H-ADCP在受水利工程影响河道流量监测的应用研究.pdf
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1、第11期2023年11月文章编号:16 7 3-9 0 0 0(2 0 2 3)11-0 0 33-0 4陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.11November,2023H-ADCP在受水利工程影响河道流量监测的应用研究蒋四维,陶昕怡,周文静,罗成延(长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局,湖北襄阳4410 2 1)摘要为提高受水利工程影响测验断面推流精度,提升H-ADCP流量在线监测系统水平,以梅铺水文站为例,探讨H-ADCP在受回水顶托及上下游电站调蓄综合影响下,通过一元三点插值法建立代表流速相关关系曲线以及最小二乘法建立的多元回归模型的可行性,以及不同方式推求流
2、量的精度和过程差异。【关键词H-ADCP;多元回归模型;最小二乘法;代表流速法;一元三点插值法中图分类号P336【文献标识码BApplication of H-ADCP in Monitoring of River Flow Affected by HydraulicEngineeringJiang Siwei,Tao Xinyi,Zhou Wenjing,Luo Chengyan(Hanjiang River Bureau of Hydrology and Water resources Survey,changjiang Water Resources Commission,Xiangya
3、ng441021,Hubei)Abstract:In order to improve the flow pushing accuracy of test section affected by hydraulic engineering and improvethe level of H-ADCP flow online monitoring system,taking Meipu Hydrological Station as an example,the feasibility ofestablishing a representative velocity correlation cu
4、rve and a multiple regression model established by the least squaremethod through the one-yuan three-point interpolation method under the comprehensive influence of backwater top supportand upstream and downstream power stations was discussed.The accuracy and process difference of flow rate estimati
5、on bydifferent methods are also discussed.Key words:H-ADCP;multiple regression model;least square method;representative velocity method;one pointinterpolation method站特性,分析H-ADCP横向单元格流速相关性,通过分别建1引言立代表流速相关关系曲线和引人H-ADCP探头人水深的二元随着水文监测现代化推进及水利工程的日益增多,传统线性回归方程,为实现流量在线监测提供技术支持。测验方式难以满足流量过程推求精度要求,呈现出工作量大,2测
6、站概况效率偏低的态势。部分水文站点安装固定式在线流量监测设备提高断面推流精度,其中H-ADCP应用较为广泛。H-ADCP流量测验也基于流速面积法。众所周知,采用流速面积法计算流量需要2 个因子,一个是断面平均流速,另一个则是过水面积。过水面积的求取比较容易,只需要大断面资料及水位资料,便可实时计算。而断面平均流速的求取较为复杂,根据计算方法的不同,可分为代表流速法,数值积分法等多种方法。不少测流断面受多种因素综合影响,水情复杂,导致代表流速与断面平均流速的关系难以采用代表流速一断面平均流速线性方程或一元二次方程描述,本文根据梅铺水文站测梅铺水文站为长江流域汉江中游丹江水系滔河下段鄂豫省界基本水
7、文站。上游约2.2 km建有王河水电站,约0.1km有王河水电站排水口从右岸汇入。下游约2.0 km建有滚水坝,对本站有回水顶托影响。本站建在弯道下端,中高水为扩散断面,非稳定流,水位流量较好。低枯水期主流偏右,河宽约50m。3研究方法3.1代表流速法河流流量测验误差的理论与实践一书中将代表流收稿日期2 0 2 2-12-2 7【作者简介蒋四维(19 9 2-),男,湖北丹江口人,工程师,主要从事水文勘测、水文测报自动化技术研究工作。33第11期2023 年11 月速定义为仪器测量的流速,是河流断面上某处的局部流速。在实际应用中,有3种局部流速可以用来作为代表流速,分别为:某一点处的流速(点流
