基于实时自动监测流量的引排水量计算精简分析

王 萍，谢 运 山，姚 允 龙

(1.江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029； 2.江苏省水文水资源勘测局 镇江分局，江苏 镇江 212028)

0 引 言

在未实现流量实时自动监测以前，引排水量的计算方法一般采用一潮推流法或者连实测流量过程线法。随着科技的发展，水文测站逐渐实现实时自动监测。在水位、降水量实现自动监测后，如何实现流量实时自动监测便成为当前研究的热门课题，尤其是有关定点式声学多普勒流速仪(H-ADCP)的应用研究。根据文献资料，从2009年开始就进行了代表垂线法自动测流系统的建设[1]。随后从流量自动监测系统、应用环境、误差控制、测流原始数据分析处理、设备安装等多方面进行了大量的研究，为实现流量实时自动监测进行了多方面的探索。如陈卫[2]、梁后军[3]等研发了通用的H-ADCP在线测流系统和基于二垂线式流量计算方法的ADCP流量测量系统，实现了ADCP远程控制在线监测及数据传输；高怡[4]、杜耀东[5]等对ADCP的实际应用进行了分析，总结了ADCP在平原河网地区使用的优点和缺点，并提出了复杂条件影响下的应用方法和H-ADCP应用的改进方案；还有部分学者研究了外部因素对ADCP流量分析、误差控制和数据处理的影响，例如含沙量、回水、壅水等因素[6-10]；胡尊乐[11]、邓山[12]等通过构建数据分析模型研究了断面流速分布特点和拟合精度。对于引排水量的计算，万晓凌[13]、马俊华[14]等基于实测资料采用水位差关系法对引排水量进行了研究，但是其研究资料是基于较长系列实测资料，计算工作量相对较大。因此，开展基于流量实时自动监测数据的引排水量计算资料精简分析十分必要。

在实现流量自动监测后，如何利用实时自动监测数据进行引排水量资料整编的研究相对较少，这主要是由于沿江沿海实现流量实时自动监测的水文测站较少，例如江苏省也是近几年才开始进行定点式声学多普勒流速仪的实际应用，因此在应用自动监测数据进行引排水量资料整编方面的研究尚处于探索阶段。针对这种情况，江苏省镇江市谏壁闸水文站和九曲河闸水文站在分别实现定点式垂向声学多普勒流速仪和横向声学多普勒流速仪实时自动监测后[15-16]，也进行了引排水量资料整编方法的探索[17]，初步实现了根据流量实时自动监测数据进行引排水量资料整编工作，但是如何利用较少的流量实时自动监测数据进行资料整编的研究还尚未开展。因此，在目前流量实时自动监测的方式应用较广泛的情况下，对实时自动监测流量数据进行精简分析十分有必要。

本文主要通过对定点式声学多普勒流速仪流量实时自动监测数据进行分析研究，以5 min的实时自动监测流量数据为标准，按不同时间间隔分别进行引排水量计算，在分析计算精度的情况下得到最大时间间隔，即采用较少的流量数据即能计算得到同等精度的引排水量成果。这样就能最大程度地进行数据精简，也为计算逐日平均流量提供了思路。研究成果可为水文测报方式逐步实现流量自动监测和水文资料整编研究提供参考。

1 研究区域概况

镇江市是长江三角洲中心区27城之一，是长三角地区重要的港口、工贸和风景旅游城市，国家生态文明先行示范区、国家低碳建设试点城市，地处中国华东地区、江苏省南部，是南京都市圈成员城市、扬子江城市群重要组成部分，长江流域第三大亿吨港口镇江港通江达海。水系分北部沿江地区、东部太湖湖西地区和西部秦淮河地区。长江流经境内长103.7 km，京杭大运河境内全长42.6 km，在谏壁与长江交汇。镇江市面积3 840 km3，常住人口为321万多人，属亚热带季风气候，年平均降水量1 071.5 mm，汛期雨量约占全年降水量的63%。

镇江市谏壁闸水文站位于镇江市谏壁闸，属镇江市京口区，长江与大运河交汇处的入口处。九曲河闸水文站位于镇江市丹阳市九曲河闸，长江与九曲河交汇处的入口处。两处水利枢纽均为太湖流域北排长江入口处水利工程，两处水文站能否准确计量引排水量对于水利工程调度起到非常重要的作用。两站位置如图1所示。

