李偉娟，韋廣龍

（南寧市水文水資源局，南寧 530001）

采用簡單移動(dòng)平均法進(jìn)行南寧站定點(diǎn)式ADCP流量平滑處理

李偉娟，韋廣龍

（南寧市水文水資源局，南寧 530001）

采用簡單移動(dòng)平均法對南寧站定點(diǎn)式ADCP采集的流量進(jìn)行平滑處理，與原瞬時(shí)流量過程對比，平滑處理后的流量過程與水位過程相應(yīng)，消除了原瞬時(shí)流量過程的鋸齒波，平滑后的流量值更合理。

移動(dòng)平均法；定點(diǎn)式ADCP；流量平滑處理；南寧站

0 引言

南寧站定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀（簡稱定點(diǎn)式ADCP），從2011年1月1日正式投入使用，常年每日24 h連續(xù)采集流量信息，每次采集間隔5 min，施測歷時(shí)100 s。由于水流脈動(dòng)性，采集的流速數(shù)據(jù)系列為鋸齒波，致使流量過程為鋸齒波，與水位過程線不太相應(yīng)。目前，聲學(xué)多普勒流速儀分為走航式和定點(diǎn)式兩大類，《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》中對定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀流量測驗(yàn)第5.2.2流量測驗(yàn)相關(guān)關(guān)系的建立與使用應(yīng)符合下列規(guī)定：第2條：斷面平均流速可用流速儀精測法或走航式聲學(xué)多普勒流速儀（簡稱走航式ADCP）測量?！堵晫W(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》對走航式聲學(xué)多普勒流速儀流量測驗(yàn)第4.3.1流量相對穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行兩個(gè)測回?cái)嗝媪髁繙y量，取均值作為實(shí)測流量值[1]。

南寧站定點(diǎn)式ADCP與走航式ADCP進(jìn)行斷面平均流速比測，建立斷面平均流速相關(guān)關(guān)系。因此，南寧站定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀的流量系列按照走航式聲學(xué)多普勒流速儀流量測驗(yàn)的要求，取2個(gè)采集流量值作為一個(gè)測回，按兩個(gè)測回取4個(gè)采集流量值，取均值作為實(shí)測流量值。以前，南寧站定點(diǎn)式ADCP流量整編，摘錄的逐時(shí)流量是采用沒經(jīng)過平滑技術(shù)處理的原瞬時(shí)流量，致使流量過程呈鋸齒波，欠缺合理性。采用移動(dòng)平均法進(jìn)行定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速平滑技術(shù)處理，平滑流速脈動(dòng)性，也就是對定點(diǎn)式ADCP流量進(jìn)行流量平滑技術(shù)處理，消除了原瞬時(shí)流量鋸齒波，使之更合理。

1 基本依據(jù)

1.1 簡單移動(dòng)平均法

簡單移動(dòng)平均法是指對由移動(dòng)期數(shù)的連續(xù)移動(dòng)所形成的各組數(shù)據(jù)，使用算術(shù)平均法計(jì)算各組數(shù)據(jù)的移動(dòng)平均值，并將其作為下一期預(yù)測值[2]。

簡單移動(dòng)平均法是一種改良的算術(shù)平均法，是一種用作處理鋸齒波的平滑方法。

南寧站定點(diǎn)式ADCP流量數(shù)據(jù)相應(yīng)時(shí)間序列的時(shí)距相等，故采用簡單移動(dòng)平均法進(jìn)行定點(diǎn)式AD?CP流量平滑技術(shù)處理。

1.2 簡單移動(dòng)平均法表達(dá)式：

式中：Qt——移動(dòng)平均時(shí)期的平滑計(jì)算值，m3/s；

Vi——定點(diǎn)式ADCP斷面平均流速，m/s；

Ai——定點(diǎn)式ADCP監(jiān)測斷面面積，m2；

n——移動(dòng)平均時(shí)期的時(shí)期個(gè)數(shù)。n=2，3，4……m；

i=0、1、2、3……m。

2 斷面流量計(jì)算

2.1 流量移動(dòng)平均時(shí)期的優(yōu)選

南寧站定點(diǎn)式ADCP與走航式ADCP進(jìn)行斷面平均流速比測，建立斷面平均流速相關(guān)關(guān)系。流量移動(dòng)平均時(shí)期則以走航式ADCP兩個(gè)測回?cái)嗝媪髁肯鄬?yīng)的4個(gè)定點(diǎn)式ADCP采集流量段為流量移動(dòng)平均時(shí)期，即n=4。由（1）式得其表達(dá)式：

