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SL流量計監測數據分析及后處理方法探討
發布時間：2017-09-01
1 前言
珠江三角洲網河區受潮汐影響，水流運動復雜，采用常規手段進行水文測驗，不僅工作量大，而且時效性差。 2006年4 月， 佛山水文分局引進了美國SonTek 公司“淘金者-SL 流量計”(Argonaut SL 流量計)500 kHz 型側視式聲學多普勒流速剖面儀(以下簡稱SL 流量計)，安裝在馬口水文站使用。
目前，該儀器已經運行4 年多，狀況良好。 近年來，由于多方面的原因，上下游水量不平衡，從而也導致了人們對SL 流量計的質疑。 為此，2010 年加大了對SL 流量計的比測力度， 收集到了大量比測率定資料和分析資料，希望能從比測率定和分析工作中找到SL 流量計存在的缺陷， 為今后推廣應用積累經驗。
2 馬口站SL 流量計安裝
馬口站SL 流量計安裝在西江干流水道馬口水文站基本水尺斷面自記臺護欄外側、相對高程-2.59m 的柱子上(圖1)。 起點距約為 230 m，測驗斷面河床組成為泥質粉砂，河道基本順直，河床比降小，水流平穩，斷面寬約 500 m。 雖然左岸河床為泥質，較易沖刷， 但大部分河床較為穩定， 通過 2005 年與2008 年的斷面進行比較發現，變化比較小，變率為3.47%。 2009-2010 年實測大斷面面積變率不超過3%。 但由于儀器安裝在左岸，容易受單江洪水影響。比如北江洪水、西江沒有洪水時，計算流量會偏大。
3 2010 年馬口站潮流量測驗
馬口站分別于2010 年4 月9 日10：00-21 日23：00、9 月9 日 17：00 -18 日14：00、10 月 29 日11：00-11 月16 日 10：00 在流速儀測流斷面起點距740 m 處進行了3 個組合完整潮期潮流量測驗 (代表線法)。 測驗結果用于SL 流量計同期監測數據的比對分析。
4 SL 流量計監測數據分析及后處理
4.1 比測率定方法
(1)比測方法：使用船載走航式 ADCP(300 型或600 型) 在安裝 SL 流量計的基本水尺斷面進行隨機的流量測驗(但基本要求是正點或 30 min 附近進行施測)。 往返走測一個來回，并把往返流量誤差控制在±5%以內，取其平均值作為該次斷面流量，再除以相應的過水面積，得到斷面平均流速。
(2)率定方法：用收集到的斷面平均流速與SL流量計指標流速建立一個單- 斷流速關系曲線 。
2010 年3-12 月，共收集了 171 個測點，水位變化范圍-0.34～4.90 m，流速變化范圍-0.30～1.52 m/s，能均勻分布在不同的流速級，滿足率定要求，并通過適線檢驗。
(3)率定結果：
經驗算，得出指標流速與斷面平均流速關系測點標準差Se=11.7%;系統誤差為0.07%≤±3%，達到規范規定的精度要求(圖2)。
4.2 多年比測率定關系曲線的比較
把2006、2008、2009、2010 年的實測點放在一起，回歸分析趨勢線基本成一系列，沒有發現顯著偏差(圖3)。
4.3 實測流量比對及誤差分析
把2010 年 4 月9 日 10：00-21 日 23：00、9 月9日17：00-18 日 14：00、10 月29 日 11：00-11 月16日10：00 在流速儀測流斷面進行的潮流量測驗結果與基本水尺斷面SL 流量計流量過程比較，發現：
(1) 4月9 日 10：00-21 日 23：00，代表線法潮期平均流量為4 904.99 m3/s，SL 流量計潮期平均流量為4820.48 m3/s，相對誤差 1.72%。 對 SL 流量計逐時過程線中的突出跳變點不作修改。
(2) 9月9 日 17：00-18 日 14：00 代表線法潮期平均流量為5 667.84 m3/s，SL 流量計潮期平均流量為5 600.33 m3/s，相對誤差 1.19%。 對SL 流量計過程線中的突出跳變或個別缺測點按照趨勢作了修改。
