全自动电波流速仪缆道在流速修正技术中的应用

杨 健

（河北省石家庄水文勘测研究中心，石家庄 050051）

电波流速仪是一种利用多普勒原理进行测速的仪器，属于非接触式测速设备。该仪器不仅适用于山区水情复杂、水流湍急、含沙量较大、水面漂浮物较多的睡眠流速测量， 还可在普通转子式流速仪无法入水的特殊水情水面流速测量。 减少单次的自动测流设备的误测率， 提高仪器测验合理性是加强水文应急监测能力和发布准确预测预报的重要依据。 单次的流量合理性检验一般采用人工实测后进行， 无法适应当前对水文监测数据实时准确上报的要求。 全自动测流缆道虽能及时快速完成流量测验， 但需要对测流仪器采集的流速数据进行分析，修正部分不合理的测点，才能得到相对准确的流量值。

1 流速修正的依据

1.1 垂线水深和流速关系

借助MATLAB、Lingo 数学软件通过最小二乘法等算法， 从历史大数据中分析和挖掘标准流速分布图和垂线的水深流速关系线。 将各垂线历史测流数据（包括水深和流速）传递给最小二乘法算法库，算法库利用二次多项式动态拟合出固定垂线水深和流速的关系。即：

式中V 为垂线流速（m/s)；H 为河流垂线水深（m)；a、b 和c 为系数，由最小二乘法求解得到。在实际测流工作中， 可随着测流数据的不断累积定期更新以上水深～流速关系公式，即根据新的测流数据重新估算系数a、b 和c。如图1。

图1 某站水深与流速关系曲线

由于断面的冲淤变化等外界要素影响， 水位与垂线流速的关系是一个持续的渐变过程，因此，需要通过软件和大量实测数据进行不断修正。 通过关系曲线的确定， 可以得出各条预定垂线流速在不同水深下的分布，各个相邻测次所测流速构成的分布图，如图2，其形状都大致相同即标准流速分布图。

图2 断面多次流速分布图与标准分布图

1.2 垂线流速的合理修正

通过不同水深标准流速分布图，对断面形状、糙率等控制因素变化不大的雷达波测速点流速进行合理修正。流量施测中，所测流速的流速分布图其形状如果偏离标准流速分布图， 与标准流速分布图相应的垂线流速超出一定的比例范围，依据水深、流速在自然条件下的渐变性分析，如果超出一定的阈值，该测次中相应的垂线流速就应该被质疑和修正。

2 流速修正的过程

2.1 修正垂线流速

（1）确定河水的标准流速分布图。

（2）修正实测垂线流速，以标准流速分布图为依据，逐一校核、修正每个测次的各个实测垂线流速，从而得到修正后的河水流量。 ①确定本测次的依据流速分布图。 ②逐一判读各个实测垂线流速与依据流速分布图中对应位置流速的差， 如果该差值的绝对值大于设定值， 则将该垂线流速替换为依据流速分布图上的垂线流速。 通过修正提升测流设备的抗干扰能力，提高流量监测数据的精度。

流速修正流程图如图3。

图3 流速修正流程图

2.2 流速修正示例

通过软件展示标准流速分布图修改垂线流速的过程，流速修正如表1。

表1 流速修正表

可以看出， 垂线起点距19、22、28 没有测到流速，垂线起点距34 所测流速超大明显不合理，需要进行流速修订。具体步骤如下：

（1）计算实测值与标准值之比。起点距48、59 对应的比值0.605、0.742 都可作为可采信比例，本示例采用了0.605。（2）找出排序靠中间的比值。改算值对应的流速分布图与标准流速分布图的形状是一模一样的。（3）实测值与改算值之差，差值>0.4 的，采用改算值，否则采用实测值。

3 流速修正技术的应用

3.1 基本情况

小觉水文站位于河北省平山县小觉镇 （东经113°43′、北纬38°23′），始建于1955 年6 月，集水面积1.4 万km2，是滹沱河重要的控制站。测验断面位于小觉村西北约100 m 处，河段大致顺直，左、右岸为公路。 基本监测断面上游约500 m 有急弯，200 m 处有急滩和乱石； 下游200 m 有公路石桥1 座，300 m处有浅滩及堆石引水坝，影响水流。流量测验方法有全自动水文缆道、吊箱缆道、高架浮标、手持电波流速仪、自动电波流速仪缆道。

3.2 洪水中流速修正的应用

通过分析丰水年2018、2019 年的200 多组数据，确定流速分布图呈现规律的状态，定义一个标准流速分布图来规范和修正异常数据。小觉站2019 年出现1 次明显的洪水过程，最高峰在2019 年8 月5日10:10，测得最大流量为274 m3/s，水位165.33 m。首先经过一系列分析， 和当年前后流量测次中各条流速的分布规律，确定将65 测次，各条垂线的流速分布情况，定义为该时段内的标准流速分布图。如图4。

图4 标准流速分布图

利用标准曲线和程序对2019 年涨水过程中的测次进行了筛选，发现53 测次流速均有垂线流速偏差超出比例范围的情况， 根据修正逻辑进行了相应的修正。修正后的流速分布更加合理，符合流速分布规律， 几条流速与经验流速分布不合理的测点均得到了修正，流速分布曲线无较大的突兀点。如图5。

图5 流速修正前和修正后对照图

通过几次流速修正使得几个测次的流量也随之改变，得到的水位与流量的关系点群更加的集中，原本偏离曲线较多的测次流量数据， 现在与其他前后的测次呈现出较好的相关联系，因此可以推断，几次的流速测验确实存在问题； 通过流速修正技术的应用，从流量的基本元素垂线流速去修正之前的问题，使得流量数据更加合理。如图6，小觉站2019 年7—8 月流量修正后高水部分形成比较好的水位流量关系曲线。

图6 小觉站2019 年7—8 月水位流量关系

4 结语

（1）自动电波流速缆道自动化程度高，在流量监测中可以定时或设定水位变化幅度自动收集流量数据，其中包括各条垂线的流速数据，为数据分析提供了庞大的基础数据支撑。 方便技术人员调取数据进行分析和总结，找出问题和规律，并结合自动形成的标准流速分布图，进行人工的调整和修正。在各级部门对水文数据的监测和上报要求时效性越来越高的情况下，快速消除一定的奇异垂线数据，保证整体的流速分布的合理性， 以保证整个断面流量计算的质量。减少了人为修正操作带来的主观性，缩短了处理数据的时间。

（2）当然流速修正技术有其自身的局限性。参与修正的动态阈值不好控制， 程序自动修正的个别参数需要人工去处理； 电波测速这种非接触式测速仪器相比接触式测速仪器在流速数据的稳定性上还有一定的差距。因此，流速修正技术在多变的外界条件下，还需要进一步优化，提高人工智能方面的应用和加强对外界影响因素参数的率定， 才能使修正技术更加完善，测得的流速值更加接近真值。