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SL流量计监测数据分析及后处理方法探讨
【来源/作者】奥科官网 【更新日期】2017-02-03

1 前言

珠江三角洲网河区受潮汐影响,水流运动复杂,采用常规手段进行水文测验,不仅工作量大,而且时效性差。 2006年4 月, 佛山水文分局引进了美国SonTek 公司“淘金者-SL 流量计”(Argonaut SL 流量计)500 kHz 型侧视式声学多普勒流速剖面仪(以下简称SL 流量计),安装在马口水文站使用。

目前,该仪器已经运行4 年多,状况良好。 近年来,由于多方面的原因,上下游水量不平衡,从而也导致了人们对SL 流量计的质疑。 为此,2010 年加大了对SL 流量计的比测力度, 收集到了大量比测率定资料和分析资料,希望能从比测率定和分析工作中找到SL 流量计存在的缺陷, 为今后推广应用积累经验。

2 马口站SL 流量计安装

马口站SL 流量计安装在西江干流水道马口水文站基本水尺断面自记台护栏外侧、相对高程-2.59m 的柱子上(图1)。 起点距约为 230 m,测验断面河床组成为泥质粉砂,河道基本顺直,河床比降小,水流平稳,断面宽约 500 m。 虽然左岸河床为泥质,较易冲刷, 但大部分河床较为稳定, 通过 2005 年与2008 年的断面进行比较发现,变化比较小,变率为3.47%。 2009-2010 年实测大断面面积变率不超过3%。 但由于仪器安装在左岸,容易受单江洪水影响。比如北江洪水、西江没有洪水时,计算流量会偏大。

3 2010 年马口站潮流量测验

马口站分别于2010 年4 月9 日10:00-21 日23:00、9 月9 日 17:00 -18 日14:00、10 月 29 日11:00-11 月16 日 10:00 在流速仪测流断面起点距740 m 处进行了3 个组合完整潮期潮流量测验 (代表线法)。 测验结果用于SL 流量计同期监测数据的比对分析。

4 SL 流量计监测数据分析及后处理

4.1 比测率定方法

(1)比测方法:使用船载走航式 ADCP(300 型或600 型) 在安装 SL 流量计的基本水尺断面进行随机的流量测验(但基本要求是正点或 30 min 附近进行施测)。 往返走测一个来回,并把往返流量误差控制在±5%以内,取其平均值作为该次断面流量,再除以相应的过水面积,得到断面平均流速。

(2)率定方法:用收集到的断面平均流速与SL流量计指标流速建立一个单- 断流速关系曲线 。

2010 年3-12 月,共收集了 171 个测点,水位变化范围-0.34~4.90 m,流速变化范围-0.30~1.52 m/s,能均匀分布在不同的流速级,满足率定要求,并通过适线检验。

(3)率定结果:

经验算,得出指标流速与断面平均流速关系测点标准差Se=11.7%;系统误差为0.07%≤±3%,达到规范规定的精度要求(图2)。

4.2 多年比测率定关系曲线的比较

把2006、2008、2009、2010 年的实测点放在一起,回归分析趋势线基本成一系列,没有发现显著偏差(图3)。

4.3 实测流量比对及误差分析

把2010 年 4 月9 日 10:00-21 日 23:00、9 月9日17:00-18 日 14:00、10 月29 日 11:00-11 月16日10:00 在流速仪测流断面进行的潮流量测验结果与基本水尺断面SL 流量计流量过程比较,发现:

(1) 4月9 日 10:00-21 日 23:00,代表线法潮期平均流量为4 904.99 m3/s,SL 流量计潮期平均流量为4820.48 m3/s,相对误差 1.72%。 对 SL 流量计逐时过程线中的突出跳变点不作修改。

(2) 9月9 日 17:00-18 日 14:00 代表线法潮期平均流量为5 667.84 m3/s,SL 流量计潮期平均流量为5 600.33 m3/s,相对误差 1.19%。 对SL 流量计过程线中的突出跳变或个别缺测点按照趋势作了修改。

