高 超,邓 瑶,张小潭,赵 磊

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051；2.南京衡水科技有限公司，江苏南京210000)

1990年，我国引进和试用声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler，简称“ADCP”)开展长江口潮汐流量测验，开创了应用ADCP进行河口及内河流量测验的先河[1]。由于其较之常规的测流方法可极大地提高效率，目前已在我国多种类型河流、不同适用性条件下的水文系统工作中广泛应用[2- 3]。但多用于河口及内河流速、流量与悬移质泥沙测验工作，而对于其他测量数据的深度挖掘与二次开发并未得到充分研究。随着ADCP应用范围与场景的不断拓展与深入，其测量采集的数据可应用于许多方面；这就需要先对其大量测量数据进行甄别及深度挖掘，从中提取出我们需要的数据，并视情况对其进行二次加工利用。

笔者就以往的实践经验与水文分析等工作先后采用MATLAB软件进行以下研究，基于Copula函数的区域降水联合分布与特征分析[4]，基于AHP_Fuzzy法的汉江流域水资源承载力评价与预测[5]及基于MATLAB的水文资料整编后处理模块开发[6]，充分展现出MATLAB语言的矩阵运算、曲线绘图等强大的数据处理功能；其在水文测量庞大的数据挖掘与整理分析工作中同样具有优良的应用前景与推广意义。

以基层水文工作的实例为切入点——设计断面仅具有ADCP走航数据与水上断面测量数据，需推求出设计断面的水位流量关系；故先从ADCP走航数据中挖掘提取出设计断面的水下部分，并与水上测量断面合并，得到完整的大断面成果；再基于MATLAB软件编制了水力要素计算程序，可轻松实现水位流量关系的推求。

1 ADCP测量数据挖掘

1.1 创建ASCII输出文件模版

以笔者所在单位中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司采购的走航式ADCP为例，其由美国TRDI公司开发研制，与之配套的是WinRiver II软件v2.17版本。使用软件打开图1中一个测量文件，点击图1中箭头指示的“ASCII数据文件输出向导”按钮，弹出如图对话框。

图1 ASCII数据文件输出向导对话框示意

此时，可采用两种方法创建模版：方法一直接点击下一步按步骤生成所需模版；方法二载入之前已保存的输出文件模版，减少对话框中手动操作的工作量。两种方法的具体操作分别介绍如下。

(1)方法一。在图1对话框中默认选择第一项“生成新ASCII输出文件模版”，点击下一步，弹出生成模版系列对话框，见图2。从左侧项目栏可见共包括四个子步骤，第一步“参数选择”对话框：在中间列表栏中搜索选择所需输出的参数，本例为提取水下断面，即对走航式ADCP测量文件中的底跟踪数据进行提取，对应输出参数为各呼集合(垂线)深度与宽度，其中深度参数为四个探头Beam平均深度——即Beams Average Depth[m]参数，宽度参数为参照底跟踪BT总宽度——即Total Width(Ref:BT)[m]参数，参数选入右侧项目栏后点击下一步；第二步“选择输出格式”对话框：如无特殊输出格式要求按默认选择即可并点击下一步；第三步“数据输出选择”对话框：勾选“到文件(输出到工程目录)”选项并点击下一步；第四步“完成”对话框：点击“浏览”按钮，编辑要保存的模版路径及文件名并点击完成。至此，便完成了所需提取数据(本例为水下断面数据)其新ASCII输出文件模版生成的所有步骤，即在目标文件夹中已生成一个输出文件模版，即ttf格式文件，可供下次提取数据直接导入使用。

图2 生成新ASCII输出文件模版对话框示意

(2)方法二。在图1对话框中选择第二项“载入ASCII数据文件输出模版”，点击下一步，弹出对话框中选择之前导出的数据文件输出模版，即ttf格式文件；再回到图1对话框中后选择第三项“管理载入模版”，点击下一步，视需要在已有模版基础上按照方法一的步骤对应修改；最后得到所需的输出文件模版。

1.2 导出ADCP测量数据

按照上述任一方法完成输出文件模版的创建后，回到WinRiver II软件界面，便可发现当前测量文件的各测次下面都多了一个txt文件，见图3。接着根据生成的输出文件模版对所需提取测次进行重新处理，先勾选所需提取测次，右键点击图3中的“站点流量”文字处，将会弹出几个选项，选择第一个“重新处理所有选定的测次”，等待所有选定的测次逐个

