曹小潔， 張永兵

(1.江蘇南水科技有限公司， 江蘇 南京 210012； 2.水利部南京水利水文自動化研究所， 江蘇 南京 210012)

水文監(jiān)測項目中，流量測量一直是水文監(jiān)測的重要任務之一。以往的測流方法包括人工船測量、浮標測量、纜道測量等，測量結果雖然準確但耗時耗力，實時性不高，隨著水利現(xiàn)代化建設的不斷推進，傳統(tǒng)的儀器和方法已無法完全滿足新時代信息平臺的需求，更多的新技術、更多的新設備被引進。在近幾年國內引進的測流新設備中，水平聲學多普勒剖面流速儀(H-ADCP)應用最為廣泛，它利用多普勒效應原理進行流速測量，通過測量斷面部分層流速進而推算得到斷面流量。但由于H-ADCP安裝位置、水上漂浮物、行船等因素會對測流有影響，后期需要對測量斷面回波強度的衰減率、單元流速的跳變量、相鄰測次流速的變化率等數(shù)據(jù)進行分析，再結合預定的閾值對每組H-ADCP的測流數(shù)據(jù)評估出量化的數(shù)據(jù)質量指標，進而得到有效的指標流速與人工實測流量數(shù)據(jù)進行比測，通過回歸分析方法不斷計算優(yōu)化指標流速關系，再通過優(yōu)化后的關系式重新計算歷史流量數(shù)據(jù)，最終提高測流精度，為水文資料整編提供更為準確的流量數(shù)據(jù)[1-3]。

為滿足水文資料的測驗和整編以及應用中的實際需要，需要設計一款集原始數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)質量分析評估、流速關系率定分析以及流量計算的H-ADCP流量后處理軟件[4]。

1 需求分析

1.1 功能需求

H-ADCP流量數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)需具有以下幾方面功能：

(1)H-ADCP原始數(shù)據(jù)的實時分析過濾和處理。

(2)指標流速、斷面平均流速的計算。

(3)斷面面積、斷面流量的計算。

(4)對預定的閾值進行可疑數(shù)據(jù)的篩選。

(5)測站參數(shù)的配置，斷面數(shù)據(jù)導入和編輯，關系式的添加和編輯。

(6)歷史測流數(shù)據(jù)的檢索。

(7)水位過程線、流速過程線、流量過程線。

(8)每組測流數(shù)據(jù)的回波強度分布圖及流速向量分布圖。

(9)指標流速關系式的回歸分析并進行曲線擬合。

(10)標準報表的導出。

1.2 可靠性需求

由于本系統(tǒng)運行在 Web 服務器上，實時24 h原始數(shù)據(jù)解析和H-ADCP 所有數(shù)據(jù)實時分析查詢功能，要求本系統(tǒng)能 24 h連續(xù)不間斷運行，因此本系統(tǒng)應運行穩(wěn)定可靠，并具有運行出錯處理機制，以保證系統(tǒng)能正常運行。

2 設計框架

在需求分析的基礎上，將系統(tǒng)整體結構劃分為H-ADCP原始數(shù)據(jù)解析軟件和H-ADCP流量后處理軟件。

H-ADCP原始數(shù)據(jù)解析軟件由C/S模式開發(fā)用以實時解析H-ADCP的原始數(shù)據(jù)以及計算指標流速、斷面面積和流量等功能。

H-ADCP流量后處理軟件由B/S模式開發(fā)包含數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、關系式率定、參數(shù)配置、報表查詢5個模塊。數(shù)據(jù)查詢包含測站的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析包含流速分析處理、圖形分析處理、流量成果管理等，關系式率定用來擬合H-ADCP指標流速和人工實測流速的關系式，參數(shù)配置包含測站信息管理、測站參數(shù)管理、用戶管理，報表查詢包含逐日流量年報表、逐日水位年報表、導出南方片格式。

本系統(tǒng)使用C/S和B/S結合開發(fā)，可連接多種類型數(shù)據(jù)庫，如SqlServer、MySql等。設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

3 功能實現(xiàn)

