曹小潔， 張永兵

(1.江蘇南水科技有限公司， 江蘇 南京 210012； 2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所， 江蘇 南京 210012)

水文監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，流量測(cè)量一直是水文監(jiān)測(cè)的重要任務(wù)之一。以往的測(cè)流方法包括人工船測(cè)量、浮標(biāo)測(cè)量、纜道測(cè)量等，測(cè)量結(jié)果雖然準(zhǔn)確但耗時(shí)耗力，實(shí)時(shí)性不高，隨著水利現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)的儀器和方法已無法完全滿足新時(shí)代信息平臺(tái)的需求，更多的新技術(shù)、更多的新設(shè)備被引進(jìn)。在近幾年國(guó)內(nèi)引進(jìn)的測(cè)流新設(shè)備中，水平聲學(xué)多普勒剖面流速儀(H-ADCP)應(yīng)用最為廣泛，它利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測(cè)量，通過測(cè)量斷面部分層流速進(jìn)而推算得到斷面流量。但由于H-ADCP安裝位置、水上漂浮物、行船等因素會(huì)對(duì)測(cè)流有影響，后期需要對(duì)測(cè)量斷面回波強(qiáng)度的衰減率、單元流速的跳變量、相鄰測(cè)次流速的變化率等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再結(jié)合預(yù)定的閾值對(duì)每組H-ADCP的測(cè)流數(shù)據(jù)評(píng)估出量化的數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)，進(jìn)而得到有效的指標(biāo)流速與人工實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行比測(cè)，通過回歸分析方法不斷計(jì)算優(yōu)化指標(biāo)流速關(guān)系，再通過優(yōu)化后的關(guān)系式重新計(jì)算歷史流量數(shù)據(jù)，最終提高測(cè)流精度，為水文資料整編提供更為準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)[1-3]。

為滿足水文資料的測(cè)驗(yàn)和整編以及應(yīng)用中的實(shí)際需要，需要設(shè)計(jì)一款集原始數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量分析評(píng)估、流速關(guān)系率定分析以及流量計(jì)算的H-ADCP流量后處理軟件[4]。

1 需求分析

1.1 功能需求

H-ADCP流量數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)需具有以下幾方面功能：

(1)H-ADCP原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析過濾和處理。

(2)指標(biāo)流速、斷面平均流速的計(jì)算。

(3)斷面面積、斷面流量的計(jì)算。

(4)對(duì)預(yù)定的閾值進(jìn)行可疑數(shù)據(jù)的篩選。

(5)測(cè)站參數(shù)的配置，斷面數(shù)據(jù)導(dǎo)入和編輯，關(guān)系式的添加和編輯。

(6)歷史測(cè)流數(shù)據(jù)的檢索。

(7)水位過程線、流速過程線、流量過程線。

(8)每組測(cè)流數(shù)據(jù)的回波強(qiáng)度分布圖及流速向量分布圖。

(9)指標(biāo)流速關(guān)系式的回歸分析并進(jìn)行曲線擬合。

(10)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表的導(dǎo)出。

1.2 可靠性需求

由于本系統(tǒng)運(yùn)行在 Web 服務(wù)器上，實(shí)時(shí)24 h原始數(shù)據(jù)解析和H-ADCP 所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析查詢功能，要求本系統(tǒng)能 24 h連續(xù)不間斷運(yùn)行，因此本系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并具有運(yùn)行出錯(cuò)處理機(jī)制，以保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

2 設(shè)計(jì)框架

在需求分析的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)劃分為H-ADCP原始數(shù)據(jù)解析軟件和H-ADCP流量后處理軟件。

H-ADCP原始數(shù)據(jù)解析軟件由C/S模式開發(fā)用以實(shí)時(shí)解析H-ADCP的原始數(shù)據(jù)以及計(jì)算指標(biāo)流速、斷面面積和流量等功能。

H-ADCP流量后處理軟件由B/S模式開發(fā)包含數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、關(guān)系式率定、參數(shù)配置、報(bào)表查詢5個(gè)模塊。數(shù)據(jù)查詢包含測(cè)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析包含流速分析處理、圖形分析處理、流量成果管理等，關(guān)系式率定用來擬合H-ADCP指標(biāo)流速和人工實(shí)測(cè)流速的關(guān)系式，參數(shù)配置包含測(cè)站信息管理、測(cè)站參數(shù)管理、用戶管理，報(bào)表查詢包含逐日流量年報(bào)表、逐日水位年報(bào)表、導(dǎo)出南方片格式。

本系統(tǒng)使用C/S和B/S結(jié)合開發(fā)，可連接多種類型數(shù)據(jù)庫(kù)，如SqlServer、MySql等。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 H-ADCP原始數(shù)據(jù)解析軟件

