水文工作的重要内容。

河道流量资料无法通过测量直接获取，必须先测量流速和过水面积数据，然后再通过相应模型计算出最终的流量数据。当前常规的河道流速测量仪器包括流速仪、雷达波测流设备等，基本原理是人工/自动测量河道单点流速[1]、多点面上流速，按照物理空间的划分可以理解成点为一维空间，面为二维空间。

想要获取准确的流量数据，首先流速要测得准确，其次模型算法一定要合适，否则出来的流量与真实流量偏差较大。本文基于二维流速测量方式下，对相应的流量算法模型进行研究和应用。

1 流速、过水断面面积的获取

1.1 流速

按照不同维度可以分为以下几类。一维：针对点流速进行测验，主要采集设备有旋杯/旋桨式流速仪、单点雷达等。二维：针对面上的多点、多垂线流速的测量，主要设备有侧扫雷达[2]、H-ADCP、走航式ADCP、时差法测流设备等。本文主要针对二维测流进行研究。

1.2 过水断面面积

天然河道中，想要获取过水断面面积，首先要测量出河道的大断面资料和当时的水位深度。

大断面测量：首先使用GPS或全站仪[3]获得左右岸两侧的水边点坐标及高程，然后根据超声波测深仪及GPS获取的数据组成断面数据。

过水断面面积：根据断面资料和水深，使用准确度较高的辛普森积分法公式[4]来计算出相应的过水断面面积。见图1。

图1 河道过水断面面积示意图

2 流量计算模型

2.1 指标流速法模型

首先通过测流设备，例如侧扫雷达、ADCP获取到单元流速，然后通过计算得出指标流速，再通过人工测流数据来确认指标流速与断面平均流速的关系，然后通过水位和大断面资料计算出过水断面面积。最终通过断面平均流速与过水断面面积相乘来得出流量。同时，模型的成果可以对人工测流的数据进行反向校核。见图2。

图2 指标流速法模型流程图

这是一个循环演进过程，通过不断新增的人工测流数据，进一步对模型参数进行校正。

(1)指标流速

根据仪器测量的代表性点流速，通过算数平均法或面积加权法公式，得出指标流速：

V=(V1+V2+…+Vn)/n

式中：V为指标流速；V1…Vn为点流速。

(2)平均流速

断面平均流速与指标流速建立一元多次方程，率定相应回归系数。指标流速与断面平均流速的方程式，根据关系拟合度自动选择二次或三次，关系越好次数越少。

Vm=C1+C2×V+C3×V2+C4×V3

式中：Vm为断面平均流速；V为指标流速；C1、C2、C3、C4为回归系数。

(3)过水断面面积

通过辛普森积分法来计算出相应的过水断面面积：

式中：n为将闭区间等分成2n个小区间[xi，xi+1](xi

(4)流量

Q=S×V

式中：Q为流量；S为过水断面面积；V为水流流速。

2.2 传统流速面积法模型

首先通过测流设备得到单元流速，过滤出有效单元。同时通过水位和大断面资料，获取到过水断面面积，再通过各单元的有效流速和各单元的过水断面面积，来计算出单元流量，再累加获取断面流量，见图3。

图3 传统流速面积法模型流程图

(1)过水断面面积

通过辛普森积分法来计算出相应的过水断面面积：

(1)

式中：n为将闭区间等分成2n个小区间[xi，xi+1](xi

(2)流量

(2)

式中：Q为总流量；S为单元面积；V为单元流速。

3 系统应用与实践

通过集成上述关键技术，开发并建设了流量算法模型软件。对于流量模型来说，接口需要做到标准化，输入包括人工数据、测量数据、自动遥测数据等多种数据来源。涵盖了多种模型，系统可智能选择最优模型。模型随着数据样本的增加，自动校正，优化参数。输出的格式标准化，满足流量的资料整编。流量算法模型软件见图4。

图4 流量算法模型软件

通过在云南省来远桥水文站进行半年左右时间的应用，将流量算法模型得出的成果与人工测验得出的整编成果进行对比。见图5。

图5 模型计算在线流量与人工整编流量对比

4 结语

经过半年多应用研究，根据模型算法得出的在线流量与人工实测流量过程线分析可知，两个测验方式的流量成果关系较好，在高水洪峰流量段时模型算法得出的流量高于人工实测流量，其他时段模型成果均与人工实测流量较吻合。