感潮河段流量在线监测系统精度控制方法分析

陈佳伟 曾瑞 毛金锋 胡纲

摘要：

感潮河段水位流量时空变化复杂，可运用在线监测系统实现流量整编。为提高流量在线监测系统的测验精度，利用实测数据从代表流速精度控制、断面面积精度控制、代表流速拟合方案优选等3个方面对可能导致结果产生误差的因素进行分析。结果表明：通过合理比选代表流速位置、进行代表流速断面投影、适当延长定点ADCP测速历时、对数据进行平滑处理以及优化选择面积测量方式等，可以有效保证模型精度，满足水文整编规范要求。

关键词：

流量测验； 精度分析； 代表流速； ADCP； 感潮河段

中图法分类号：P332

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.001

文章编号：1006-0081（2023）05-0006-06

0 引 言

受上游径流和海洋潮汐双重作用，感潮河段水位流量时空变化复杂［1］。长江南京河段水位受潮汐影响，每日两涨两落，呈非正规半日潮型，水位年内变幅较大；水流特性以单向径流为主，受潮汐上溯影响，枯季断面出现负流，自左岸起影响通量；水位、流量曲线呈波浪形变化，流量整编较为困难。韦立新、朱巧云等［2-3］研究发现，传统采用转子式流速仪或ADCP走航式施测流量监测的频次偏少，无法实现流量的过程推求，对此可通过建立流量在线监测系统解决。马富明等［4］通过调研发现，近年来国内不少河流采用在线流量监测系统，然而实际运用效果良好的不多，精度难以保证。本文采用优化測验方式及实测数据，针对感潮河段流量在线监测系统中可能导致结果产生误差的因素进行分析，旨在提高流量资料整编精度与流量在线监测系统的可靠性。

1 研究内容

1.1 代表流速精度控制

流量在线监测系统通常采用流速-面积法建模。为了使模型推算的断面平均流速更贴近真实流速，需充分考虑各项代表流速的代表性与一致性，本文将围绕代表流速的比选、流速的投影、测速历时选择、流速曲线拟合方法4个方面展开分析。

1.2 断面面积精度控制

流量在线监测系统断面面积可采用实时水位插补大断面数据方法获取，受旁瓣及盲区影响［5］，走航式ADCP自测的断面面积与实际存在偏差，需要优化面积测量方式。

1.3 代表流速组合方案优选

当流量在线监测系统中存在多项代表流速时，需比选不同组合，分别建模，统计误差，验证精度，选出最优方案。

2 数据来源

长江水利委员会水文局研发的基于ADCP的流量在线监测系统可实时推求长江下游感潮河段断面流量［6-7］，满足了长江下游水文资料系统性和连续性的要求，为感潮河段以及易受各种水力因素影响河段的流量报汛及整编提供了科学参考［8-9］。本文以南京水文实验站（以下简称“研究区域”）使用的基于ADCP的流量在线监测系统为实例展开分析。

研究区域流量在线监测系统中，采用2台定点垂向ADCP和1台水平式ADCP相结合的方式连续施测代表流速，见图1。

通过走航式全潮水文测验方式率定3个代表流速与断面平均流速的多元线性回归模型；断面面积通过实时水位插补大断面资料计算。采用走航式ADCP每年施测30次以上的稳定流时段流量用以验证模型精度。技术路线图见2。

本文数据全部来自于研究区域 2021年1～12月的实测资料。其中在线测流系统数据来自3个代表流速实时数据；走航式全潮水文测验共90测次，见表1，实测流量范围-1 110～62 600 m3/s，水位范围3.22～8.58 m，用于模型参数率定；另施测走航式稳定流测验30余次，用于模型精度验证计算。

3 精度与误差控制

3.1 代表流速比选

研究区域大断面形态为“V”形且深槽靠右（图1），在长江右岸断面起点距2 140 m处布设一个水平式ADCP，选取实测水面以下一段流速作为代表流速；在江中断面起点距1 115 m处及起点距1 595 m处设置两个浮标平台，平台上布设定点垂向ADCP实测两垂线的平均流速作为另外的代表流速。

根据历史实测落潮期稳定时段流量测验资料分析，将流速仪测流断面从左岸起共布设的10条测速垂线的垂线平均流速与断面平均流速建立相关关系，优选出相关性最佳的第6条垂线 ［11］ ，即图中起点距1 595 m处；针对受感潮影响时，断面从左岸起出现负流的情况（图3），以起点距1 115 m处第3条垂线作为代表流速。

