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水位“假潮”現(xiàn)象平滑處理方法研究

2011-02-11 23:59彭艷華彭艷明吳隆學(xué)
關(guān)鍵詞:水情測量點(diǎn)蓮花

劉 超 ,彭艷華,彭艷明,吳隆學(xué)

(長江委岳陽水文水資源勘測隊(duì),湖南 岳陽 414200)

水位受彎道干擾波影響(地方俗稱假潮)的波動(dòng)現(xiàn)象,在越接近洪峰時(shí),水位站點(diǎn)的水位波動(dòng)越大,致使水位時(shí)漲時(shí)落。以一小時(shí)為一時(shí)段,時(shí)段與時(shí)段間的水位上下波幅一般可達(dá)0.1~0.2m。受江河彎道干擾波影響的水位“假潮”現(xiàn)象是水流通過彎曲河道時(shí)受河床阻力影響而出現(xiàn)在河道兩岸交相傳播的一種能量波,它與江河流速呈正相關(guān)關(guān)系,與彎道曲率半徑呈逆相關(guān)關(guān)系。

1 長江中游河段水位“假潮”現(xiàn)象

從長江中游河勢圖上看,長江與洞庭湖交匯水域,有長江干流極彎曲段七弓嶺。水流經(jīng)七弓嶺產(chǎn)生的彎道干擾波在江湖匯合口沿洞庭湖口水道向上游傳播,同時(shí)隨水流向下游傳播,這樣,在東洞庭湖基本水位站鹿角站和長江控制站螺山水文站及區(qū)間的岳陽、城陵磯、蓮花塘等水文(位)站水位記錄數(shù)據(jù)上,都可發(fā)現(xiàn)干擾波對水位的影響。歷史上,受干擾波影響最大的蓮花塘水位站兩小時(shí)之內(nèi)水位波動(dòng)變幅曾達(dá)0.92m,造成古鎮(zhèn)城陵磯街上“潮來能行船,潮落能行人”的現(xiàn)象。

2 水位“假潮”現(xiàn)象的影響

由于水位“假潮”現(xiàn)象是一種能量波,因此,上游來水流量(流速)越大,波峰越高,其主要出現(xiàn)在洪峰水位前,通過分析,在江湖匯合口出現(xiàn)的干擾波其周期在0.8~1h之間,隨水位高低、河道曲率半徑的變化而變化。

彎道干擾現(xiàn)象給水位觀測工作帶來了一定的難度,主要是水位相對平穩(wěn)時(shí)間很短,水位真值用人工方法很難測準(zhǔn)。上世紀(jì)采用水位仿真記錄儀,可通過記錄線取時(shí)段中心值的方法讀出水位值;實(shí)現(xiàn)數(shù)字自記采集后,儀器顯示的水位往往是實(shí)時(shí)值,如實(shí)時(shí)報(bào)出,客戶端收到的水位往往時(shí)段間出現(xiàn)時(shí)漲時(shí)落的矛盾,時(shí)段越短,矛盾越突出。如遇到象最近洪峰水位接近警戒水位的情況,就會(huì)給決策層帶來少許不利影響。

3 解決水位“假潮”現(xiàn)象的途徑

解決水位“假潮”現(xiàn)象干擾波對水情預(yù)報(bào)影響的最好辦法,是對實(shí)時(shí)水位進(jìn)行后處理,將原來仿真記錄用人工目估取中心值的方法用智能的方法取代,在現(xiàn)有水情分中心拍報(bào)軟件平臺中嵌入樣條函數(shù)數(shù)據(jù)處理模塊,在實(shí)時(shí)水位進(jìn)分中心數(shù)據(jù)庫后,在調(diào)出報(bào)出之前對水位數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合函數(shù)處理,外延插補(bǔ)適時(shí)水位再報(bào)出。這樣,水位波動(dòng)影響剔除了,也消除了波動(dòng)水位對推算流量的影響,從而大大提高了流量的報(bào)汛精度。

