（水利部淮河水利委員會 蚌埠 233001）

1 引言

天然河道流量自動監(jiān)測技術(shù)是目前水文自動監(jiān)測領(lǐng)域的難點與熱點。多年來，國內(nèi)許多水文部門、相關(guān)科研單位、有關(guān)公司對天然河道流量自動監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和探索，摸索出不少可行方案，如水工建筑物法、ADCP 法、時差法、雷達(dá)波、側(cè)掃式雷達(dá)等眾多在線測流技術(shù)。由于各種技術(shù)都有其局限性與應(yīng)用范圍，加之河道來水和斷面特征的復(fù)雜性，因此眾多的流量自動監(jiān)測方案和大量的實例應(yīng)用，既有成功的案例也有失敗的教訓(xùn)。王家壩流量自動監(jiān)測系統(tǒng)建成以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。本文重點介紹王家壩水文站自動流量監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)情況并對其運(yùn)行狀態(tài)與精度進(jìn)行評定。

2 測站概況

王家壩水文站設(shè)立于1952 年，位于淮河中游豫皖兩省交界處，屬國家重要水文站，一類精度站，是淮河干流第一大站。它與王家壩（釤崗）、王家壩閘、地理城站共同控制淮河上游和洪河來水量，集水面積30630km2。水文站左岸上游約150m 處建有濛洼蓄洪區(qū)進(jìn)水閘。特殊的地理位置和復(fù)雜多變的水流特性，決定了該站在淮河、尤其在豫皖兩省防汛工作中占有舉足輕重的地位。

王家壩測流斷面所在河道順直，稍有沖淤變化，正常水面寬182m，水深8～13m，在保證水位下水面寬400m、水深15～20m。高水期受下游史河來水頂托影響，中低水受下游臨淮崗洪水控制工程影響，變動回水較為嚴(yán)重。該站測驗任務(wù)繁重，每年人工報汛500 多次，人工測流200 多次。為提高工作效率，提高測站水文測驗現(xiàn)代化水平，提升工作安全保障，同時為更好地做好水文信息服務(wù)，該站于2018 年8月安裝配置了流量自動監(jiān)測系統(tǒng)。

3 建設(shè)情況

3.1 總體結(jié)構(gòu)

王家壩流量自動監(jiān)測系統(tǒng)采用座底式ADCP 監(jiān)測設(shè)備，融合了二線能坡流量模型算法，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為四層，分別是信息采集層、數(shù)據(jù)集成層、數(shù)據(jù)存儲層、應(yīng)用層。其中信息采集層在監(jiān)測點，數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲層、應(yīng)用層放在信息中心。

監(jiān)測點擁有信息采集功能，安裝的設(shè)備主要有ADCP 支撐平臺、水下ADCP 傳感器、ADCP 數(shù)據(jù)處理儀表、相關(guān)的通訊設(shè)備和電源設(shè)備等。監(jiān)測點通過ADCP 傳感器取到流速數(shù)據(jù)，通過水位計取得水位數(shù)據(jù)，將水位、流速、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳至信息中心服務(wù)器。

信息中心配備有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與網(wǎng)頁服務(wù)器，運(yùn)行數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲和應(yīng)用層。信息中心接收監(jiān)測端上傳的水位、流速及設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，同時利用水位與流速數(shù)據(jù)，通過流量計算模型，計算出流量。最終，水位、流速、流量、系統(tǒng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)在信息中心進(jìn)行集成，保存至一個數(shù)據(jù)庫中。開發(fā)基于網(wǎng)頁的信息查詢、數(shù)據(jù)維護(hù)處理系統(tǒng)，安裝在信息中心服務(wù)器上，用戶只需上網(wǎng)便可查詢信息和數(shù)據(jù)維護(hù)。

3.2 技術(shù)實現(xiàn)

能坡法流量實時監(jiān)測，是通過在斷面河底安裝兩個能夠在線工作的流速傳感器，實時監(jiān)測垂線流速分布的變化，并實時傳輸至岸上儀表。岸上信息采集系統(tǒng)對流速信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，對有效流速信息和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行分類統(tǒng)計，計算一定時間間隔（5min 左右）垂線平均速。流量計算模型根據(jù)實時流速信息和水位信息，結(jié)合斷面資料，計算出斷面流量。主要建設(shè)內(nèi)容有以下幾個方面：