實(shí)時(shí)對(duì)H-ADCP原始報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，解析出報(bào)文內(nèi)的單元流速、回波強(qiáng)度等參數(shù)數(shù)據(jù)，過濾掉無效的單元流速數(shù)據(jù)，再根據(jù)配置的計(jì)算范圍計(jì)算指標(biāo)流速，根據(jù)關(guān)系式計(jì)算出斷面平均流速，根據(jù)大斷面數(shù)據(jù)和水位計(jì)算斷面面積，最后計(jì)算流量，此功能還包含實(shí)時(shí)日志查看、解析失敗查詢、參數(shù)配置、測(cè)站管理、流量重計(jì)算功能。

3.2 H-ADCP流量后處理軟件

3.2.1 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢功能默認(rèn)顯示所有測(cè)站最新一條數(shù)據(jù)，包含水位、指標(biāo)流速、平均流速、實(shí)測(cè)流速、計(jì)算流量、實(shí)測(cè)流量、最后通訊時(shí)間等數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊水位可查詢歷史數(shù)據(jù)和過程圖。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

(1)流速分析處理

根據(jù)時(shí)間查詢解析后的原始報(bào)文如時(shí)間、水位、單元數(shù)量、單元長(zhǎng)度、橫搖、縱擺、X向平均流速、Y向平均流速、回波最大變幅、波差等數(shù)據(jù)。頁面會(huì)根據(jù)設(shè)定好的閥值顯示可疑數(shù)據(jù)列表，并用黃色標(biāo)識(shí)整行數(shù)據(jù)用于提示。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)詳細(xì)按鈕可查看每個(gè)單元格的數(shù)據(jù)信息以及流速分布圖和回波強(qiáng)度趨勢(shì)圖，用戶可根據(jù)以上提示的信息自行選擇是否剔除數(shù)據(jù)。

(2)圖形分析處理

頁面按小時(shí)來顯示數(shù)據(jù)，如發(fā)報(bào)間隔是10 min，所以這里是每小時(shí)6條線，如果線重疊在一起表示數(shù)據(jù)大致趨勢(shì)是正常，如果有哪條突出的判斷當(dāng)時(shí)是否流過漂浮物或者其它原因，可根據(jù)具體情況判斷是否要剔除此條數(shù)據(jù)。

(3)流量成果管理

經(jīng)過流速或者圖形分析處理過后，如果更改關(guān)系式后可以在這里重新計(jì)算任意時(shí)間段的流量并保存數(shù)據(jù)，后面的報(bào)表導(dǎo)出可以使用此處保存過后的數(shù)據(jù)生成。

3.2.3 關(guān)系式率定

實(shí)測(cè)的流速通常只能作為推算斷面平均流速的中間環(huán)節(jié), 而其相關(guān)性需要較長(zhǎng)系列的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比率定。關(guān)系率定功能是整個(gè)軟件的核心之處，一般測(cè)站至少每年率定1次，操作需要按規(guī)定的步驟執(zhí)行。

軟件可同時(shí)擬合多種類型的回歸分析公式，如一元線性、二元線性、二次多項(xiàng)式、指函數(shù)、冪函數(shù)等，并計(jì)算相對(duì)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)、系統(tǒng)偏差、隨機(jī)不確定度，同時(shí)還進(jìn)行三線檢驗(yàn)并在頁面上顯示檢驗(yàn)結(jié)果?；貧w方程函數(shù)關(guān)系見表1。

表1 回歸方程函數(shù)關(guān)系

根據(jù)分析后的結(jié)果和定線圖判斷是否滿足要求，如不滿足要求，需要剔除一部分?jǐn)?shù)據(jù)，然后重新擬合關(guān)系式，以此循環(huán)直至得到合適的關(guān)系式。剔除數(shù)據(jù)可通過設(shè)定條件自動(dòng)剔除數(shù)據(jù)，也可點(diǎn)擊列表數(shù)據(jù)或定線圖上的點(diǎn)來選擇手動(dòng)剔除數(shù)據(jù)。直到所有指標(biāo)值都在水文測(cè)流規(guī)范的范圍內(nèi)，所顯示的公式才符合要求。

3.2.4 系統(tǒng)配置

(1)測(cè)站信息管理：添加、編輯、刪除測(cè)站的基本信息。

(2)測(cè)站參數(shù)管理：可編輯測(cè)站相關(guān)H-ADCP的配置參數(shù)、測(cè)站的斷面數(shù)據(jù)、測(cè)站的關(guān)系式數(shù)據(jù)。

(3)用戶權(quán)限管理：添加和編輯用戶，并賦予用戶操作權(quán)限。

3.2.5 報(bào)表查詢

(1)逐日流量年報(bào)表：選擇時(shí)間可查詢單站的流量年報(bào)表，并可按規(guī)范導(dǎo)出Excel。

(2)逐日水位年報(bào)表：選擇時(shí)間可查詢單站的水位年報(bào)表，并可按規(guī)范導(dǎo)出Excel。

(3)南方片格式導(dǎo)出：選擇時(shí)間和參數(shù)可導(dǎo)出南方片整編軟件格式的txt文件。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

