封一波 武宜壮 胡菲菲 殷怀进 胡必要

（江苏省水文水资源勘测局连云港分局 连云港 222004 ）

1 引言

天然河道断面流量是水文监测的重要水文要素，实现天然河道流量自动监测是水文测报现代化需要探索的重要领域之一。江苏省水文水资源勘测局连云港分局在小许庄水文站基于利用坐底式安装的单波束流速传感器（ADCP），基于二线能坡原理为基础的水力学模型，成功在小许庄水文站建成一套断面流量自动监测系统。通过实际应用和分析，目前小庄水文站的流量的测验任务达到实时在线监测，实现了水文站“无人值守、自动测报、网络整编”的目标。

2 测站基本情况

小许庄水文站位于淮河流域沭河水系蔷薇河上游，为省级重要水文站。该站测验河段顺直段长度约1000m，断面总宽约200m，在水位超过4.00m左右开始漫滩，两岸滩地宽共约130m左右，河道冲淤变化较小，基本稳定。为通航河道。小许庄水文站断面见图1。

3 自动测流系统设计安装

3.1 系统结构

流量实时在线监测系统总体结构设计分成四层，分别是信息采集层、数据集成层、数据存储层、应用层。其中信息采集层在监测点；数据集成、数据存储层、应用层放在信息中心。结构设计见图2。

3.2 流速传感器的安装

该系统采用两台多普勒流速传感器（单波束ADCP），分别坐底式安装在起点距73m、105m河底处。实时监测两条垂线的流速分布，为实现断面流量自动监测提供计算依据。

3.3 流量模型基本原理

本文提出的基于二线能坡原理流量自动监测技术，是以描述天然河道非恒定流的曼宁公式为基础，通过实时监测河道断面两条垂线的流速分布，实现流量在线监测。即通过两条实测垂线流速求出能坡参数后，把原来断面中实测n条垂线流速变成计算n条垂线流速的方法，再利用部分流速—面积法计算断面流量。

该方法的优点是不需要长期对比观测建立率定关系，通过有代表性的流量测次进行模型参数优化，就能够保证系统的实时在线运行，适用于受洪水涨落、变动回水影响下的河道流量在线监测，为天然河道水量自动监测提供一种可行的选择方案。

4 应用与分析

4.1 系统运行状况

系统自2017年12月建成运行至今，连续采集到时间间隔5min的流量数据，通过与流速仪常规流量测验获得的部分实测流量数据进行模型参数优化后，系统运行状态稳定，与人工常规流量测验成果变化趋势一致，效果良好。实时流量过程与人工流量监测成果对比见图3。

图1 小许庄水文站实测大断面图

图2 小许庄水文站流量自动监测系统结构设计图

图3 小许庄水文站水位流量过程线图

图4 实测流量与自动测流流量关系图

表1 关系线三种检验结果统计表

4.2 对比资料收集

流量自动监测系统自2017年12月建成至2018年9月，共完成人工流速仪法测流200次，经分析，舍弃7次（主要受行船及断面其他不确定因素影响较大的测次）；对比分析采用193次实测数据，其中，实测最大流量75.1m3/s、实测最小流量6.24m3/s。据此与同期自动流量监测数据进行对比分析。

理论上，该方法的监测流量就是断面流量，因此自动监测数据与人工监测数据应该相等（即两者的相关关系应在45°线上），由于人工测验存在一定随机误差，自动流量参数优化及模型计算也有一定的误差，因此，人工流量与自动流量应该是紧密分布在45°线附近、没有明显的系统误差。见图4。

4.3 拟合精度分析

自动流量系统是否满足应用要求，需要通过行业规范相关规定，对其精度进行量化指标检验分析。

根据《水文资料整编规范》（SL 247-2012）（以下简称《规范》）单一曲线相关线精度指标要求，依据收集到的193次实测流量与自动监测流量资料对比，分别计算随机不确定度、系统误差。

4.3.1 标准差计算

4.3.2 随机不确定度

4.3.3 系统误差

系统误差采用关系线相对误差的平均值，其结果为0.127%。

根据《规范》精度评定要求，精度指标符合二类精度水文站精度随机不确定度10%～12%，系统误差不超过±1%的指标要求。

4.4 关系线检验

根据《规范》要求，对关系曲线为单一线或经单值化处理的单一数值线，且测点在10个以上者，应作符号检验、适线检验及偏离数值检验。即分别对三种检验的统计量（μ、t）进行分析计算，并根据《规范》给定的显著性水平（α）值查算相应的临界值，当计算统计量小于临界统计量时，为界首检验，否则为拒绝原假设。

4.4.1 符号检验

根据表1系列数据，按照公式（1）计算符号检验统计量μ值：

式中：n为系列测点总数，k为测点偏离值的正号（或负号）个数（偏离值为0者计0.5）。

4.4.2 适线检验

根据实测流量和自动流量数据系列，按照人工流量升序排序，从第二测点开始统计偏离正、负号变换，变换符号及1，否在记0。统计“1”的次数，按照式（2）计算适线检验统计量μ值：

式中：n为系列测点总数，k为变换符号次数，k＜0.5（n-1）时作检验，否则不作此检验。

4.4.3 偏离数值检验

按照式（3）计算偏离数值检验统计量t值：

式中：n为系列测点总数，pi为测点与关系线的相对偏离值，为平均相对偏离值。

三种检验统计量计算结果检验见表1。检验结果满足要求。

5 结论

通过分析，小许庄水文站二线能坡法自动测流流量与流速仪法实测流量关系，其不确定度、系统误差全部满足《规范》要求；同时流量关系线通过了符号检验、适线检验及偏离数值检验。经江苏省水文水资源勘测局批复，小许庄水文站断面流量小于80.0m3/s时，自动流量监测成果可以直接应用于水情报讯、水文测验和资料整编等生产应用。流量超过80.0m3/s时，需要合理布设人工流量测次，进一步积累资料进行误差分析。

小许庄水文站流量自动监测系统的应用，提高了自动化水平、减轻了人工测流的工作量，有效解决了该站在中低水情况下的流量测验技术难题，在解决天然河道流量自动监测技术方面提供了成功案例，具有一定的推广应用价值■