图3 模版创建后的WinRiver II软件界面示意

处理结束。上述txt文件便可直接访问，同时测流文件所在目录中亦生成了上述txt文件。文件内容为对应测次所需提取的数据。亦即为前述输出文件模版中选定的参数，本例为各呼集合(垂线)深度与宽度参数。

至此，所需提取的ADCP测量数据已经成功导出到对应地txt文件中。即，本例中组成水下断面的各呼集合(垂线)深度与宽度参数已提取出来。需要注意的一点，导出的各呼集合(垂线)宽度数据已包含测流时设置的左右岸宽度。

回顾上述ADCP测量数据挖掘过程，最核心的工作便是在输出文件模版中正确甄别与选择出所需要的参数；否则，很可能南辕北辙，最后导致分析计算成果出错。例如，本文分析计算设计断面水位流量关系所缺的水下断面数据是应该提取各呼集合(垂线)深度与宽度参数；而ADCP走航测流过程中测量到的深度和宽度很多。如何从其中准确甄别得到所需参数便是本次实际工作中的重难点。解决此类问题推荐参阅《WINRIVER II SOFTWARE USER’S GUIDE(August 2015)》软件帮助文档中的“Table 6. WinRiver II ASCII Output Variable List”等有关内容。

2 ADCP测量数据二次开发

采用WinRiver II软件查看某个完整的ADCP走航测流文件，其中共包含576项可输出参数，上文已介绍了从这些海量测量数据中进行甄别与提取数据的详细过程，获取原始测量数据后视需要对其进行二次加工处理，以满足后期应用的需要。如本例需要将水下提取断面与水上测量断面进行合并，得到完整的测流大断面成果，并对逐个水位级统计计算得到对应的断面面积、湿周与水力半径值，最终采用曼宁公式推求得到设计断面的水位流量关系成果。其中，水上、水下断面的合并过程较为简单，人工完成即可，而依据大断面成果推求水位流量关系为批量过程，推荐采用MATLAB开发对应计算程序；此外，在水位流量关系定线过程中应充分考虑与断面水位流量实测点据的匹配，对断面糙率值进行率定采用。

根据曼宁公式推求水位流量关系：首先定义由低到高的水位级系列，再依据大断面情况分别对各水位级统计计算得到此水面与水下断面组成的断面面积A值与湿周χ值，进而求得此水位级对应地水力半径R值；结合断面纵剖面测量资料求得其比降S值；结合经验糙率表或者断面实测水位流量成果率定得到的糙率n值；最后将各水位级对应地A、R、S、n带入曼宁公式便可推求得到对应流量，即为水位流量关系成果。

上述依据大断面统计批量计算各水位级的水力要素(A值、χ值与R值等)的过程采用MATLAB进行编制。A值为依次对相邻两个点据与水面组成的三角形或四边形面积求和得到，χ值为依次对相邻两个点据之间的距离求和得到。此程序只需将大断面数据文件与水位级数据文件统一输入，即可得到各水位级对应地水力要素成果。充分利用MATLAB语言强大的矩阵运算优势实现有关批量计算功能，并结合实际工作需要批量绘制各种图表(如本例水位流量关系曲线图)，从而使得ADCP测量数据二次开发过程简单可行。

3 结论与展望

本文以基层水文工作的实例为切入点，对ADCP测量数据挖掘与二次开发展开介绍。实例中的方法已在中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司设计与运行的南欧江流域水情自动测报系统[7]等多个工程项目中有效运用。尤其是，本方法中数据挖掘提取过程仅依靠官方WinRiver II测流软件便可实现，操作简单，在未来推广过程中，面对各式各样的个性化数据提取需求，仅需针对性的修改输出文件模版即可。

回顾ADCP测量数据挖掘过程，最核心的工作便是在输出文件模版中正确甄别与选择出所需要的参数；否则，很可能南辕北辙，最后导致分析计算成果出错。ADCP走航测流文件共包含576项可输出参数，创建输出文件模版的准确性将是未来推广使用中的重难点问题，推荐参阅WinRiver II软件帮助文档等有关内容，以保证数据提取准确。