3.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)依據(jù)

H-ADCP率定軟件可不連接數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行率定，也可以連接監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行率定。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)主要依據(jù)《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》(SL323—2011)執(zhí)行。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容設(shè)計(jì)

(1)站點(diǎn)信息數(shù)據(jù)：存儲(chǔ)已建H-ADCP站的站點(diǎn)信息，包含站號(hào)、站名、ADCP單元數(shù)、盲區(qū)等信息。

(2)原始數(shù)據(jù)：存儲(chǔ)H-ADCP解析后的所有單元格里的具體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如單元長(zhǎng)度、單元數(shù)量、X向流速、Y向回波強(qiáng)度等。

(3)水情數(shù)據(jù)：存儲(chǔ)測(cè)站上傳的實(shí)時(shí)水位、流速、流量數(shù)據(jù)。

(4)斷面數(shù)據(jù)：存儲(chǔ)測(cè)站實(shí)測(cè)的大斷面的數(shù)據(jù)，用于計(jì)算斷面面積和流量。

4 應(yīng)用實(shí)例

2017年11月，流量數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)首次在福建中小河項(xiàng)目中試運(yùn)行，5個(gè)區(qū)一共15個(gè)H-ADCP監(jiān)測(cè)站接入系統(tǒng)，運(yùn)行初期設(shè)備上傳的流量數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)流的數(shù)據(jù)相差較大，經(jīng)過流量后處理軟件的分析，發(fā)現(xiàn)一些H-ADCP監(jiān)測(cè)站回波強(qiáng)度最大變幅值超標(biāo)，再經(jīng)過歷史數(shù)據(jù)篩查，發(fā)現(xiàn)多組測(cè)流數(shù)據(jù)的回波強(qiáng)度曲線波形跳動(dòng)厲害，顯示河底有多個(gè)障礙物，大大影響了測(cè)流的精度?；夭◤?qiáng)度是指聲學(xué)脈沖被水中懸浮物質(zhì)反射回來的信號(hào)大小,會(huì)隨著反射聲波被吸收。正常情況下，回波強(qiáng)度曲線應(yīng)該隨距離呈緩慢下降的趨勢(shì)，如果長(zhǎng)時(shí)間回波強(qiáng)度的曲線中間出現(xiàn)同一位置的跳躍，說明河底有障礙物，再經(jīng)過人工勘察到一些H-ADCP安裝地點(diǎn)多是山區(qū)，有時(shí)暴雨沖刷后，一些地勢(shì)高的地方小巖石會(huì)隨著河水流到下流，造成了河底障礙物的慢慢堆起，隨后項(xiàng)目組提出相應(yīng)的方案，如河底清理或者更換H-ADCP安裝位置。

2019年3月，流量數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)在太湖預(yù)警項(xiàng)目中投入運(yùn)行，軟件通過對(duì)ADCP橫搖縱擺、回波圖、流速向量圖等原始數(shù)據(jù)的解析及智能分析，協(xié)助安裝人員現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)確定安裝位置及流速計(jì)算參數(shù)，保證了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可靠安裝。在設(shè)備比測(cè)率定過程中，軟件可自動(dòng)調(diào)取歷史指標(biāo)流速，結(jié)合實(shí)時(shí)人工測(cè)流數(shù)據(jù)，完成設(shè)備的比測(cè)率定，并能根據(jù)更新后的率定關(guān)系進(jìn)行資料整編。經(jīng)過近一年的運(yùn)行，軟件運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)快速、操作便捷、維護(hù)方便、數(shù)據(jù)安全可靠，在設(shè)備安裝、率定、后期維護(hù)、數(shù)據(jù)整編等方面提供有力支撐，有效保證了設(shè)備的可靠運(yùn)行。

5 結(jié) 語

H-ADCP流量數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)能夠及時(shí)有效地分析和展示觀測(cè)區(qū)域內(nèi)所有H-ADCP測(cè)站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提供用戶多種數(shù)據(jù)形式來判斷流速數(shù)據(jù)的可靠性，再通過人工流速和指標(biāo)流速進(jìn)行比測(cè)，使用回歸分析方法不斷計(jì)算優(yōu)化指標(biāo)流速關(guān)系，最后計(jì)算出精確的流量數(shù)據(jù)。隨著H-ADCP的廣泛應(yīng)用，本系統(tǒng)已投入到多個(gè)項(xiàng)目中運(yùn)行，如太湖預(yù)警項(xiàng)目、福建省中小河流項(xiàng)目，運(yùn)行效果良好，對(duì)其測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估和流量計(jì)算的精度提高起到了非常重要的作用。