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
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。
1.1 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。
2.1 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
3.1 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
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
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。