基于大數據方法垂線流速修補研究

趙勝凱，梁 坤

(河北省石家莊水文勘測研究中心，河北 石家莊 050000)

石家莊市已經在地都、劉家坪、王岸、小覺水文站建設有4套雷達波測流站，就目前應用效果來看，測流站可獲取高洪流量過程，盈水期所測流速流態穩定、相同水位條件下各垂線流速的重現率高，不同水位集下垂線流速分布圖呈等比狀態分布。然而在枯水期，常常會出現某條測速垂線、某些測速垂線測不到流速的情況，即便是在盈水期，如遇飛蟲或其他自然因素干擾，偶爾也會出現某條垂線測不到流速或者突然冒出大數的情況，這些情況嚴重干擾和困擾流量監測數據的準確性、可用性，而通常出現這種狀況時，大多是3～8條垂線流速都表現為正常，1條或者2條測速垂線表現為零或超大。為解決上述問題，通過實際的探索、實踐、比對，依據斷面的流速分布圖、垂線的水位流速大數據來即時修正不合理的垂線流速。

1 大數據修正流速方法

為了有效修正流量監測中流速的奇異值，提升測流設備的抗干擾能力，提高流量監測的精度，為防洪決策大數據的積累提供更可靠的保障，采用如下技術方案：

(1)依據大數據修正垂線流速的方法，該方法分兩個執行步驟，第一步確定每條測速垂線的水位流速關系，第二步修正實測垂線流速，以測速垂線的水位流速關系和水位為依據逐一校核、修正每個測次的各個實測垂線流速[1]。

在具體實施時，上述流程中的第二步，每測得一次新的流量數據，都需要執行一次，上述流程中的第一步，可以定期執行并保存該關系式，由于現代計算機的計算速度很快，該步驟也可以在每接收到新的流量成果后再立即執行而不需保存該關系式。

(2)如圖1所示，河道流量測量，是在河道的某一斷面上，使用雷達波等流速感應器對河道斷面上多個相對固定的點進行流速測量，這些測速點位于斷面所在的直線上，該直線垂直于河水流動的方向。實際工作中，上述河道流量測量通常在一個水文站上進行，測量到水位和垂線流速后，還需要通過水位、多個垂線流速計算出河水的流量，流量是流量測站的最終成果，修正的流速是流量計算中的關鍵因素。

圖1 測流工作及成果示意圖

(3)河道流量的測量是一個長期的過程，一般每日數次至數百次，每次測量的數據成果有各個測速垂線上的流速和當前河道的水位。流量測量過程中可能還伴有現場的照片、風速、溫度等，流量測量形成的成果本身就是大數據，從大數據中提取關鍵要素，該要素是垂線流速、水位系列，再以該關鍵要素對新測量的流量數據進行修正[2]。

(4)如圖2所示，水位流速關系可用公式sp=aZ2+bZ+c來表達，式中sp表示流速，Z表示水位，a、b、c為常數，在特定的測速垂線上，每次測流的成果，對應有該測速垂線的流速和測流時的水位，將該測速垂線上多個測次中的水位、流速數據，帶入最小二乘法，即可擬合出測速垂線的水位流速關系公式，算得a、b、c三個常數的值。實際工作中，該關系式可以事先定義，也可以動態擬合。動態擬合時，需要讀取歷史數據，即該測速垂線多次測量的水位和流速，將水位和流速集合帶入最小二乘法，可計算出sp=aZ2+bZ+c公式中的a、b、c常數；事先定義是由人工判讀的方式、人工擬合公式、人工確定a、b、c三個常數，測流過程中，當收到實測數據后，立即進行判讀和修正。具體實施時，如果垂線的水位流速關系公式是自定義的，則該關系式需要定期校核、更新。動態擬合關系公式a、b、c三個常數時，通常只有沒有被修正的流速才會參與計算，也就是只有實測垂線流速才會被篩選出來，使用最小二乘法參與常數a、b、c的計算[2- 4]。