综合考虑测速区域覆盖横断面范围［12］、所在水道平均水深、供电、安全性、维护保养、上游板桥河闸排涝干扰、汛期含沙量大时传感器测量范围锐减等因素，在右岸起点距2 140 m处深槽附近布设水平式ADCP，选取水下3.0 m位置处发射波束100～150 m的水平区段数据，该区段水平层平均流速与断面平均流速的相关关系较好，可确保全年水平式ADCP数据的可靠性和有效性，保证了该指标流速数据提取的一致性和延续性。

3.2 流速投影

走航式ADCP软件提供的断面计算方式包括与航迹线平行、与断面平均流向垂直、与投影角垂直 ［13］。因为需要对照断面起点距摘录流速并准确计算平均流速，本文选择与投影角垂直的方式计算。研究区域断面流向较为稳定，与垂直断面方向42°基本保持一致，因此断面投影角度为42°。为了保证资料的一致性，流量在线监测系统流速计算时也进行投影处理。将定点垂向ADCP测得垂线平均流速 V  f投影到42°方向作为代表流速 V  f 1 （起点距1 115 m）、 V  f 2 （起点距1 595 m），如图4所示。（实际操作中比照42°偏差超过10°时做偏角改正）。

水平平均流速考虑到水平式ADCP流速计算默认坐标系统的 Y轴为换能器脉冲发射方向，Y轴和流速仪测流断面方向非完全平行，X轴垂直于Y轴，因此X轴 分量与水流方向也存在夹角，故而需要将水平平均流速投影到42°方向作为代表流速 V  h  ，如图5所示。

3.3 测速历时选择

基于流量测验Ⅰ型误差，足够的测速历时可以使得垂线各测点流速误差在流速脉动总体平衡条件下被有效抵消［14-15］。研究区域处于感潮河段，每天涨落潮时流速变化速率快，ADCP测速历时过长，会导致数据不能有效反映流速变化过程；历时过短，会使流速脉动幅度增大，降低数据代表性。

图6（a）为测速历时为30，60，120 s情况下垂线平均流速过程线。可以看出，一定范围内，随着历时增大，流速脉动减弱；图6（b）为测速历时为90，120，150 s情况下垂线平均流速过程线，三者趋势较为一致。

图7为某时段ADCP测速历时为30，60，90，120 s情况下采集流速与代表线垂线平均流速（以150 s历时滑动平均后的流速值为其他各种历时试验值的参比值）的相关性分析。可以看出，随着测速历时增加，ADCP测得流速的代表性逐渐增大，从代表性与实时性方面考虑，推荐ADCP测速历时为60～120 s。

3.4 流速曲线拟合

除了通过适当延长测速历时来减小脉动，也应选用适当的曲线对代表流速进行拟合，进一步削弱脉动影响。滑动平均曲线拟合是通过插值法拟合光滑曲线的一种方法。在曲线拟合的基础上再辅以人工修线，可以改善拟合曲线与原始数据间的相关关系，清晰地描述数据趋势［16］。本文采用滑动曲线拟合方法。如图8所示，曲线拟合后很大程度上消除了脉动流速的影响，流速与水位的周期性对应关系符合感潮河段的水流特性。代表流速经曲线拟合后，将全潮水文测验所有测次时间节点在拟合曲线上查读，对应的流速值作为自变量参与回归分析以及流量计算。图9（a），（b）分别是曲线拟合前后第6条代表垂线流速与走航式ADCP实测断面平均流速的相关性对比，可以看出拟合后相关性增强。

3.5 面积误差控制

研究区域流量在线监测系统断面面积采用实时水位插补大断面数据方法获取，大断面每月实测一次。将同次流量测验中ADCP实测断面面积与水位插补断面面积对比分析（图10），发现ADCP实测水深与测深仪测得水深普遍存在偏差。在走航式600 kHZ ADCP 测量时外接1台208 kHZ单波束测深仪施测水深，进行对比分析，见图11。

综合图10～11分析可知，外接测深仪后，同测次断面左岸起点距700～1 100 m处水深和断面起点距2 030 m处的深泓部分的水深误差明显变小，断面面积误差精度有所提高。在断面起点距1 200～1 700 m的中泓部分面积差值系河床“走沙”运动导致。

对比2021年全潮水文测验期间90测次水位插补面积值与外接测深仪实测值，系统偏差为-0.33%，随机不确定度为1.16，最大单次误差为-2.0%，面积误差得到较好控制，从而提高流量计算精度。

