黃 幸

（西安理工大學水利水電學院，陜西 西安710048）

隨著科技的快速發(fā)展，水文監(jiān)測現(xiàn)代化日漸凸顯，水平聲學多普勒流速剖面儀（水平式ADCP）由于能實時監(jiān)測水下水平層的流速分布，已在水文行業(yè)得到了廣泛推進，近年來已應(yīng)用于復雜環(huán)境或受水利工程影響的大江大河的流量在線監(jiān)測［1-2］。水平式ADCP流量測流原理是將換能器探頭固定水平安裝在水面下某一水深處，根據(jù)反射回來的聲波頻率大小計算出各層水流流速，建立穩(wěn)定的水平層流速與斷面平均流速的關(guān)系以進行流量推求［3］。

水平式ADCP流量測驗誤差來源主要有流速脈動引起的流速測量誤差和橫向流速實測區(qū)間的代表性誤差［4］。針對安裝方式、數(shù)據(jù)分析及關(guān)系線擬合等方面提高流量精度，前人做了大量的研究。魏偉從支臂式、軌道式的安裝方式優(yōu)缺點做了分析［5］，但未涉及如何減小換能器探頭在水流沖擊力作用下振動而產(chǎn)生流速脈動誤差分析；杜興強、沈健、樊銘哲通過調(diào)整儀器換能器安裝位置的改進方案獲取了更好的流速代表性［6］，表明儀器安裝的高度對橫向流速區(qū)間的代表性有影響；陳金浩、黃士穩(wěn)、呂耀光分析了儀器使用中各個環(huán)節(jié)的誤差來源及應(yīng)用難點［7］；徐剛等利用小波分析理論對水平式ADCP監(jiān)測數(shù)據(jù)的奇異點進行剔除、降噪處理，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理指標流速與斷面平均流速關(guān)系［8］；袁德忠等分析比較了支持向量回歸、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、極限學習機模型對單元格代表流速與斷面平均流速關(guān)系的擬合精度［9］；黃士穩(wěn)等分析了水平式ADCP受含沙量的影響測流距離縮短現(xiàn)象，提出來分段定線推流方法。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，從換能器探頭靜水裝置減小脈動誤差、水平式ADCP回波強度選取穩(wěn)定的代表單元格流速、Matlab小波剔除突變點、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和代表流速法擬合曲線等方面進行研究。

1 儀器物理安裝和數(shù)據(jù)分析

1.1 換能器探頭靜水裝置減小脈動誤差

水平式ADCP換能器在水流的沖擊力下會產(chǎn)生振動，引起的隨機誤差疊加到測量數(shù)據(jù)中使得測速數(shù)據(jù)的誤差增大［10］。為防止水流沖擊力對換能器產(chǎn)生振動而研制了加蓋防浪靜水裝置，其結(jié)構(gòu)及功能說明如下。將不銹鋼桶里面焊接3根呈丁字形分布的槽鋼，用于水平放置水平式ADCP換能器。不銹鋼桶底部做一進水弧形開口，其方向垂直于水流方向見圖1（a），在斷面合適位置進行鋼筋混凝土的澆筑安裝。將5根帶有PE塑膠滑輪的不銹鋼鋼管固定在儀器換能器上，其中4根鋼管在同一平面上，另一根垂直于該平面。將換能器滑輪各自卡在槽鋼中滑動到不銹鋼桶底部以確保換能器水平安放，換能器探頭方向應(yīng)面向進水弧形開口見圖1（b）。此裝置避免了水流直接沖擊換能器，減小了儀器振動帶來的誤差。由于滑輪的作用，檢修清洗儀器時可以將換能器上下滑動取出，方便快捷，能達到提高儀器物理性精度的目的。

圖1 水平式ADCP加蓋防浪靜水裝置安裝示意圖

1.2 橫向流速實測區(qū)間的代表流速選取

由于水平式ADCP換能器的波束受到水流紊亂如旋渦、水下障礙物、含沙量大等因素的干擾，回波強度常出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象。通過Q-Moniter-H（流量通）［11］軟件回放如圖2所示，其中0～3 m左右的回波為數(shù)據(jù)盲區(qū)，104 m～190 m的回波受到來自對岸的強反射而發(fā)生紊亂。可選取5 m～103 m回波穩(wěn)定、流速紊動較小的水平層流速作為橫向?qū)崪y區(qū)間的代表流速。

