流量自动监测技术在王家坝水文站应用分析

（水利部淮河水利委员会 蚌埠 233001）

1 引言

天然河道流量自动监测技术是目前水文自动监测领域的难点与热点。多年来，国内许多水文部门、相关科研单位、有关公司对天然河道流量自动监测技术进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、时差法、雷达波、侧扫式雷达等众多在线测流技术。由于各种技术都有其局限性与应用范围，加之河道来水和断面特征的复杂性，因此众多的流量自动监测方案和大量的实例应用，既有成功的案例也有失败的教训。王家坝流量自动监测系统建成以来，系统运行稳定，达到了预期的目标。本文重点介绍王家坝水文站自动流量监测系统的建设情况并对其运行状态与精度进行评定。

2 测站概况

王家坝水文站设立于1952 年，位于淮河中游豫皖两省交界处，属国家重要水文站，一类精度站，是淮河干流第一大站。它与王家坝（钐岗）、王家坝闸、地理城站共同控制淮河上游和洪河来水量，集水面积30630km2。水文站左岸上游约150m 处建有濛洼蓄洪区进水闸。特殊的地理位置和复杂多变的水流特性，决定了该站在淮河、尤其在豫皖两省防汛工作中占有举足轻重的地位。

王家坝测流断面所在河道顺直，稍有冲淤变化，正常水面宽182m，水深8～13m，在保证水位下水面宽400m、水深15～20m。高水期受下游史河来水顶托影响，中低水受下游临淮岗洪水控制工程影响，变动回水较为严重。该站测验任务繁重，每年人工报汛500 多次，人工测流200 多次。为提高工作效率，提高测站水文测验现代化水平，提升工作安全保障，同时为更好地做好水文信息服务，该站于2018 年8月安装配置了流量自动监测系统。

3 建设情况

3.1 总体结构

王家坝流量自动监测系统采用座底式ADCP 监测设备，融合了二线能坡流量模型算法，系统总体结构为四层，分别是信息采集层、数据集成层、数据存储层、应用层。其中信息采集层在监测点，数据集成、数据存储层、应用层放在信息中心。

监测点拥有信息采集功能，安装的设备主要有ADCP 支撑平台、水下ADCP 传感器、ADCP 数据处理仪表、相关的通讯设备和电源设备等。监测点通过ADCP 传感器取到流速数据，通过水位计取得水位数据，将水位、流速、设备状态等数据通过数据传输网络上传至信息中心服务器。

信息中心配备有数据库服务器与网页服务器，运行数据集成、数据存储和应用层。信息中心接收监测端上传的水位、流速及设备状态等数据，同时利用水位与流速数据，通过流量计算模型，计算出流量。最终，水位、流速、流量、系统状态等数据在信息中心进行集成，保存至一个数据库中。开发基于网页的信息查询、数据维护处理系统，安装在信息中心服务器上，用户只需上网便可查询信息和数据维护。

3.2 技术实现

能坡法流量实时监测，是通过在断面河底安装两个能够在线工作的流速传感器，实时监测垂线流速分布的变化，并实时传输至岸上仪表。岸上信息采集系统对流速信息进行统计分析，对有效流速信息和系统运行状态信息进行分类统计，计算一定时间间隔（5min 左右）垂线平均速。流量计算模型根据实时流速信息和水位信息，结合断面资料，计算出断面流量。主要建设内容有以下几个方面：

3.2.1 设备安装

监测点需要进行自动流量信息采集设备的安装调试，建设内容包括水下ADCP 运行平台安装、水下ADCP 安装调试、水下布线、岸上布线、岸上仪表安装调试、计算机安装调试、电源设备安装配置、网络设备安装配置等。

3.2.2 模型计算软件

该软件结合大断面数据、水位数据、流速数据计算得出流量值。每5min 完成一次数据采集与流量计算，并自动存入指定的数据库。

3.2.3 网页查询系统

开发基于WEB 技术的网页查询系统，可以进行水位、流量、系统运行状态等信息查询，可以绘制水位过程线、流量过程线、大断面图等，自动流量过程线上用黄色的点标记人工实测数据，方便用户进行对比。此外，系统还提供方便的水量计算功能。

3.2.4 后台管理系统

后台管理系统主要起到数据维护与系统运行状态监测的作用。后台管理系统可以对自动流量数据、人工实测流量数据进行增删改操作；可以自动进行误差分析；可以查看垂线流速、点流速、设备电压、角度等原始信息，便于对系统运行状态进行监测。

4 稳定性分析

为保障系统稳定运行，需要对系统的运行状态进行监控，也需要对系统采集的数据进行合理化分析，发现异常及时查找原因并处理。该系统运行以来，通过对设备电压、探头倾角等信息的监控，对两探头流速数据相关性和人工流量数据与自动流量数据相关性分析，证明系统运行稳定可靠。