3.2.1 設(shè)備安裝

監(jiān)測點需要進(jìn)行自動流量信息采集設(shè)備的安裝調(diào)試，建設(shè)內(nèi)容包括水下ADCP 運(yùn)行平臺安裝、水下ADCP 安裝調(diào)試、水下布線、岸上布線、岸上儀表安裝調(diào)試、計算機(jī)安裝調(diào)試、電源設(shè)備安裝配置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝配置等。

3.2.2 模型計算軟件

該軟件結(jié)合大斷面數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、流速數(shù)據(jù)計算得出流量值。每5min 完成一次數(shù)據(jù)采集與流量計算，并自動存入指定的數(shù)據(jù)庫。

3.2.3 網(wǎng)頁查詢系統(tǒng)

開發(fā)基于WEB 技術(shù)的網(wǎng)頁查詢系統(tǒng)，可以進(jìn)行水位、流量、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等信息查詢，可以繪制水位過程線、流量過程線、大斷面圖等，自動流量過程線上用黃色的點標(biāo)記人工實測數(shù)據(jù)，方便用戶進(jìn)行對比。此外，系統(tǒng)還提供方便的水量計算功能。

3.2.4 后臺管理系統(tǒng)

后臺管理系統(tǒng)主要起到數(shù)據(jù)維護(hù)與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的作用。后臺管理系統(tǒng)可以對自動流量數(shù)據(jù)、人工實測流量數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改操作；可以自動進(jìn)行誤差分析；可以查看垂線流速、點流速、設(shè)備電壓、角度等原始信息，便于對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

4 穩(wěn)定性分析

為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，也需要對系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理化分析，發(fā)現(xiàn)異常及時查找原因并處理。該系統(tǒng)運(yùn)行以來，通過對設(shè)備電壓、探頭傾角等信息的監(jiān)控，對兩探頭流速數(shù)據(jù)相關(guān)性和人工流量數(shù)據(jù)與自動流量數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖1 為電壓數(shù)據(jù)，電壓每日呈周期性波動，波動周期與光照周期吻合，波動范圍在合理區(qū)間內(nèi)，左右岸的波動規(guī)律與范圍相關(guān)性很好。這些信息表明系統(tǒng)的供電部分工作正常。

圖1 電壓監(jiān)控圖

圖2 為水下傳感器角度數(shù)據(jù)，水下傳感器的姿態(tài)至關(guān)重要，直接關(guān)系到采集數(shù)據(jù)的精度。由于受水流波動以及系統(tǒng)采集誤差影響，水下傳感器角度數(shù)據(jù)一般在1°以內(nèi)范圍內(nèi)波動。通過對兩個水下傳感器角度數(shù)據(jù)檢查，波動范圍在合理區(qū)間內(nèi)，運(yùn)行狀態(tài)很好。

自動流量過程線與人工實測流量對比也是檢查系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與精度的重要指標(biāo)。圖3 分別為自動流量過程線（上有人工實測點）與人工流量過程線。圖中可見，自動流量過程線與人工實測點擬合度相當(dāng)好，趨勢大致相當(dāng)，同時自動流量過程線比人工流量過程線數(shù)據(jù)密度更大、更詳細(xì)。

兩個水下傳感器采集的垂線流速同步性也是系統(tǒng)運(yùn)行正常的重要指標(biāo)。如圖4 所示，左右岸的垂線流速趨勢完全一致。經(jīng)計算，左右岸垂線流速相關(guān)系數(shù)為0.874，表明系統(tǒng)采集功能運(yùn)行正常。

5 精度評定

5.1 精度評定方案

為實現(xiàn)精確計量、科學(xué)調(diào)度，對實時流量監(jiān)測系統(tǒng)的精度要求非常高。為保證實時流量監(jiān)測系統(tǒng)的精度，不僅需要對系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性進(jìn)行評估，還需對自動流量數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評定。

精度評定采用王家壩站的人工流量為基準(zhǔn)流量值，認(rèn)為其為真值，自動流量與其對比，計算出流量精度。王家壩站流量監(jiān)測為流速儀法與走航ADCP 法。將人工流量監(jiān)測時間段內(nèi)的自動流量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得自動流量數(shù)據(jù)與人工流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，通過計算系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度等參數(shù)進(jìn)行精度評定。計算公式如下：