3.1 H-ADCP原始數(shù)據(jù)解析軟件

實時對H-ADCP原始報文數(shù)據(jù)進行分析處理，解析出報文內的單元流速、回波強度等參數(shù)數(shù)據(jù)，過濾掉無效的單元流速數(shù)據(jù)，再根據(jù)配置的計算范圍計算指標流速，根據(jù)關系式計算出斷面平均流速，根據(jù)大斷面數(shù)據(jù)和水位計算斷面面積，最后計算流量，此功能還包含實時日志查看、解析失敗查詢、參數(shù)配置、測站管理、流量重計算功能。

3.2 H-ADCP流量后處理軟件

3.2.1 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢功能默認顯示所有測站最新一條數(shù)據(jù)，包含水位、指標流速、平均流速、實測流速、計算流量、實測流量、最后通訊時間等數(shù)據(jù)，點擊水位可查詢歷史數(shù)據(jù)和過程圖。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

(1)流速分析處理

根據(jù)時間查詢解析后的原始報文如時間、水位、單元數(shù)量、單元長度、橫搖、縱擺、X向平均流速、Y向平均流速、回波最大變幅、波差等數(shù)據(jù)。頁面會根據(jù)設定好的閥值顯示可疑數(shù)據(jù)列表，并用黃色標識整行數(shù)據(jù)用于提示。點擊數(shù)據(jù)詳細按鈕可查看每個單元格的數(shù)據(jù)信息以及流速分布圖和回波強度趨勢圖，用戶可根據(jù)以上提示的信息自行選擇是否剔除數(shù)據(jù)。

(2)圖形分析處理

頁面按小時來顯示數(shù)據(jù)，如發(fā)報間隔是10 min，所以這里是每小時6條線，如果線重疊在一起表示數(shù)據(jù)大致趨勢是正常，如果有哪條突出的判斷當時是否流過漂浮物或者其它原因，可根據(jù)具體情況判斷是否要剔除此條數(shù)據(jù)。

(3)流量成果管理

經(jīng)過流速或者圖形分析處理過后，如果更改關系式后可以在這里重新計算任意時間段的流量并保存數(shù)據(jù)，后面的報表導出可以使用此處保存過后的數(shù)據(jù)生成。

3.2.3 關系式率定

實測的流速通常只能作為推算斷面平均流速的中間環(huán)節(jié), 而其相關性需要較長系列的實測資料進行對比率定。關系率定功能是整個軟件的核心之處，一般測站至少每年率定1次，操作需要按規(guī)定的步驟執(zhí)行。

軟件可同時擬合多種類型的回歸分析公式，如一元線性、二元線性、二次多項式、指函數(shù)、冪函數(shù)等，并計算相對誤差、標準差、相關系數(shù)、系統(tǒng)偏差、隨機不確定度，同時還進行三線檢驗并在頁面上顯示檢驗結果?；貧w方程函數(shù)關系見表1。

表1 回歸方程函數(shù)關系

根據(jù)分析后的結果和定線圖判斷是否滿足要求，如不滿足要求，需要剔除一部分數(shù)據(jù)，然后重新擬合關系式，以此循環(huán)直至得到合適的關系式。剔除數(shù)據(jù)可通過設定條件自動剔除數(shù)據(jù)，也可點擊列表數(shù)據(jù)或定線圖上的點來選擇手動剔除數(shù)據(jù)。直到所有指標值都在水文測流規(guī)范的范圍內，所顯示的公式才符合要求。

3.2.4 系統(tǒng)配置

(1)測站信息管理：添加、編輯、刪除測站的基本信息。

(2)測站參數(shù)管理：可編輯測站相關H-ADCP的配置參數(shù)、測站的斷面數(shù)據(jù)、測站的關系式數(shù)據(jù)。

(3)用戶權限管理：添加和編輯用戶，并賦予用戶操作權限。

3.2.5 報表查詢

(1)逐日流量年報表：選擇時間可查詢單站的流量年報表，并可按規(guī)范導出Excel。

(2)逐日水位年報表：選擇時間可查詢單站的水位年報表，并可按規(guī)范導出Excel。

(3)南方片格式導出：選擇時間和參數(shù)可導出南方片整編軟件格式的txt文件。

3.3 數(shù)據(jù)庫設計

3.3.1 數(shù)據(jù)庫設計依據(jù)