4 平滑處理的方法

平滑處理在科學(xué)研究領(lǐng)域中廣泛推廣使用,它可以對實(shí)測的測量值進(jìn)行濾波,在水文領(lǐng)域的水位應(yīng)用中,也可以用來處理水位的“假潮”影響。下面以受彎道影響的長江蓮花塘站為例,對這種水位“假潮”現(xiàn)象平滑處理方法進(jìn)行研究。

蓮花塘水位站位于長江與洞庭湖總泄口水道的交匯處右岸,設(shè)有自計(jì)水位臺,為洞庭湖注入長江后的水情控制站,也是長江中游分(蓄)洪區(qū)調(diào)度提供依據(jù)的汛期專用站。在每年主汛期,蓮花塘站出現(xiàn)15~90min的水位起伏,如同潮汐現(xiàn)象一般,我們通常稱其為“假潮”現(xiàn)象,岳陽水情分中心在采用螺山單值化方案報(bào)汛時(shí),短時(shí)間起伏的水位數(shù)據(jù),使得相應(yīng)流量出現(xiàn)一些不合理的波動(dòng)。

如果對瞬時(shí)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,我們可以得到需要的水位平滑過程來推求螺山站對應(yīng)時(shí)間的相應(yīng)流量。

4.1 算術(shù)平均法

連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。N值較大時(shí),數(shù)據(jù)平滑度較高,但靈敏度較低;N值較小時(shí),數(shù)據(jù)平滑度較低,但靈敏度較高。

4.2 五點(diǎn)二次平滑

五點(diǎn)二次平滑公式是對待平滑測量點(diǎn)的前二個(gè)測量點(diǎn)和后二個(gè)測量點(diǎn)的數(shù)據(jù),共五個(gè)點(diǎn)的測量值用二次三項(xiàng)式擬合,然后取擬合曲線上待平滑測量點(diǎn)的擬合值作為平滑后取值。

4.3 時(shí)間加權(quán)平均法

由于蓮花塘水位數(shù)據(jù)不是整5分鐘記錄一個(gè)數(shù)據(jù),所以不能采用算術(shù)平均法;同時(shí)五點(diǎn)二次法只能光滑細(xì)小的波動(dòng),因此也不適應(yīng)“假潮”現(xiàn)象。對實(shí)時(shí)采集的水位時(shí)間序列按下式加權(quán):

其中,Ti代表加權(quán)值,T為所有加權(quán)值之和。

使用加權(quán)法能使出現(xiàn)“假潮”現(xiàn)象的水位曲線平滑化,可較平均法得到較為真實(shí)的結(jié)果。

圖1~3是采用1、2、3小時(shí)加權(quán)對“假潮”過程平滑的結(jié)果。

5 平滑處理的確定

圖1 1h加權(quán)平滑處理結(jié)果

圖2 2h加權(quán)平滑處理結(jié)果

圖3 3h加權(quán)平滑處理結(jié)果

對蓮花塘“假潮”現(xiàn)象的水位,采用3小時(shí)時(shí)間加權(quán)平滑處理,基本符合水文上實(shí)際采用的“走中線”的原理。但是報(bào)汛時(shí)整點(diǎn)的水位趨勢和采用值無法得到,因而采用最接近報(bào)汛時(shí)段的前一小時(shí)半的二小時(shí)加權(quán)平滑值,并參照最接近2點(diǎn)的趨勢延長可得到較為合理的報(bào)汛水位,并應(yīng)用到螺山單值化報(bào)汛軟件中,用于推求較為合理的相應(yīng)流量(見圖4)。

6 結(jié) 論

從圖1~3中可以得出以下結(jié)論:短時(shí)間的平滑,靈敏度高,但是平滑效果不理想;長時(shí)間的平滑,靈敏度不高,但是平滑效果較好。因此,在進(jìn)行對“假潮”現(xiàn)象處理時(shí),應(yīng)采用3小時(shí)加權(quán)平滑及綜合處理效果較為理想,目前此方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用在水情分中心的流量報(bào)汛中。

圖4 3h加權(quán)平滑及綜合處理的結(jié)果

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