(3) 10月29 日 11:00-11 月16 日 10:00 代表线法潮期平均流量为3 477.05 m3/s,SL 流量计潮期平均流量为3 323.89 m3/s,绝对误差4.4%。 如果考虑到SL 流量计过程线中的突出跳变点, 并把这些点做系统修改,得出潮期平均流量为3 179.45 m3/s,相对误差为8.56%。

另外,从文献[3]中也可以看到同样的资料信息:2008年2月23 日至3月10 日,利用马口站流速仪断面代表线潮流量测验期间一个组合的逐时流量资料验证SL 流量计(SL 流量计)流量计成果。 代表线法组合平均流量为2500 m3/s, 组合期间SL 流量计(SL 流量计)平均流量为2 499 m3/s,组合期间逐日平均流量,相对误差为0.73%。

实际上,流速仪测流断面代表线法测验位置在断面中泓位置-起点距为左起740 m,SL 流量计安装在基本水尺断面左岸-起点距约 230 m。 涨潮时,水流从下游到上游传播,岸边与河底先出现负流,最后到中泓位置。 在过程线图上反映为 SL 流量计流量最大涨潮流量先于流速仪断面涨潮流量;退潮时,水流规律与涨潮刚好相反,先从中泓先退,最后才到岸边和河底,在过程线图上反映为流速仪断面涨潮流量先于SL 流量计流量最大涨潮流量。从实际监测资料中发现,4 月 9 日10:00-21 日 23:00 流速仪断面代表线法流量测验中监测到出现负流时长约为40h,水尺断面 SL 流量计监测到出现负流时长约为39 h;9 月 9 日 17:00-18 日14:00 流速仪断面代表线法法流量测验中监测到出现负流时长约为5 h,水尺断面SL 流量计监测到出现负流时长约为10 h;10 月29 日11:00-11 月16 日10:00 流速仪断面代表线法法流量测验中监测到出现负流时长约为71 h,水尺断面SL 流量计监测到出现负流时长约为72 h。虽然两种手段监测到负流时间出现前后存在一定差异,但是负流出现时长基本一致,上下游水量趋于平衡状态。

4.4 SL 流量计监测数据后处理分析

(1)逐时水位-流量过程线分析把用于资料整编的1-5、9-12 月分别进行了逐时水位-流量过程线分析,对突出跳变的流量点、单江发洪影响到的流量过程进行合理性分析及修正。并重新计算日平均流量。

(2)逐10 min 流速过程线分析为了提高正点流量的精度,对 2010 年2-3 月、7月27 日 17:30-12 月 31 日 24:00 逐 10 min 监测数据全部生成一个逐10 min 流速过程线,对突出跳变点进行分析,特别是对正点流速的排查、分析(因为整点流速是直接影响日平均流量计算的因子)。 检查发现,正点流速处于峰、谷位置现象不多,基本维持在一个均值水平。

由于上述操作中产生的数据量较大,不能在文档中一一列出。但这是在进行具体分析工作时,排除突出、跳变点等不合理现象,取得准确的流量数据最有效的方法之一。

5 结语

(1)比测、率定及数据后处理分析的目的,一是检验仪器的稳定性;二是希望通过比对分析,修正突变点,从而得到更为精确的水文数据,为防洪抗旱的决策提供科学依据。

(2) SL流量计的正常运行是保证仪器监测数据记录完整的前提。要有高度负责的态度,坚持每天细心检查仪器的运行状况,做好记录,发现问题及时解决,重点做好因雷击、太阳能供电不足而引起数据丢失的预防工作。

(3)密切关注上游来水状况,特别是北江发洪时应及时比测,并对相应的流量进行修正。

(4)希望能解决容易引起雷击的技术问题。 水雨情召测系统的稳定性值得借鉴。

(5)对SL 流量计资料多做比测、分析工作。 仪器很先进,但也会出问题。要坚持多做比测分析工作,包括不同潮汐要素状态下(比如每个月的大潮期、平潮期、潮洪混杂等)水流特性的比测、分析工作,细分单-断关系,才能很好地掌握水流变化规律和甄别出哪些是不合理数据,从而得到更为精确的水文资料。

摘自:中国计量测控网


【关键词】SL流量计,多普勒,奥科官网,北京世纪奥科 

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