图1 谏壁闸水文站和九曲河闸水文站位置Fig.1 Location of Jianbi sluice hydrological station and Jiuquhe sluice hydrological station

谏壁闸水文站流量测验采用缆道流速仪法校测V-ADCP，应急测流方案采用流速仪桥测法或走航式ADCP。谏壁闸站设站以来实测闸上游长江最高潮位8.34 m，最低潮位1.52 m；实测闸下游大运河最高水位7.47 m，最低水位1.96 m。引水最大流量474 m3/s，排水最大流量543 m3/s；实测引水最大断面平均流速2.18 m/s，实测排水最大断面平均流速1.72 m/s。该站为京杭运河苏南段进口口门控制站。测验河段系人工开挖，上下游河道顺直，断面所在河道两岸为混凝土浇筑，河床为沙壤土，断面冲淤变化较小。谏壁闸上游约1 300 m为长江，闸下游为京杭运河苏南段。平行于河道左侧约50，1 200 m处分别为谏壁船闸、谏壁抽水站引河。闸下游980，1 200 m处分别有谏壁船闸、抽水站引河与京杭运河交汇，1 400 m处古运河于京杭运河右岸汇入。谏壁闸站自动测流系统于2015年10月22日初步安装设施，数据接入江苏省水文局水文数据库。2016年开始比测，2017年8月通过省水文局审查验收。随后按要求进行校测和综合比测，测验资料应用于资料整编和报汛。谏壁闸水文站各监测断面分布情况如图2所示。

图2 谏壁闸水文站监测断面分布Fig.2 Distribution of monitoring section of Jianbi sluice hydrological station

九曲河闸水文站流量测验采用缆道流速仪法校测H-ADCP，应急测流方案采用流速仪桥测法或走航式ADCP。自设站以来，实测闸上游长江最高潮位7.97 m，最低潮位1.14 m；实测闸下游最高水位6.80 m，最低水位2.07 m。引水最大流量497 m3/s，排水最大流量523 m3/s；2003～2017年期间，实测引水最大断面平均流速1.00 m/s，最小断面平均流速0.15 m/s；实测排水最大断面平均流速1.75 m/s，最小断面平均流速0.085 m/s。测验河段系人工开挖的复式梯形河道，闸上、下游河道顺直。河床为混凝土浇筑，冲淤变化较小。河道上游800 m与长江相接，平行于河道右侧40 m为九曲河船闸，船闸上游与长江相接，船闸下游600 m处汇于九曲河。河道下游右侧3 700 m处有新桥河汇入。九曲河闸站自动测流系统(V-ADCP)于2018年9月28日初步安装设施，2018年9月30日该系统投入试运行，2018年12月率定分析报告通过江苏省水文局审查验收，资料可应用于资料整编和报汛。2019年7月10日安装H-ADCP，在进行流量比测分析后于2019年10月通过江苏省水文局审查验收，资料可应用于资料整编和报汛。后因谏壁闸站V-ADCP设备故障，将九曲河闸站的V-ADCP设备拆除安装至谏壁闸，目前九曲河闸水文站H-ADCP运行正常，谏壁闸水文站V-ADCP运行正常。九曲河闸水文站各监测断面分布情况见图3。

图3 九曲河闸水文站监测断面分布 Fig.3 Distribution of monitoring section of Jiuquhe sluice hydrological station

2 数据资料

本文的研究数据主要来源于镇江市谏壁闸水文站定点式垂向声学多普勒流速仪(V-ADCP)和九曲河闸水文站定点式横向声学多普勒流速仪(H-ADCP)流量实时自动监测数据，其中谏壁闸水文站2017年8月实现定点式垂向声学多普勒流速仪流量实时自动监测，其分析数据时间为2018～2020年，九曲河闸水文站2019年11月实现定点式横向声学多普勒流速仪流量实时自动监测，其分析数据主要为2020年资料。