8、速)、某一垂线处的深度平均流速(垂线平均流速)、某一水层处某一水平线段内的水平平均流速(水平平均流速)。水平平均流速170.0Projected Velocityf/s(Ref:Btrp)BottomTopQ-BottomQ0.00100-0:8060-040-020002004006000801002.384.75uqidaa9.507.1311.8814.2516.8%16.63图1三种常见的代表流速示意图H-ADCP施测的代表流速是某一水层处某一水平线段内的水平平均流速。选定部分单元格流速进行平均后,与同步实测的断面平均流速建立相关关系。代表流速法是一种通用的流量在线监测方法,其优点在于
9、概念明确、精度较高,但需事先进行人工比测率定。在建立代表流速与断面平均流速相关关系时通过收集到的比测资料绘制一条穿越点群中心的曲线,通过一元三点插值法2 查算H-ADCP某时刻收集到代表流速所对应的平均流速。一元三点拉格朗日多项式插值,方次n=2,也称为拉格朗日二次插值(抛物插值)。(a)=(a-x,)(-x,),Yo+(x0-xi)(0-x2)3对于一条代表流速断面平均流速相关关系曲线,断面平均流速V表示,代表流速V表示,若选取有N个结点(N3),代表流速V对应的断面平均流速V,用下式计算:(V-Vl)(V,-Vit)(V,-Vvi+)(V,-Vut-1)V=Vii+(Vxi-Vn.)(Vx
10、i-I-Vri1)(Vei-VxiI)(Vei-Vi-1)(V,-Vxi-1)(V-Vt)Vi1(Vxi+-Vxi-I)(Vxi+I-Ve.)在代表流速断面平均流速相关关系曲线上,在端点附近与曲线曲率较大处,结点应选密一些,其他地方可适当选择,每一条曲线选取的结点个数,最少不得少于三点。3.2多元回归法回归分析(RegressionAnalysis)是确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法。运用十分广泛,回归分析按照涉及的变量的多少,分为一元回归和多元回归分析;在线性回归中,按照因变量的多少,可分为简单回归分析和多重回归分析;按照自变量和因变量之间的关系类型,可分为线性回
11、归分析和非线性回归分析。如果在回归分析中,只包括一个自变量和一个因变量,且二者的关系可用一条直线近似表示,这种回归分析称为一元线性回归分析。如果回归分析中包括两个或两个以上的自变量,且因变量和自变量之间是线性关系,则称为多元线性回归分析。本文通过引人H-ADCP代表流速及探头入水深建立二元34陕西水利Shaanxi WaterResources回归模型3,通过最小二乘法求解模型系数。最小二乘法的原则是以“残差平方和最小”确定直线位置。用最小二乘法除了计算比较方便外,得到的估计量还具有优良特性,但这种方法对异常值非常敏感。最小二乘法是求解线性回归模型应用最广泛的方法,其优化的目标函数为:minl
12、lny-Xpll?(3)点流速其中,为输出,代表梅铺站断面平均流速,X为输人向量,为参数,表示线性回归方程的系数。该方法试图找到一条直线,使所有样本到直线上的欧氏距离之和最小,可求得平方损失函数的极值点,进而得到待估参数。在变量数目小于样本数目时,应用效果较好。4692Lengthft垂线平均流速(x-x2)(x-x0)(x1-x2)(x1-0)1(x2-x0)(x-x)2(1)V:+(2)No.11November,2023138184(-x0)(x-x)yi+H-ADCP代表流速大多只能反映安装高度对应水层的流速情况。当河流流态稳定且水情单一时,可通过H-ADCP单元格流速和断面平均流速建
13、立相关关系从而推流。然而水情复杂时,仅采用单一固定区间代表流速作为自变量无法满足推流精度,也很难反映测验断面受顶托影响程度,上下游水利工程状况等,因此有必要综合考虑多种水力因素的影响。本文在建立多元回归模型时,选取代表流速外,加入H-ADCP探头入水深反映蓄放水及回水顶托影响,采用最小二乘法求解模型参数。4应用实例4.1楼数据选择及预处理梅铺水文站采用RDI公司H-ADCP,2个探头、频率1200kHz。流量测验软件为RDI公司出品的WinH-ADCP(Ve r 4.0 4),接口软件实现计算机与H-ADCP通信,并存储数据。根据水情,将H-ADCP固定154.50 m高程,安装在右岸,水平方
14、向发射信号,采样间隔与自记水位计采样时间一致(5m i n)。为消除流速脉动影响,采用采样平均时间30 s;根据河宽情况及仪器性能,设置单元长度0.5m,单元格数目9 0。161160159158三157156155-154153152010图2梅铺水位站H-ADCP安装示意图通过H-ADCP运行以来6 月 10 月收集数据分析,断面指标流速分布均匀,与走航式ADCP收集流速分布趋势一致,在1m20m区间内回波强度正常。Velocity一Velocity1.0000.7250.4500.1750.10035.000图3H-ADCP小流量指标流速分布VelocityVelocitys/1.000
15、0.7250.450AO0.175-0.10035.000图4H-ADCP大流量指标流速分布2030起点距/m28.00021.000Rangelm28.00021.000Rangem40506014.0007.00014.0007.0000.0000.000第11期2023年11月211suno16812688340f50.0000.7880.5920.3950.1990.00210:01:00:00 10:07:04:47 10:13:09:34 10:19:14:21 10:25:19:08 10:31:23:55图6 H-ADCP10月流速过程线以实测流量资料成果中的断面平均流速为y,
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