H-ADCP率定軟件可不連接數(shù)據(jù)庫進行率定，也可以連接監(jiān)測數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)進行率定。監(jiān)測數(shù)據(jù)庫設計主要依據(jù)《實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結構與標識符標準》(SL323—2011)執(zhí)行。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫內容設計

(1)站點信息數(shù)據(jù)：存儲已建H-ADCP站的站點信息，包含站號、站名、ADCP單元數(shù)、盲區(qū)等信息。

(2)原始數(shù)據(jù)：存儲H-ADCP解析后的所有單元格里的具體實測數(shù)據(jù)，如單元長度、單元數(shù)量、X向流速、Y向回波強度等。

(3)水情數(shù)據(jù)：存儲測站上傳的實時水位、流速、流量數(shù)據(jù)。

(4)斷面數(shù)據(jù)：存儲測站實測的大斷面的數(shù)據(jù)，用于計算斷面面積和流量。

4 應用實例

2017年11月，流量數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)首次在福建中小河項目中試運行，5個區(qū)一共15個H-ADCP監(jiān)測站接入系統(tǒng)，運行初期設備上傳的流量數(shù)據(jù)與實際測流的數(shù)據(jù)相差較大，經(jīng)過流量后處理軟件的分析，發(fā)現(xiàn)一些H-ADCP監(jiān)測站回波強度最大變幅值超標，再經(jīng)過歷史數(shù)據(jù)篩查，發(fā)現(xiàn)多組測流數(shù)據(jù)的回波強度曲線波形跳動厲害，顯示河底有多個障礙物，大大影響了測流的精度?；夭◤姸仁侵嘎晫W脈沖被水中懸浮物質反射回來的信號大小,會隨著反射聲波被吸收。正常情況下，回波強度曲線應該隨距離呈緩慢下降的趨勢，如果長時間回波強度的曲線中間出現(xiàn)同一位置的跳躍，說明河底有障礙物，再經(jīng)過人工勘察到一些H-ADCP安裝地點多是山區(qū)，有時暴雨沖刷后，一些地勢高的地方小巖石會隨著河水流到下流，造成了河底障礙物的慢慢堆起，隨后項目組提出相應的方案，如河底清理或者更換H-ADCP安裝位置。

2019年3月，流量數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)在太湖預警項目中投入運行，軟件通過對ADCP橫搖縱擺、回波圖、流速向量圖等原始數(shù)據(jù)的解析及智能分析，協(xié)助安裝人員現(xiàn)場及時確定安裝位置及流速計算參數(shù)，保證了現(xiàn)場設備的可靠安裝。在設備比測率定過程中，軟件可自動調取歷史指標流速，結合實時人工測流數(shù)據(jù)，完成設備的比測率定，并能根據(jù)更新后的率定關系進行資料整編。經(jīng)過近一年的運行，軟件運行穩(wěn)定、響應快速、操作便捷、維護方便、數(shù)據(jù)安全可靠，在設備安裝、率定、后期維護、數(shù)據(jù)整編等方面提供有力支撐，有效保證了設備的可靠運行。

5 結 語

H-ADCP流量數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)能夠及時有效地分析和展示觀測區(qū)域內所有H-ADCP測站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供用戶多種數(shù)據(jù)形式來判斷流速數(shù)據(jù)的可靠性，再通過人工流速和指標流速進行比測，使用回歸分析方法不斷計算優(yōu)化指標流速關系，最后計算出精確的流量數(shù)據(jù)。隨著H-ADCP的廣泛應用，本系統(tǒng)已投入到多個項目中運行，如太湖預警項目、福建省中小河流項目，運行效果良好，對其測量數(shù)據(jù)的質量評估和流量計算的精度提高起到了非常重要的作用。