图1 为电压数据，电压每日呈周期性波动，波动周期与光照周期吻合，波动范围在合理区间内，左右岸的波动规律与范围相关性很好。这些信息表明系统的供电部分工作正常。

图1 电压监控图

图2 为水下传感器角度数据，水下传感器的姿态至关重要，直接关系到采集数据的精度。由于受水流波动以及系统采集误差影响，水下传感器角度数据一般在1°以内范围内波动。通过对两个水下传感器角度数据检查，波动范围在合理区间内，运行状态很好。

自动流量过程线与人工实测流量对比也是检查系统运行状态与精度的重要指标。图3 分别为自动流量过程线（上有人工实测点）与人工流量过程线。图中可见，自动流量过程线与人工实测点拟合度相当好，趋势大致相当，同时自动流量过程线比人工流量过程线数据密度更大、更详细。

两个水下传感器采集的垂线流速同步性也是系统运行正常的重要指标。如图4 所示，左右岸的垂线流速趋势完全一致。经计算，左右岸垂线流速相关系数为0.874，表明系统采集功能运行正常。

5 精度评定

5.1 精度评定方案

为实现精确计量、科学调度，对实时流量监测系统的精度要求非常高。为保证实时流量监测系统的精度，不仅需要对系统的可靠性与稳定性进行评估，还需对自动流量数据进行精度评定。

精度评定采用王家坝站的人工流量为基准流量值，认为其为真值，自动流量与其对比，计算出流量精度。王家坝站流量监测为流速仪法与走航ADCP 法。将人工流量监测时间段内的自动流量数据进行平均，得自动流量数据与人工流量数据进行对比，通过计算系统误差、标准差和随机不确定度等参数进行精度评定。计算公式如下：

（1）绝对误差计算公式

（2）相对误差计算公式

图2 设备角度监控图

图3 人工与自动流量过程对比图

图4 垂线流速过程对比图

图5 自动流量与人工流量关系图

（3）实测点标准差计算公式

（4）随机不确定度计算公式

（5）系统误差计算公式

式中： —绝对误差；

δ—相对误差；

ε—系统误差；

se—标准差；

Qci—人工用M9 第i 次的实测流量值；

Qi—相应人工用M9 第i 次的实测流量值对应时段内自动流量的平均值；

n—实测点总数。

5.2 精度评定成果

按照精度评定方案，对自动流量监测系统进行精度评定。本次精度评定采用系统正常运行以来，2018年9月至2020 年4月时间段内，共271 次有效实测流量参加精度评定。在271 次有效实测流量中，实测流量介于10.1～499 m3/s，水位介于19.88～22.11m。

通过计算，自动流量与人工流量数据相关系数为0.99，自动流量的绝对误差在-40.7～66.7m3/s 范围内，相对误差为-38.66%～+43.27%，标准差为13.53%，随机不确定度为27.05%，系统误差为-0.83%。其中，相对误差绝对值在3%以内的65 次，占23.99%；5%以内的108 次，占39.85%；8%以内的160 次，占59.04%；10%以内的184 次，占67.90%。通过分析，系统符合自动流量站应用精度要求，在国内同类系统中精度也属前列。图5 为自动流量与人工流量关系图。

6 评价

（1）王家坝自动流量监测系统运行稳定可靠，自动流量数据与人工实测数据有较好的一致性与相关性，相关系数达0.99。虽然王家坝自动流量数据精度目前还无法达到人工测流的精度，但在提高人工测流时机的掌控，减少人工测流频次，提高劳动效率，降低劳动强度等方面可以发挥重要作用。

（2）自动流量每5min 一个流量数据，数据密度远比人工测流数据大，更能体现河道流量的实际变化过程，自动流量数据可在资料整编等工作中加以利用，有利于弥补人工测流数据测点数的不足的问题。

（3）通过对比自动流量数据与人工测流数据，也发现了一些人工测流工作的不足，对人工测流工作也有促进作用。通过数据对比，发现在负流量状态下，人工测流采用流速仪测法时有时会分辨不出正负流向，自动流量数据却可正确显示正负流向，这对人工测流时机的把握以及正负流向的判断上提出了新的要求。

7 结语

目前，具有流量监测功能的水文站网大幅增加，以人工监测为主的流量测验方式已经不能很好满足行业发展的需要，开展流量监测新技术的研究与应用、提高水文监测自动化水平势在必行。同时，天然河道流量监测技术在我国的研究应用还处于起步阶段，并不十分成熟，每种方案都有其自身的局限性。实践证明，王家坝站采用的基于能坡流量模型的流量自动监测技术，具有建设周期短、无需进行长期的参数率定等优点。在断面无明显冲淤变化的河段，能够取得较为满意的测验精度和良好的运行效果。该方法对于受洪水涨落和工程运用影响下的河道流量自动监测有良好的适应性，能够为当前时期水文监测工作为防汛抗旱、水资源管理服务提供一种可行的选择方案，具有良好的应用推广价值■