水位“假潮”現象平滑處理方法研究

劉 超 ,彭艷華,彭艷明,吳隆學

(長江委岳陽水文水資源勘測隊,湖南 岳陽 414200)

水位受彎道干擾波影響(地方俗稱假潮)的波動現象,在越接近洪峰時,水位站點的水位波動越大,致使水位時漲時落。以一小時為一時段,時段與時段間的水位上下波幅一般可達0.1～0.2m。受江河彎道干擾波影響的水位“假潮”現象是水流通過彎曲河道時受河床阻力影響而出現在河道兩岸交相傳播的一種能量波,它與江河流速呈正相關關系,與彎道曲率半徑呈逆相關關系。

1 長江中游河段水位“假潮”現象

從長江中游河勢圖上看,長江與洞庭湖交匯水域,有長江干流極彎曲段七弓嶺。水流經七弓嶺產生的彎道干擾波在江湖匯合口沿洞庭湖口水道向上游傳播,同時隨水流向下游傳播,這樣,在東洞庭湖基本水位站鹿角站和長江控制站螺山水文站及區間的岳陽、城陵磯、蓮花塘等水文(位)站水位記錄數據上,都可發現干擾波對水位的影響。歷史上,受干擾波影響最大的蓮花塘水位站兩小時之內水位波動變幅曾達0.92m,造成古鎮城陵磯街上“潮來能行船,潮落能行人”的現象。

2 水位“假潮”現象的影響

由于水位“假潮”現象是一種能量波,因此,上游來水流量(流速)越大,波峰越高,其主要出現在洪峰水位前,通過分析,在江湖匯合口出現的干擾波其周期在0.8～1h之間,隨水位高低、河道曲率半徑的變化而變化。

彎道干擾現象給水位觀測工作帶來了一定的難度,主要是水位相對平穩時間很短,水位真值用人工方法很難測準。上世紀采用水位仿真記錄儀,可通過記錄線取時段中心值的方法讀出水位值;實現數字自記采集后,儀器顯示的水位往往是實時值,如實時報出,客戶端收到的水位往往時段間出現時漲時落的矛盾,時段越短,矛盾越突出。如遇到象最近洪峰水位接近警戒水位的情況,就會給決策層帶來少許不利影響。

3 解決水位“假潮”現象的途徑

解決水位“假潮”現象干擾波對水情預報影響的最好辦法,是對實時水位進行后處理,將原來仿真記錄用人工目估取中心值的方法用智能的方法取代,在現有水情分中心拍報軟件平臺中嵌入樣條函數數據處理模塊,在實時水位進分中心數據庫后,在調出報出之前對水位數據進行擬合函數處理,外延插補適時水位再報出。這樣,水位波動影響剔除了,也消除了波動水位對推算流量的影響,從而大大提高了流量的報汛精度。

4 平滑處理的方法

平滑處理在科學研究領域中廣泛推廣使用,它可以對實測的測量值進行濾波,在水文領域的水位應用中,也可以用來處理水位的“假潮”影響。下面以受彎道影響的長江蓮花塘站為例,對這種水位“假潮”現象平滑處理方法進行研究。

蓮花塘水位站位于長江與洞庭湖總泄口水道的交匯處右岸,設有自計水位臺,為洞庭湖注入長江后的水情控制站,也是長江中游分(蓄)洪區調度提供依據的汛期專用站。在每年主汛期,蓮花塘站出現15～90min的水位起伏,如同潮汐現象一般,我們通常稱其為“假潮”現象,岳陽水情分中心在采用螺山單值化方案報汛時,短時間起伏的水位數據,使得相應流量出現一些不合理的波動。

如果對瞬時水位數據進行濾波,我們可以得到需要的水位平滑過程來推求螺山站對應時間的相應流量。

4.1 算術平均法

連續取N個采樣值進行算術平均運算。N值較大時,數據平滑度較高,但靈敏度較低;N值較小時,數據平滑度較低,但靈敏度較高。

4.2 五點二次平滑

五點二次平滑公式是對待平滑測量點的前二個測量點和后二個測量點的數據,共五個點的測量值用二次三項式擬合,然后取擬合曲線上待平滑測量點的擬合值作為平滑后取值。

4.3 時間加權平均法

由于蓮花塘水位數據不是整5分鐘記錄一個數據,所以不能采用算術平均法;同時五點二次法只能光滑細小的波動,因此也不適應“假潮”現象。對實時采集的水位時間序列按下式加權:

其中,Ti代表加權值,T為所有加權值之和。

使用加權法能使出現“假潮”現象的水位曲線平滑化,可較平均法得到較為真實的結果。

圖1～3是采用1、2、3小時加權對“假潮”過程平滑的結果。

5 平滑處理的確定

圖1 1h加權平滑處理結果

圖2 2h加權平滑處理結果

圖3 3h加權平滑處理結果

對蓮花塘“假潮”現象的水位,采用3小時時間加權平滑處理,基本符合水文上實際采用的“走中線”的原理。但是報汛時整點的水位趨勢和采用值無法得到,因而采用最接近報汛時段的前一小時半的二小時加權平滑值,并參照最接近2點的趨勢延長可得到較為合理的報汛水位,并應用到螺山單值化報汛軟件中,用于推求較為合理的相應流量(見圖4)。

6 結 論

從圖1～3中可以得出以下結論:短時間的平滑,靈敏度高,但是平滑效果不理想;長時間的平滑,靈敏度不高,但是平滑效果較好。因此,在進行對“假潮”現象處理時,應采用3小時加權平滑及綜合處理效果較為理想,目前此方法已經廣泛應用在水情分中心的流量報汛中。

圖4 3h加權平滑及綜合處理的結果