（1）絕對誤差計算公式

（2）相對誤差計算公式

圖2 設(shè)備角度監(jiān)控圖

圖3 人工與自動流量過程對比圖

圖4 垂線流速過程對比圖

圖5 自動流量與人工流量關(guān)系圖

（3）實測點標(biāo)準(zhǔn)差計算公式

（4）隨機(jī)不確定度計算公式

（5）系統(tǒng)誤差計算公式

式中： —絕對誤差；

δ—相對誤差；

ε—系統(tǒng)誤差；

se—標(biāo)準(zhǔn)差；

Qci—人工用M9 第i 次的實測流量值；

Qi—相應(yīng)人工用M9 第i 次的實測流量值對應(yīng)時段內(nèi)自動流量的平均值；

n—實測點總數(shù)。

5.2 精度評定成果

按照精度評定方案，對自動流量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行精度評定。本次精度評定采用系統(tǒng)正常運(yùn)行以來，2018年9月至2020 年4月時間段內(nèi)，共271 次有效實測流量參加精度評定。在271 次有效實測流量中，實測流量介于10.1～499 m3/s，水位介于19.88～22.11m。

通過計算，自動流量與人工流量數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.99，自動流量的絕對誤差在-40.7～66.7m3/s 范圍內(nèi)，相對誤差為-38.66%～+43.27%，標(biāo)準(zhǔn)差為13.53%，隨機(jī)不確定度為27.05%，系統(tǒng)誤差為-0.83%。其中，相對誤差絕對值在3%以內(nèi)的65 次，占23.99%；5%以內(nèi)的108 次，占39.85%；8%以內(nèi)的160 次，占59.04%；10%以內(nèi)的184 次，占67.90%。通過分析，系統(tǒng)符合自動流量站應(yīng)用精度要求，在國內(nèi)同類系統(tǒng)中精度也屬前列。圖5 為自動流量與人工流量關(guān)系圖。

6 評價

（1）王家壩自動流量監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動流量數(shù)據(jù)與人工實測數(shù)據(jù)有較好的一致性與相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99。雖然王家壩自動流量數(shù)據(jù)精度目前還無法達(dá)到人工測流的精度，但在提高人工測流時機(jī)的掌控，減少人工測流頻次，提高勞動效率，降低勞動強(qiáng)度等方面可以發(fā)揮重要作用。

（2）自動流量每5min 一個流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)密度遠(yuǎn)比人工測流數(shù)據(jù)大，更能體現(xiàn)河道流量的實際變化過程，自動流量數(shù)據(jù)可在資料整編等工作中加以利用，有利于彌補(bǔ)人工測流數(shù)據(jù)測點數(shù)的不足的問題。

（3）通過對比自動流量數(shù)據(jù)與人工測流數(shù)據(jù)，也發(fā)現(xiàn)了一些人工測流工作的不足，對人工測流工作也有促進(jìn)作用。通過數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)在負(fù)流量狀態(tài)下，人工測流采用流速儀測法時有時會分辨不出正負(fù)流向，自動流量數(shù)據(jù)卻可正確顯示正負(fù)流向，這對人工測流時機(jī)的把握以及正負(fù)流向的判斷上提出了新的要求。

7 結(jié)語

目前，具有流量監(jiān)測功能的水文站網(wǎng)大幅增加，以人工監(jiān)測為主的流量測驗方式已經(jīng)不能很好滿足行業(yè)發(fā)展的需要，開展流量監(jiān)測新技術(shù)的研究與應(yīng)用、提高水文監(jiān)測自動化水平勢在必行。同時，天然河道流量監(jiān)測技術(shù)在我國的研究應(yīng)用還處于起步階段，并不十分成熟，每種方案都有其自身的局限性。實踐證明，王家壩站采用的基于能坡流量模型的流量自動監(jiān)測技術(shù)，具有建設(shè)周期短、無需進(jìn)行長期的參數(shù)率定等優(yōu)點。在斷面無明顯沖淤變化的河段，能夠取得較為滿意的測驗精度和良好的運(yùn)行效果。該方法對于受洪水漲落和工程運(yùn)用影響下的河道流量自動監(jiān)測有良好的適應(yīng)性，能夠為當(dāng)前時期水文監(jiān)測工作為防汛抗旱、水資源管理服務(wù)提供一種可行的選擇方案，具有良好的應(yīng)用推廣價值■