引排水工况方面，谏壁闸水文站2018～2020年定点式垂向声学多普勒流速仪流量实时自动监测数据均为引水，九曲河闸水文站2020年定点式横向声学多普勒流速仪流量实时自动监测数据包括引水和排水两种工况。而在引水工况下又分为闸门正常开和非正常开两种工况。

在引排水潮次方面，谏壁闸水文站2018，2019，2020年分别引水433，441，442次，其中正常开闸潮次分别为84，61，53次；九曲河闸水文站2020年分别引水410次、排水35次，其中正常开闸潮次为94次。即用于数据精简分析的总样本量共1 761潮次，用于正常开闸工况的样本量共292潮次。

3 研究方法

3.1 分析方法

根据收集到的两个测站的定点式声学多普勒流速仪流量实时自动监测数据情况，以5 min的流量实时自动监测数据为基准，分别按5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，90，120，150，180 min等不同时间间隔进行引排水量计算，并与5 min的计算成果进行对比分析。在计算过程中保留最大流量参与引排水量计算。

3.2 分析思路

本次研究主要是对不同工况情况下的引排水潮次数据进行精度分析：① 按引水和排水的不同工况对全部潮次的不同时间间隔的数据进行分析；② 按是否正常开闸的工况对此情况下的引水潮次进行分析。

3.3 分析流程

单次开关闸期间的引排水量计算主要是根据计算时间间隔来确定参与计算的各个代表流速，然后通过代表流速与分析率定的断代关系计算出断面平均流速，再根据测时水位查出对应的面积，将断面平均流速与面积相乘得到流量，通过单次开关闸期间的流量数据计算得到引排水量。这个主要是通过编程进行不同工况不同时间间隔的全部单次引排水量批量计算[17]。然后将计算好的各次引排水量根据分析方法进行统计分析，并与5 min的引排水总量进行误差分析计算，得到相关误差成果(见图4)。

图4 分析流程Fig.4 Analysis flow chart

4 数据分析

4.1 单次闸门开关时长统计

根据谏壁闸水文站2018～2020年3 a和九曲河闸2020年的节制闸开闸情况进行统计分析(见表1)，考虑到引排水计算时时间间隔最小为2 h，因此一般情况下，分析时计算数据可统计至按2 h的时间间隔进行计算的结果。而根据一次开关闸时长统计情况来看，时间间隔大于3 h的潮次占比，谏壁闸水文站均达90%以上，九曲河闸水文站引水达84.4%，排水达71.4%。因此，最长时间间隔可按3 h即180 min计算单次引排水量成果。

表1 单次开闸时长统计Tab.1 Statistics of single opening time

4.2 谏壁闸水文站流量自动监测数据分析

4.2.1全年各潮次统计分析

根据谏壁闸水文站2018～2020年3 a的V-ADCP流量实时自动监测数据和九曲河闸水文站2020年H-ADCP流量实时自动监测数据，分别按不同时间间隔对全年的引排水资料进行各潮次引排水量计算。在计算过程中保留最大流量测次参与当次引排水量计算。在计算完成后分别统计全年的引排水总量。最终以5 min年引排水总量为基准计算各频次总水量差值的相对误差，得到如表2所列结果。

表2 各水文站各年引排水总量各频次差值相对误差统计Tab.2 Statistics of relative error of frequency difference of total water diversion and drainage of each hydrological station in each year

从表2中各年的全年各潮次引排水量差值百分比统计成果看，从最小5 min的时间间隔到最大时间间隔30 min的计算频次进行各年引排水量总量计算，其成果相对较稳定，分别相差-0.15%，-0.28%，-0.23%，-0.17%，-0.66%。从35 min时间间隔的计算频次开始，其年引排水总量与5 min的年引排水总量基准值的差距逐渐变大。按60 min时间间隔计算成果时其差值最大已经达-2.28%，在按2 h的计算频次计算年引排水总量时，全年引排水总量差值已接近-7%。

从年引排水总量来看，按30 min的时间间隔计算的引水总量差值均在-0.3%以内，按60 min的时间间隔计算的引水总量差值均在-3%以内。因此，以30 min时间间隔的流量实时自动监测数据来计算年引排水总量影响基本较小，精度较高。