圖2 水平式ADCP回波信號圖

1.3 Matlab小波工具箱閾值剔除突變點

水平式ADCP采集的數(shù)據(jù)因受水平層水流紊亂、過往船只、水中含沙量等影響，會產(chǎn)生突變點數(shù)據(jù)。為提高數(shù)據(jù)擬合精度，可利用Matlab小波工具箱閾值去噪處理對無效數(shù)據(jù)進行剔除。小波閾值去噪的理論依據(jù)為小波多層分解后的信號小波系數(shù)幅值要大于噪聲的系數(shù)幅值。具體處理過程是使用一維信號模型設(shè)置一個閾值，大于該閾值的小波系數(shù)為有用信號進行收縮和保留，小于該閾值的小波系數(shù)為噪聲予以剔除，由此實現(xiàn)去噪效果。去噪流程圖見圖3。

圖3 小波閾值去噪流程圖

基于Matlab閾值去噪應(yīng)用較多［12-13］，一般應(yīng)用為通過對含噪數(shù)據(jù)進行多層小波分解得到分解系數(shù)，設(shè)置適當?shù)闹底鳛殚撝?，選擇硬閾值函數(shù)或軟閾值函數(shù)處理。硬閾值函數(shù)法是將信號的絕對值與閾值比較，小于閾值的點置為零，其余不變。軟閾值函數(shù)法是將信號的絕對值與閾值比較，大于或等于閾值的點向零收縮，變?yōu)樵擖c值與閾值之差。

1.4 擬合方案

1.4.1 代表流速法

代表流速法是一種根據(jù)斷面代表流速與流速儀法或走航式ADCP測得的斷面流速建立相關(guān)關(guān)系的方法，其中斷面代表流速為水平式ADCP穩(wěn)定水平層的全部或部分單元格流速的算術(shù)平均值。

代表流速法的推流過程為：①根據(jù)水平式ADCP斷面代表流速和流速儀法或走航式ADCP測得的斷面流速建立相關(guān)關(guān)系；②根據(jù)水位數(shù)據(jù)和大斷面資料推求出斷面過水面積；③根據(jù)斷面代表流速和斷面過水面積完成斷面流量的推求。

斷面流量計算的基本公式如下所示：

1.4.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation）是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ柧毜亩鄬忧梆伨W(wǎng)絡(luò)，具有優(yōu)良的分裂能力和多維函數(shù)映射能力，其本質(zhì)是將網(wǎng)絡(luò)誤差平方作為目標函數(shù)，采用梯度下降法計算目標函數(shù)的最小值［14-15］。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層、輸出層三層結(jié)構(gòu)組成。輸入的信息通過輸入層向隱含層逐層傳播，最終傳到輸出層并計算出均方差和相關(guān)系數(shù)。輸出結(jié)果之前判斷是否滿足期望，滿足期望輸出結(jié)果，否則誤差將按原路反向傳播，逐層計算誤差對各神經(jīng)元權(quán)重值的偏導數(shù)，重復正向反向傳播，直至誤差滿足期望后結(jié)束BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖4。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖

2 實例分析

以北碚水文站的水平式ADCP流量在線監(jiān)測設(shè)備為分析對象進行儀器物理安裝和數(shù)據(jù)分析。此站為一類精度站，測站特性為河道平坦順直、斷面較穩(wěn)定，中低水的水位流量關(guān)系受長江三峽電站和上游14 km左右草街電站蓄放水影響關(guān)系較紊亂，高水的水位流量關(guān)系呈繩套線型。流量在線監(jiān)測設(shè)備為ChannelMaster型水平式ADCP，系統(tǒng)頻率為300 kHz，單元數(shù)為1～128，單元尺寸為2 m，監(jiān)測頻率為15 min/次。采用圖1的靜水裝置固定安裝在圖5所示的河道左岸斷面線上，儀器探頭縱橫搖角度為0°，同時采用流速儀法和遙控船ADCP所測數(shù)據(jù)進行比測。