式中：Qt——定點(diǎn)式ADCP流量移動(dòng)平均相應(yīng)時(shí)間t時(shí)的流量，m3/s；

qi——定點(diǎn)式ADCP在t時(shí)間采集流量系列的相應(yīng)流量，m3/s；

2.2 定點(diǎn)式ADCP平滑指標(biāo)流速KC計(jì)算

對定點(diǎn)式ADCP流量數(shù)據(jù)平滑處理，主要是對定點(diǎn)式ADCP的斷面平均流速平滑處理，而定點(diǎn)式ADCP的斷面平均流速通過與定點(diǎn)式ADCP的指標(biāo)流速建立相關(guān)關(guān)系，是對定點(diǎn)式ADCP的指標(biāo)流速平滑處理得平滑指標(biāo)流速KC。因此，由（2）式得：

式中：KC——定點(diǎn)式ADCP平滑指標(biāo)流速，m/s；

Kt——定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速，m/s。

2.3 進(jìn)行定點(diǎn)式ADCP平滑指標(biāo)流速KC計(jì)算

按（3）式進(jìn)行定點(diǎn)式ADCP平滑指標(biāo)流速KC（見表1）。

表1 南寧站2014年6月4日9～13時(shí)定點(diǎn)式ADCP平滑指標(biāo)流速計(jì)算表 m/s

3 南寧站定點(diǎn)式ADCP流量平滑計(jì)算

3.1 南寧站定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速平滑計(jì)算

（1）確定定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速采集時(shí)間。南寧站定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速Kt的每次采集間隔時(shí)間是根據(jù)走航式ADCP一個(gè)測回間隔的平均時(shí)間而定，走航式ADCP一個(gè)測回間隔的平均時(shí)間5～6 min。因此，南寧站定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速Kt的每次采集間隔時(shí)間為5 min。

（2）整理定點(diǎn)式ADCP采集的指標(biāo)流速連續(xù)性。對于全年完整的定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速系列，在年頭0時(shí)前加入2個(gè)指標(biāo)流速數(shù)據(jù)，即0時(shí)前5 min、10 min的指標(biāo)流速數(shù)據(jù)；在年尾24時(shí)后加入1個(gè)指標(biāo)流速數(shù)據(jù)，即下年0時(shí)后5分鐘的指標(biāo)流速數(shù)據(jù)。對于一年內(nèi)分為幾段指標(biāo)流速數(shù)據(jù)，將按實(shí)際段次分別整理。

按（3）式：KC=（Ki-2+Ki-1+Ki+Ki+1）/4定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速平滑計(jì)算。

3.2 南寧站定點(diǎn)式ADCP斷面平均流速計(jì)算

南寧站定點(diǎn)式ADCP與走航式ADCP進(jìn)行斷面平均流速比測率定得關(guān)系式：

式中：VC——定點(diǎn)式ADCP斷面平均流速，m/s；

KC——定點(diǎn)式ADCP平滑指標(biāo)流速，m/s；

Hi——與定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速Kt相對應(yīng)的水位，m；

b1、b2、b3均為斷面平均流速比測率定系數(shù)。

按（4）式進(jìn)行南寧站定點(diǎn)式ADCP斷面平均流速VC計(jì)算（見表1）。

3.3 南寧站定點(diǎn)式ADCP流量Qc平滑計(jì)算

根據(jù)南寧站定點(diǎn)式ADCP監(jiān)測實(shí)測大斷面水位Hi面積Ai的數(shù)據(jù)建立南寧站Hi～Ai關(guān)系線，并用二次函數(shù)模擬斷面面積公式：