4 方案比选及误差分析

研究区域的流量在线监测系统由3个代表流速构成。考虑到代表流速偶尔会出现数据缺失状况，兼顾系统稳定性，采用多方案组合形式共7种方案进行线性回归分析，并求取回归系数 C，A 1，A 2，B及决定系数R2 。

方案1，2，3：分别统计单一指标（垂线代表流速 V  f 1、垂线代表流速V  f 2、水平代表流速V  h ）与断面平均流速V之间的关系；方案4，5，6：统计双指标与断面平均流速V之间的关系（方案4考虑V  f 1和V  h ，方案5考虑V  f 2和V  h ，方案6考虑V  f 1和V   f 2）；方案7：统计3个指标与断面平均流速V 之间的关系。

以90组流量流速数据为因变量，同時间段流量在线监测系统采集的 V  f 1，V  f 2和V  h 作为自变量进行多元线性回归分析，建立的多元回归模型系数见表2。7种方案下计算结果精度都较高，决定系数R2值均在0.97以上，说明断面平均流速V与垂线代表流速V  f 1，V  f 2及水平代表流速V  h  具有较好的相关关系。

多种代表流速方案的决定系数 R 2均高于单一代表流速方案，即方案4，5，6，7的决定系数均优于方案1，2，3。这说明综合考虑两项代表流速较单独考虑某一项代表流速，计算得到的结果更加符合实际情况；而在两种代表流速方案中，考虑垂线代表流速 V  f 和水平代表流速V  h 均优于考虑双垂线代表流速V  f 1，V  f 2 ，即方案4，5优于方案6；方案4，7最优。

本文利用90次全潮水文测验数据建立了多元线性回归模型拟合断面平均流速进而计算流量，通过当年另外时段30余次走航式ADCP流量实测值论证推求了流量的精度。误差分析见表3。

从表2～3可以看出，虽然决定系数 R 2较高，计算流量与实测流量依然会有不同程度的系统误差，尤其单一代表流速的方案1，2，3及双垂线方案6，决定系数较高但系统误差较大。方案2系统误差及随机不确定度最大。这是因为方案2采用的垂线代表流速 V  f2位置处于断面左岸浅滩，受到潮水上溯影响明显，汛期流速变化趋势和断面平均流速一致，枯季涨潮时会最先反映出断面负流情况，时常出现流速方向与断面平均流速相反的现象。

根据3种检验（符号检验、适线检验、偏离数值检验）结果来分析，多种代表流速方案4，5，7均达到了Ⅰ类精度站的定线要求（SL/T 247-2020《水文资料整编规范》中系统误差±2%，随机不确定度10%），方案7与方案4决定系数、系统误差、3种检验等各项误差指标较为接近，加入代表流速 V  f 2 的方案7精度最高。

5 结 论

（1） 本文利用已有监测时段内实测的断面平均流速、垂线代表流速和水平代表流速，建立了断面平均流速的多元线性回归模型。模型具有较好的精确性，可应用于实际的水文工作中。

（2） 應尽可能准确选择合适代表流速，并通过调整测速历时与曲线拟合减弱流速脉动影响，通过流速投影的方式提高代表流速与断面平均流速之间的相关关系，以获得合理、准确的变化过程。

（3） 应选择合适断面面积施测方式以保证建模数据一致性，流量在线监测系统采用的断面面积与走航式ADCP实测值间的偏差可通过外接测深仪方式控制。

（4） 多元线性回归模型中选用的代表流速不同，其计算精度也有所不同。本文中综合考虑垂线代表流速和水平代表流速，其计算结果的精度值要优于只考虑某一单项代表流速和双垂线流速方案；结合历年资料，采用3种代表流速拟合精度最高。在实际工作中，应尽量完整、准确地监测出全部代表流速，使模型更加准确、有效。

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（编辑：江 文）

Abstract：

Tidal river section has a complex spatial and temporal variations of water level and discharge.Therefore，the on-line monitoring system could be applied for the tidal river discharge data compilation.Aimed at enhancing the accuracy of on-line measuring system，the measured data were used to analyze the factors that may cause errors in the results from three aspects：precision control of representative velocity，precision control of cross-sectional area and optimization of representative velocity fitting schemes.The results indicated that through reasonable comparison and selection of index velocity position，projection of index velocity cross section，appropriately extension of fixed point ADCP velocity measuring duration，processing of data smoothing，and optimized selection of area measurement etc.，the optimized method can effectively satisfy the accuracy of online flow measuring system.

Key words：

flow measurement； accuracy analysis； representative velocity； ADCP； tidal reach