全站仪预判浮标路径的河道流量测验方法及浮标关系线精度浅析

黄 幸，张建丰，于坤霞，黄世洪

(1.西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048；2.长江上游水文水资源勘测局，重庆 400020)

目前流量测验方法主要有流速仪法和ADCP法测流[1-2]等，流速仪法测流虽能在精度上满足流量测验规范的要求，但其操作复杂、历时长、工作强度大，效率低下[3]。ADCP法测流在低含沙量下测验效果显著，但超过一定的含沙量可能会造成指标流速突变而失真[4-5]，当遭遇较大洪水时，在流速仪法和ADCP法测流均无法施测的情况下，可用雷达波法[6-7]、浮标法测流[8]等测量水的表面流速，水面浮标法测流方便安全快捷，虽然精度较低，但使用频率高，浮标系数Kf=Q/Qf，式中：Q为同步流速仪断面流量；Qf为浮标断面虚流量。可见同步流速仪法断面平均流量与浮标虚流量的相关关系精度直接影响浮标流量的精度，王曙光从浮标标志物的选材与制作型式统一做了分析[9]。邓念德从水位～流量关系曲线法、水面流速系数法分析了中泓浮标系数精度[10]，欧阳凯、林天才、黄锦鑫分析了线性相关关系及三种检验[11]，但均未从浮标监测方法、浮标流速横线分布分析突变点、关系线多种方案拟合等方面进行研究，为提高水面浮标系数精度，选取北碚水文站2015年～2018年共20次的同步流速仪法断面平均流速和中泓浮标法流速资料建立相关关系，从全站仪预判水面浮标路径监测角度的新方法、浮标虚流速横向分布分析突变点，关系线多种方案拟合及精度检验方面进行分析，并优选最佳关系线拟合方案。通过北碚水文站2020年共10次同步流速仪法流量和中泓浮标法流量资料进行验证。

1 方法

1.1 全站仪预判水面浮标路径监测角度新方法

水面浮标法常规的监测方法是全站仪追尾跟踪水面浮标进行角度监测，往往会出现当水面流速大时监测的角度精度不够的情况、秒表开始和结束时间掌握不准确造成浮标历时误差，采取全站仪预判浮标路径监测角度新方法能提高水面浮标监测角度的精度。

全站仪预判水面浮标路径监测角度新方法是全站仪施测人员视线注视河道中的水面浮标，选定需要监测的浮标后迅速预判浮标流经路径，提前将全站仪望远镜视线快速移动到距离浮标流动方向前1 m～2 m或更远位置，并持续到中断面见图1，将全站仪中丝相切水面并锁定竖直角，待浮标进入全站仪望远镜视线范围内见图2(a)，快速转动望远镜使横丝重合浮标前端见图2(b)，观读水面浮标的水平角和竖直角。各断面监测人员各自完成浮标历时、开始水位和结束水位的工作，直到完成一个浮标的监测过程。然后重复以上过程直到完成最后一个浮标的监测。这种监测方法有效避免了由于浮标速度过快，盲目追尾水面浮标造成观测角度不到位而造成精度不高的情况。通过实际监测发现，这种方法操作便捷，能有效提高监测角度精度，切实可行。

1.2 浮标虚流速突变点分析方法

浮标虚流速突变点实际上是测量误差所致，是测量中不可避免的，产生的主要原因是全站仪监测浮标角度不准确；浮标历时不准确等方面导致浮标虚流速不准确，剔除浮标虚流速突变点后的数据能有效提高关系线拟合精度，从而提高浮标系数精度，由于每测次中泓法浮标流速测点数据较少，可采用每测次的水面浮标虚流速横向分布图用物理判断方法进行综合评判。方法是点绘各测次同步流速仪法起点距与垂线相应位置0.2流速分布和同步的浮标起点距流速分布图，根据流速仪法垂线流速分布趋势与浮标虚流速对比分析判断哪些是突变点见图3，按这方法将各测次的浮标虚流速突变点进行剔除。

图1 全站仪预判浮标路径示意图

(a)

(b)

图3 浮标流速突变点剔除分析图

1.3 中泓浮标法浮标位置范围优选方法

由于水位级不同，河段中泓位置范围会发送变化，宜根据测站点河流特性，确定中泓位置范围。在监测天然水面浮标时，一般情况是水面浮标集中出现的位置就是中泓位置区域，也有天然浮标在河段横向分布位置较散乱的情况，为收集更多的浮标资料，往往会抓测较大范围内的浮标点，为提高关系线拟合精度，需要确定浮标流速横向分布的起点距范围。方法是点绘不同水位级下监测的起点距～中泓浮标测点流速关系见图4，可见不同水位级下的浮标测点大都分布在河段中泓起点距100 m～200 m范围内，优选起点距100 m～200 m内的测点计算各次中泓法浮标断面虚流速。其他测点不参加中泓法虚流速计算，从而提高浮标系数关系线精度。

图4 北碚站浮标流速分布图

2 资料选用

以北碚水文站为例，北碚水文站是嘉陵江出口控制站，其位于嘉陵江观音峡内，测验河段顺直，两岸平缓而稳定，冲淤变化较小，当三峡电站蓄水位较高时，有顶托现象。

选取北碚水文站2015年～2018年共20次同步流速仪法断面平均流速、中泓浮标法流速比测资料进行分析，中泓浮标法虚流速的数据通过上诉突变点分析剔除、中泓浮标起点距范围方法处理。

3 关系线拟合及精度检验

通过计算后得到中泓浮标法断面流量，点绘与同步流速仪法断面流量的散点相关关系图见图5，将呈带状分布的测点建立线性关系模型。使用直线拟合、剔除突变点后直线拟合、剔除突变点一元二次回归拟合、剔除突变点幂函数回归拟合4中方案进行回归方程关系拟合分析见表1。

图5 起点距100 m～200 m段中泓浮标系数分析图

表1 不同方法拟合关系及误差精度

根据表1的分析指标表明各方案均满足相关水文规范要求，推荐使用最优方案为剔除突变点后幂函数回归方程：Q=0.7754Q虚1.0247。

4 成果验证

2020年08月北碚水文站收集10次中泓法浮标测流资料，使用推荐方程计算出各次浮标断面流量与同步流速仪法流量Q42～51次进行流量误差验证分析检验见图6。

图6 浮标流量相对误差检验关系图

图6可见流量的相对误差在-1.72%～3.11%之间，误差较小，符合相关水文规范要求，验证合格。

5 结语

通过研究全站仪预判浮标路径监测角度方法、突变点剔除、多种线性回归拟合浮标系数相关关系，其结论如下：

(1)通过全站仪望远镜提前预判浮标路径监测角度的方法操作简单、效果显著，能有效提高浮标监测角度精度，可推广。

(2)剔除浮标流速突变点对浮标系数相关关系精度有所提高。

(3)多种关系线拟合方案优选最佳精度方案，可提高中泓浮标法关系线精度。