基于大数据方法垂线流速修补研究

赵胜凯，梁 坤

(河北省石家庄水文勘测研究中心，河北 石家庄 050000)

石家庄市已经在地都、刘家坪、王岸、小觉水文站建设有4套雷达波测流站，就目前应用效果来看，测流站可获取高洪流量过程，盈水期所测流速流态稳定、相同水位条件下各垂线流速的重现率高，不同水位集下垂线流速分布图呈等比状态分布。然而在枯水期，常常会出现某条测速垂线、某些测速垂线测不到流速的情况，即便是在盈水期，如遇飞虫或其他自然因素干扰，偶尔也会出现某条垂线测不到流速或者突然冒出大数的情况，这些情况严重干扰和困扰流量监测数据的准确性、可用性，而通常出现这种状况时，大多是3～8条垂线流速都表现为正常，1条或者2条测速垂线表现为零或超大。为解决上述问题，通过实际的探索、实践、比对，依据断面的流速分布图、垂线的水位流速大数据来即时修正不合理的垂线流速。

1 大数据修正流速方法

为了有效修正流量监测中流速的奇异值，提升测流设备的抗干扰能力，提高流量监测的精度，为防洪决策大数据的积累提供更可靠的保障，采用如下技术方案：

(1)依据大数据修正垂线流速的方法，该方法分两个执行步骤，第一步确定每条测速垂线的水位流速关系，第二步修正实测垂线流速，以测速垂线的水位流速关系和水位为依据逐一校核、修正每个测次的各个实测垂线流速[1]。

在具体实施时，上述流程中的第二步，每测得一次新的流量数据，都需要执行一次，上述流程中的第一步，可以定期执行并保存该关系式，由于现代计算机的计算速度很快，该步骤也可以在每接收到新的流量成果后再立即执行而不需保存该关系式。

(2)如图1所示，河道流量测量，是在河道的某一断面上，使用雷达波等流速感应器对河道断面上多个相对固定的点进行流速测量，这些测速点位于断面所在的直线上，该直线垂直于河水流动的方向。实际工作中，上述河道流量测量通常在一个水文站上进行，测量到水位和垂线流速后，还需要通过水位、多个垂线流速计算出河水的流量，流量是流量测站的最终成果，修正的流速是流量计算中的关键因素。

图1 测流工作及成果示意图

(3)河道流量的测量是一个长期的过程，一般每日数次至数百次，每次测量的数据成果有各个测速垂线上的流速和当前河道的水位。流量测量过程中可能还伴有现场的照片、风速、温度等，流量测量形成的成果本身就是大数据，从大数据中提取关键要素，该要素是垂线流速、水位系列，再以该关键要素对新测量的流量数据进行修正[2]。

(4)如图2所示，水位流速关系可用公式sp=aZ2+bZ+c来表达，式中sp表示流速，Z表示水位，a、b、c为常数，在特定的测速垂线上，每次测流的成果，对应有该测速垂线的流速和测流时的水位，将该测速垂线上多个测次中的水位、流速数据，带入最小二乘法，即可拟合出测速垂线的水位流速关系公式，算得a、b、c三个常数的值。实际工作中，该关系式可以事先定义，也可以动态拟合。动态拟合时，需要读取历史数据，即该测速垂线多次测量的水位和流速，将水位和流速集合带入最小二乘法，可计算出sp=aZ2+bZ+c公式中的a、b、c常数；事先定义是由人工判读的方式、人工拟合公式、人工确定a、b、c三个常数，测流过程中，当收到实测数据后，立即进行判读和修正。具体实施时，如果垂线的水位流速关系公式是自定义的，则该关系式需要定期校核、更新。动态拟合关系公式a、b、c三个常数时，通常只有没有被修正的流速才会参与计算，也就是只有实测垂线流速才会被筛选出来，使用最小二乘法参与常数a、b、c的计算[2- 4]。