圖2 測速垂線的水位流速關系

(5)如圖3、圖4所示，上述第二步對施測垂線的修正，是在現場施測后，對每一個測速垂線，逐一依據測速垂線的水位流速關系和所測水位值，計算出一個流速，實測流速和計算流速之間會有一個差值，如果該差值的絕對值大于設定值，則將該垂線流速替換為計算流速。實際工作中，通常將設定值設為0.3，若計算值與測量值之差大于0.3，則使用計算值替換測量值；計算值與測量值之差小于或等于0.3，則保留測量值。具體實施時，由于垂線流速是設備測量而得的，設備返回的數據可能為0，可能特別大，例如使用雷達波測速時，流速小于0.5一般就測不到了，返回的結果就是0，或者飛蟲、鳥獸走過，樹枝擾動，設備所測流速都會發生偏移，因此可將上述差值設得稍大一些，如0.5，通常為0或者偏離特別大的時候，才需要修正。

圖3 依據水位流速關系修正流速

圖4 修正前后的流速

2 湖南藍山站應用情況

2.1 測站基本情況

藍山水文站位于舜水河右岸，地處藍山縣塔峰鎮東村，東經112°19′，北緯24°55′，系舂陵水支流舜水區域代表站，集水面積為254km2，于2004年1月1日設立并進行雨量、水位觀測，同年7月1日正式進行流量測驗。測驗項目有降水、水位、水質、流量，為二類精度站。

藍山水文站水位分級為：高水(270.00m以上)、中水(269.28～269.99m)、低水(269.05～269.27m)、枯水(269.05m以下)。實測歷史最高洪水位為271.65m(凍結基面)，流量為570m3/s，發生日期為2013年8月16日；最低水位為268.45m(凍結基面)，相應流量為0.485m3/s，實測水位變幅為3.20m。

2.2 測流設備

本站采用的是雷達波在線測流系統，該系統由跨河纜索、自移動探頭、控制系統、電源系統等部分組成。

雷達波在線測流系統的流速測量設備采用多普勒雷達波測速傳感器，以非接觸方式測量水流表面速度，設備可以自行在纜索上運動，測量橫斷面上不同位置的水面流速，配套專業測流軟件，通過借用斷面資料來計算斷面流量。

2.3 垂線水位流速關系

依據藍山站提供的資料，該站有現成的水深流速關系數據及關系圖，由于該站的斷面、測速垂線已知，從而可推算其水位流速關系公式。

圖5 藍山站斷面及測速垂線

2.3.1垂線水位流速分析

以下是藍山站全部測次各個垂線分別做水深-流速分析的數據情況，見表1。起點距為10m的測速垂線期水深流速關系公式為：sp=0.6145+0.0884H+0.4186H2-0.0599+H3，由于起點距為10處河底高程為268.08m(如圖5、圖6所示)，也就是Z=268.08+H，可得：

sp=0.6145+0.0884(Z-268.08)+

0.4186(Z-268.08)2-0.0599+

(Z-268.08)3

最終可得水位-流速關系公式：

sp=-1123977.4920+12690.1313Z-

47.7554Z2+0.0599Z3

表1 藍山站斷面及測速垂線

圖6 垂線(起點距10m)處水深流速分析

2.3.2水位流速關系設定

從以上展示的效果看，藍山站各條垂線的水位流速具有良好的線性關系，可建立水位流速公式對奇異值進行矯正。測試中選用了藍山站2020年1月19日至2月19日時段的數據進行觀測和測試，在這一時段內藍山站站的水位流量過程中，有一次大的洪峰過程。該時段內共有65個測次，有18個測次被修改。

2.4 應用情況

通過對藍山站2020年1月19日至2月19日時段內65個測次數據的監測和分析，該時段內有一場高洪水過程，大多為低水期，有18個測次處于超低水期，有1～3條測速垂線沒有測到流速，本方法予以了及時的修正，修正后的數據和正常數據相比，較符合該站的常年流速分布特征，修改后的數據準確可用；其余47個測次的流速分布圖與標準流速分布圖偏差不大，數據沒有被修改，方法對數據的處理合情合理。

3 結論

現狀雷達測速在獲取垂線流速結果時存在一定的誤差，為了提高垂線流速精度，提出使用大數據方法提取數據，擬合水位-流速曲線，對雷達測速結果進行修正。以湖南藍山站為例，對該方法的實際應用效果進行分析，采用大數據方法對垂線流速進行修補較為可靠，計算結果與實際情況較為吻合。