式中：Ai——定點(diǎn)式ADCP監(jiān)測斷面面積，m2；

Hi——與定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速Kt相對應(yīng)的水位，m；

a1、a2、a3均為常數(shù)。

按（5）式進(jìn)行南寧站定點(diǎn)式ADCP監(jiān)測斷面面積AC計(jì)算（見表2）。其中，水位Hi數(shù)據(jù)是以在水位臺的固態(tài)水位數(shù)據(jù)，以每5 min采集的水位Hi數(shù)據(jù)作為計(jì)算水位Hi。

南寧站定點(diǎn)式ADCP流量Qc計(jì)算，按流量計(jì)算公式：

式中：Qt——定點(diǎn)式ADCP移動(dòng)平均時(shí)期的流量，m3/s；

Vi——定點(diǎn)式ADCP斷面平均流速，m/s。

南寧站定點(diǎn)式ADCP流量平滑計(jì)算，是在通過平滑指標(biāo)流速計(jì)算后，再進(jìn)行流量平滑計(jì)算的（見表2）。

從南寧站2014年6月4日9～13時(shí)定點(diǎn)式AD?CP非平滑與平滑流量過程線對比（見圖2）看到，經(jīng)對南寧站定點(diǎn)式ADCP指標(biāo)流速KC平滑處理后，定點(diǎn)式ADCP流量過程線與水位過程線基本相應(yīng)。

圖1 南寧站定點(diǎn)式ADCP斷面平均流速對比過程線

表2 南寧站2014年6月4日9～13時(shí)定點(diǎn)式ADCP流量平滑計(jì)算表

4 南寧站定點(diǎn)式ADCP平滑流量誤差分析

從南寧站2012年6～12月定點(diǎn)式ADCP平滑流量誤差統(tǒng)計(jì)表（見表3）可看出，月平均誤差S≦0.01%，最大誤差SD≦±4.92%，小于±5.00%為100%，完全符合定點(diǎn)式ADCP流量整編規(guī)范要求。

圖2 南寧站定點(diǎn)式ADCP流量對比過程線

表3 南寧站2012年6～12月定點(diǎn)式ADCP流量平滑的流量誤差統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語

采用簡單移動(dòng)平均法進(jìn)行南寧站定點(diǎn)式ADCP流量平滑處理，能消除因水流脈動(dòng)而造成流量過程的鋸齒波，比沒經(jīng)過平滑處理的原瞬時(shí)流量更加合理。南寧站以簡單移動(dòng)平均法n=4作移動(dòng)平均時(shí)期進(jìn)行定點(diǎn)式ADCP流量平滑計(jì)算，是結(jié)合南寧站走航式ADCP的2個(gè)測回所得4個(gè)校測流量作采用移動(dòng)平均法的技術(shù)要求，對定點(diǎn)式ADCP流量的脈動(dòng)波技術(shù)平滑。

南寧站定點(diǎn)式ADCP從2013年采用簡單移動(dòng)平均法進(jìn)行流量平滑處理，已應(yīng)用于流量整編，其整編成果符合流量整編規(guī)范要求。

簡單移動(dòng)平均法進(jìn)行定點(diǎn)式ADCP流量平滑計(jì)算可通過編程完成，只輸入指標(biāo)流速、水位數(shù)據(jù)系列，把率定的斷面平均流速公式、斷面面積公式編入即可，操作簡單快捷。

[1]SL337-2006，聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范[S].

[2] 百度網(wǎng)百科，理學(xué)：簡單移動(dòng)平均法概述[BP]http://baike.baidu.com/view/4367280.htm，2015-05-30.

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Flow measured with H-ADCP and smoothing by moving average method at Nanning Hydrological Station

LI Wei-juan,WEI Guang-long
（Nanning Hydrology and Water Resources Bureau，Nanning 530001,China）

At Nanning Hydrological Station,smoothing of the flow data collected with H-ADCP was conducted by simple moving average method.Compared with the hydrograph of original instantaneous flow,the smoothed hydro?graph corresponds to the water level change;the sawtooth wave of original hydrograph is eliminated and the flow da?ta is more rational.

Moving average method;horizontal acoustic Doppler current profiler（H-ADCP）;smoothing of flow da?ta;Nanning Hydrological Station

P333

B

1003-1510（2016）02-0022-04

2016-01-06

李偉娟（1974-），女，廣西靈川人，廣西水文水資源局南寧水文站助理工程師，學(xué)士，主要從事水文水資源勘測工作。