4.2.2正常潮次统计分析

在正常开闸的工况下按上述统计分析方法对谏壁闸水文站2018～2020年3 a来各潮次以及九曲河闸水文站2020年94潮次引排水量进行统计分析。对这3 a相关潮次数据分别按不同时间间隔频次进行引水水量统计分析，成果如表3所列。

从表3各潮次引排水量差值相对误差统计成果看，从最小5 min的时间间隔到最大时间间隔30 min的计算频次进行各年引排水量总量计算，其成果相对较稳定。从35 min时间间隔的计算频次开始，其年引排水总量与5 min的年引排水总量基准值的差距总体呈逐渐变大趋势。按60 min时间间隔计算成果时其差值最大达-7.02%，在按2 h的计算频次计算其引排水总量时，引水总量差距最大达-19%以上。

表3 各水文站正常开闸引水总量各频次差值相对误差统计Tab.3 Statistics of relative error of frequency difference of total water diversion amounts of normal gate opening at each hydrological station

从引水总量来看，2018，2019年按30 min的时间间隔计算的引水总量差值均在±1%以内，2020年引水总量差值为-1.34%，略大一点。从60 min时间间隔的计算开始引水总量差值基本大于3%，最大已达-7.02%。综合考虑，以30 min时间间隔的流量实时自动监测数据来计算正常开闸工况下的引排水总量影响基本较小，精度较高。

4.2.3效果评价

(1) 年引排水总量分析。根据SL/T 247-2020《水文资料整编规范》第6.4.25条款规定：根据测站特性、水位流量关系影响因素的分析，研究的新的定线推流方法，经对以往资料的检验，不同方法计算的年径流量相对误差小于±3%者，可作为整编方法使用[18]。综合考虑上述两种情况分析结果和引排水总量计算精度，谏壁闸水文站和九曲河闸水文站按30 min的时间间隔计算的引排水总量计算精度满足整编规范要求。

(2) 单次引排水量分析。根据《水文资料整编规范》第6.4.20条d)款规定：以面积包围法求得的日平均值作为标准值，其他方法求得的日平均值与其相比，其允许相对误差：中高水应为±2%，低水应为±5%，流量很小时可适当放宽[18]。SL 195-2015《水文巡测规范》第4.5.3条对年总量、汛期总量、一次洪水总量相对误差均进行了规定[19]：三类精度的水文站一次洪水总量的相对误差为8%。

根据上述年引排水总量和闸门正常开两种工况分析结果，对2018～2020年全年各潮次分别按5 min和30 min时间间隔进行引排水量计算，并以5 min的计算成果为基准计算单次引排水量误差值，统计结果如表4所列。

经对误差较大的潮次进行分析，发现单次引排水量过程中流速较小、流量偏小导致引排水量相对较小的计算误差偏大，但总体来说单个潮次引排水量偏差较小，精度较高。同时九曲河闸水文站的单次引排水量即使按5%的相对误差进行统计，其小于5%的相对误差精度仍达到86.74%，精度也是较高的。

表4 5 min与30 min时间间隔计算的单个潮次引排量 相对误差统计Tab.4 Statistical of relative error of single tidal discharge calculated at the time interval of 5 minutes and 30 minutes

5 结 论

本文主要是基于谏壁闸水文站和九曲河闸水文站横向和竖向两种不同安装方式的定点式声学多普勒流速仪3 a全部开关闸期间流量实时自动监测数据进行的引排水总量计算数据的精简分析。以5 min实时自动监测流量数据计算结果为基准，对全部潮次和正常开闸工况期间的潮次按不同时间间隔进行引排水量计算，并与5 min的计算结果进行对比分析，统计相关精度。得出如下结论：

(1) 以30 min时间间隔进行引排水量年总量统计精度较高，符合规范要求，达到了监测数据精简的目的。沿江闸坝站开关闸期间的引排水量计算采用本方案，完全可以满足精度要求。

(2) 按60 min的时间间隔计算并统计年引排水总量，精度虽低于30 min间隔，但误差基本控制在3%以内，也能满足水文资料整编要求。

研究成果可为单一的河道站流量实时自动监测数据的精简分析提供思路和方法。对于其他流量实时自动监测测验手段如雷达波在线测流、侧扫雷达自动测流等数据精简分析也具有一定的指导意义。