(3) 10月29 日 11：00-11 月16 日 10：00 代表線法潮期平均流量為3 477.05 m3/s，SL 流量計潮期平均流量為3 323.89 m3/s，絕對誤差4.4%。 如果考慮到SL 流量計過程線中的突出跳變點， 并把這些點做系統修改，得出潮期平均流量為3 179.45 m3/s，相對誤差為8.56%。
另外，從文獻[3]中也可以看到同樣的資料信息：2008年2月23 日至3月10 日，利用馬口站流速儀斷面代表線潮流量測驗期間一個組合的逐時流量資料驗證SL 流量計(SL 流量計)流量計成果。 代表線法組合平均流量為2500 m3/s， 組合期間SL 流量計(SL 流量計)平均流量為2 499 m3/s，組合期間逐日平均流量，相對誤差為0.73%。
實際上，流速儀測流斷面代表線法測驗位置在斷面中泓位置-起點距為左起740 m，SL 流量計安裝在基本水尺斷面左岸-起點距約 230 m。 漲潮時，水流從下游到上游傳播，岸邊與河底先出現負流，最后到中泓位置。 在過程線圖上反映為 SL 流量計流量最大漲潮流量先于流速儀斷面漲潮流量;退潮時，水流規律與漲潮剛好相反，先從中泓先退，最后才到岸邊和河底，在過程線圖上反映為流速儀斷面漲潮流量先于SL 流量計流量最大漲潮流量。從實際監測資料中發現，4 月 9 日10：00-21 日 23：00 流速儀斷面代表線法流量測驗中監測到出現負流時長約為40h，水尺斷面 SL 流量計監測到出現負流時長約為39 h;9 月 9 日 17：00-18 日14：00 流速儀斷面代表線法法流量測驗中監測到出現負流時長約為5 h，水尺斷面SL 流量計監測到出現負流時長約為10 h;10 月29 日11：00-11 月16 日10：00 流速儀斷面代表線法法流量測驗中監測到出現負流時長約為71 h，水尺斷面SL 流量計監測到出現負流時長約為72 h。雖然兩種手段監測到負流時間出現前后存在一定差異，但是負流出現時長基本一致，上下游水量趨于平衡狀態。
4.4 SL 流量計監測數據后處理分析
(1)逐時水位-流量過程線分析把用于資料整編的1-5、9-12 月分別進行了逐時水位-流量過程線分析，對突出跳變的流量點、單江發洪影響到的流量過程進行合理性分析及修正。并重新計算日平均流量。
(2)逐10 min 流速過程線分析為了提高正點流量的精度，對 2010 年2-3 月、7月27 日 17：30-12 月 31 日 24：00 逐 10 min 監測數據全部生成一個逐10 min 流速過程線，對突出跳變點進行分析，特別是對正點流速的排查、分析(因為整點流速是直接影響日平均流量計算的因子)。 檢查發現，正點流速處于峰、谷位置現象不多，基本維持在一個均值水平。
由于上述操作中產生的數據量較大，不能在文檔中一一列出。但這是在進行具體分析工作時，排除突出、跳變點等不合理現象，取得準確的流量數據最有效的方法之一。
5 結語
(1)比測、率定及數據后處理分析的目的，一是檢驗儀器的穩定性;二是希望通過比對分析，修正突變點，從而得到更為精確的水文數據，為防洪抗旱的決策提供科學依據。
(2) SL流量計的正常運行是保證儀器監測數據記錄完整的前提。要有高度負責的態度，堅持每天細心檢查儀器的運行狀況，做好記錄，發現問題及時解決，重點做好因雷擊、太陽能供電不足而引起數據丟失的預防工作。
(3)密切關注上游來水狀況，特別是北江發洪時應及時比測，并對相應的流量進行修正。
(4)希望能解決容易引起雷擊的技術問題。 水雨情召測系統的穩定性值得借鑒。
(5)對SL 流量計資料多做比測、分析工作。 儀器很先進，但也會出問題。要堅持多做比測分析工作，包括不同潮汐要素狀態下(比如每個月的大潮期、平潮期、潮洪混雜等)水流特性的比測、分析工作，細分單-斷關系，才能很好地掌握水流變化規律和甄別出哪些是不合理數據，從而得到更為精確的水文資料。
摘自：中國計量測控網