图2 测速垂线的水位流速关系

(5)如图3、图4所示，上述第二步对施测垂线的修正，是在现场施测后，对每一个测速垂线，逐一依据测速垂线的水位流速关系和所测水位值，计算出一个流速，实测流速和计算流速之间会有一个差值，如果该差值的绝对值大于设定值，则将该垂线流速替换为计算流速。实际工作中，通常将设定值设为0.3，若计算值与测量值之差大于0.3，则使用计算值替换测量值；计算值与测量值之差小于或等于0.3，则保留测量值。具体实施时，由于垂线流速是设备测量而得的，设备返回的数据可能为0，可能特别大，例如使用雷达波测速时，流速小于0.5一般就测不到了，返回的结果就是0，或者飞虫、鸟兽走过，树枝扰动，设备所测流速都会发生偏移，因此可将上述差值设得稍大一些，如0.5，通常为0或者偏离特别大的时候，才需要修正。

图3 依据水位流速关系修正流速

图4 修正前后的流速

2 湖南蓝山站应用情况

2.1 测站基本情况

蓝山水文站位于舜水河右岸，地处蓝山县塔峰镇东村，东经112°19′，北纬24°55′，系舂陵水支流舜水区域代表站，集水面积为254km2，于2004年1月1日设立并进行雨量、水位观测，同年7月1日正式进行流量测验。测验项目有降水、水位、水质、流量，为二类精度站。

蓝山水文站水位分级为：高水(270.00m以上)、中水(269.28～269.99m)、低水(269.05～269.27m)、枯水(269.05m以下)。实测历史最高洪水位为271.65m(冻结基面)，流量为570m3/s，发生日期为2013年8月16日；最低水位为268.45m(冻结基面)，相应流量为0.485m3/s，实测水位变幅为3.20m。

2.2 测流设备

本站采用的是雷达波在线测流系统，该系统由跨河缆索、自移动探头、控制系统、电源系统等部分组成。

雷达波在线测流系统的流速测量设备采用多普勒雷达波测速传感器，以非接触方式测量水流表面速度，设备可以自行在缆索上运动，测量横断面上不同位置的水面流速，配套专业测流软件，通过借用断面资料来计算断面流量。

2.3 垂线水位流速关系

依据蓝山站提供的资料，该站有现成的水深流速关系数据及关系图，由于该站的断面、测速垂线已知，从而可推算其水位流速关系公式。

图5 蓝山站断面及测速垂线

2.3.1垂线水位流速分析

以下是蓝山站全部测次各个垂线分别做水深-流速分析的数据情况，见表1。起点距为10m的测速垂线期水深流速关系公式为：sp=0.6145+0.0884H+0.4186H2-0.0599+H3，由于起点距为10处河底高程为268.08m(如图5、图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

最终可得水位-流速关系公式：

sp=-1123977.4920+12690.1313Z-

47.7554Z2+0.0599Z3

表1 蓝山站断面及测速垂线

图6 垂线(起点距10m)处水深流速分析

2.3.2水位流速关系设定

从以上展示的效果看，蓝山站各条垂线的水位流速具有良好的线性关系，可建立水位流速公式对奇异值进行矫正。测试中选用了蓝山站2020年1月19日至2月19日时段的数据进行观测和测试，在这一时段内蓝山站站的水位流量过程中，有一次大的洪峰过程。该时段内共有65个测次，有18个测次被修改。

2.4 应用情况

通过对蓝山站2020年1月19日至2月19日时段内65个测次数据的监测和分析，该时段内有一场高洪水过程，大多为低水期，有18个测次处于超低水期，有1～3条测速垂线没有测到流速，本方法予以了及时的修正，修正后的数据和正常数据相比，较符合该站的常年流速分布特征，修改后的数据准确可用；其余47个测次的流速分布图与标准流速分布图偏差不大，数据没有被修改，方法对数据的处理合情合理。

3 结论

现状雷达测速在获取垂线流速结果时存在一定的误差，为了提高垂线流速精度，提出使用大数据方法提取数据，拟合水位-流速曲线，对雷达测速结果进行修正。以湖南蓝山站为例，对该方法的实际应用效果进行分析，采用大数据方法对垂线流速进行修补较为可靠，计算结果与实际情况较为吻合。