圖5 北碚水文站大斷面與水平式ADCP安裝示意

2.1 代表流速單元格段選取和突變點數(shù)據(jù)分析

選取2017年1月～2019年8月共210測次的流速儀斷面平均流速，與同時期的水平式ADCP不同單元格的代表流速作為樣本數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，水平式ADCP在2017年09月11日5：00～12日01：30、2018年06月28日02：00～12：00、2018年07月11日16：10～07月14日21：00，2018年07月15日03：05～17日13：00時間內(nèi)代表流速區(qū)間的流速棒紊亂，造成數(shù)據(jù)失真，應(yīng)予剔除。剔除數(shù)據(jù)如圖6區(qū)域1所示，該區(qū)域?qū)?yīng)的含沙量范圍為1.58 kg/m3～3.23 kg/m3。由此可知，該水平式ADCP儀器能在該站正常使用的含沙量范圍為小于1.58 kg/m3。在實際工作中應(yīng)密切注意沙情變化，以便及時恢復流速儀測流。圖6區(qū)域2、區(qū)域3為離散程度較大的點，說明其對應(yīng)單元格段的算術(shù)平均流速不宜作為代表流速使用。再通過Q-Moniter-H（流量通）［10］軟件回放水平式ADCP數(shù)據(jù)綜合判定，可認為4～8單元格段（離儀器距離9.40 m～19.40 m）流速分布均勻，回波信號穩(wěn)定、流速紊動較小，可作為水平式ADCP的代表流速。

圖6 代表流速與斷面平均流速關(guān)系

然后用Matlab小波工具箱閾值去噪剔除水平式ADCP（4～8）單元格段中的突變點數(shù)據(jù)見圖7。

圖7 Ma tla b小波工具箱去噪圖

2.2 代表流速與斷面平均流速關(guān)系擬合評定

采用代表流速法擬合關(guān)系線見圖8，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法擬合關(guān)系線見圖9，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合殘差見圖10。擬合關(guān)系線定線精度見表1。

圖8 代表流速法擬合關(guān)系圖

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合關(guān)系圖

圖10 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)殘差圖

表1 4～8單元格段不同方法擬合精度表

根據(jù)水文整編規(guī)范要求，穩(wěn)定關(guān)系線的系統(tǒng)誤差和隨機不確定度應(yīng)滿足規(guī)范定線精度要求見表2。表2可作為本文關(guān)系線擬合的評定指標。

表2 定線精度指標表［16］

表1中代表流速法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的定線精度指標均滿足表2的規(guī)定，其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的一元二次關(guān)系擬合精度指標最佳，公式為y=-0.026x2+1.1x+0.0039。

2.3 成果驗證

采用2020年37測次流速儀法斷面平均流速與同時期水平式ADCP（4～8）單元格段代表流速為驗證樣本見圖11。樣本水位范圍為192.95 m～189.99 m；含沙量范圍為0.5 kg/m3～2.21 kg/m3。

序號1～4的相對誤差為11.81%～33.66%、序號6的相對誤差為22.82%、序號8～9的相對誤差為-19.19%～30.38%、序號32～34的相對誤差-14.81%～31.98%。其余序號誤差均符合規(guī)范要求。

圖11 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一元二次關(guān)系精度驗證圖

圖11 的誤差超限原因分析如下：①序號1～4、6、8～9對應(yīng)水位范圍172.95 m～175.47 m，水位較低，含沙量很小，主要受上游草街水利樞紐蓄放水影響，水位過程線鋸齒嚴重，水位漲落變化快。流速儀法每測次時間約1.1 h左右，測驗時間過長，水位漲落造成測次斷面平均流速偏大或偏小。相比之下，水平式ADCP間隔15 min采集的單元格段代表流速數(shù)據(jù)更準確，可用遙控船走航ADCP（一般5 min～10 min一個測回）進行低水比測，再分段擬合低水部分關(guān)系。②序號32～34受含沙量影響，水平式ADCP部分數(shù)據(jù)失真。③中高水段誤差較小，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)北碚站水平式ADCP儀器靜水裝置的物理安裝方法、水平式ADCP無效數(shù)據(jù)綜合評判剔除、選取單元格段代表流速與流速儀法斷面平均流速，采用代表流速法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型擬合關(guān)系線。通過驗證檢驗，結(jié)果表明：

（1）儀器靜水裝置及安裝方法能有效地防止水流直接沖擊水平式ADCP換能器，減小振動和數(shù)據(jù)脈動誤差。換能器在滑輪的作用下能上下滑動，維護清洗方便，可推廣。

（2）Matlab小波工具箱突變點分析剔除簡單有效。剔除突變點后的數(shù)據(jù)擬合關(guān)系線的精度有所提高。

（3）水平式ADCP換能器受高水高沙影響，當超過某沙量級的含沙量后采集數(shù)據(jù)有可能失真，應(yīng)分析其使用范圍。

（4）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對關(guān)系線的擬合比代表流速法好。

（5）對受水利工程影響的站點，低水部分受電站蓄放水影響使水位過程線鋸齒嚴重，可用遙控船走航式ADCP法代替流速儀法比測，再分段分析關(guān)系線。