張照余,張任遠(yuǎn)

(1.嘉興市水文站,浙江 嘉興 314000;2.嘉興市水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院,浙江 嘉興 314000)

1 問(wèn)題的提出

近年來(lái)杭嘉湖地區(qū)水文測(cè)驗(yàn)引進(jìn)了美國(guó)SonTek公司SL側(cè)視固定式聲學(xué)多普勒流速儀。2003年首次應(yīng)用于感潮河段的潮流量測(cè)驗(yàn),多普勒指標(biāo)流速經(jīng)比測(cè)率定后,均可以直接用于資料整編,效果十分理想[2]。固定式多普勒流速儀可以連續(xù)不間斷測(cè)流,測(cè)次密,斷面流量精度明顯提高,而且減輕了流量測(cè)驗(yàn)的勞動(dòng)強(qiáng)度,設(shè)備優(yōu)勢(shì)明顯。之后,多普勒流速儀在感潮河段被廣泛應(yīng)用[3]。接著在清水河段測(cè)流斷面也安裝了多臺(tái)多普勒流速儀,但由于清水河段斷面流速較小、船行波干擾大,多普勒指標(biāo)流速與流速儀法測(cè)驗(yàn)的斷面平均流速比測(cè)率定,相關(guān)點(diǎn)子十分散亂,相關(guān)性很差。且存在流速有突跳現(xiàn)象,相鄰點(diǎn)流速變差大,計(jì)算的瞬時(shí)流量代表性差等問(wèn)題,使整編成果難以達(dá)到理想效果。因此,清水河段多普勒流量資料一直沒(méi)能整編,阻礙了多普勒流速儀在清水河段中的應(yīng)用和推廣。

美國(guó)SonTek公司ViewArgonaut軟件中設(shè)計(jì)的高斯濾波器,解決了平原小流量受船行波干擾影響的問(wèn)題,可以將受干擾較大的船行波在流速信號(hào)中通過(guò)高斯濾波器進(jìn)行平滑均值濾波處理。

2 高斯濾波原理

高斯濾波是根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來(lái)選擇權(quán)值的線性平滑濾波器。高斯平滑濾波器對(duì)去除服從正態(tài)分布的噪聲很有效,常用一維零均值離散高斯函數(shù) g(x)=e-x2/2σ2,式中:高斯濾波器參數(shù)σ決定了高斯函數(shù)的寬度,也決定著數(shù)據(jù)信號(hào)的平滑程度。濾波參數(shù)σ的大小,根據(jù)測(cè)站特性及船行波干擾影響程度而定,一般以流速平滑無(wú)突變?yōu)榧?。在流速信?hào)中,通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)σ,可折衷由于船行波所引起的過(guò)多的不希望突變量 (欠平滑)。在實(shí)際應(yīng)用中,常用二維零均值離散高斯函數(shù)做平滑濾波器,函數(shù)表達(dá)式如下:

式中:i、j分別為水平方向和垂直方向的二維值。

高斯濾波實(shí)質(zhì)上是一種信號(hào)的濾波器,其用途是將多普勒的流速信號(hào)進(jìn)行平滑處理。通俗地講,高斯濾波就是對(duì)整個(gè)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均的過(guò)程,每個(gè)流速信號(hào)像素點(diǎn)值,都由其本身和鄰域內(nèi)的其它像素值經(jīng)加權(quán)平均而得。

3 實(shí)例分析

以王江涇站為例。該站測(cè)驗(yàn)斷面在蘇嘉運(yùn)河上,斷面寬110 m,平均水深2.85 m,斷面平均流速在0.25 m/s以下。測(cè)驗(yàn)斷面地處江浙交界,交通要道,船只過(guò)往頻繁,船行波干擾十分明顯。

安裝的多普勒流速儀型號(hào):SonTek公司的 “Argonaut-SL”,系統(tǒng)工作頻率為1.5MHz,流速分辨率為0.1 cm/s。流速測(cè)驗(yàn)設(shè)置為:脈動(dòng)流速的平均值為60 s;流層起止點(diǎn)2～5 m;采樣間隔時(shí)間5 min,即5 min測(cè)驗(yàn)1次流速數(shù)據(jù)。SL側(cè)視固定式多普勒流速儀所測(cè)流速為指標(biāo)流速,將多普勒指標(biāo)流速進(jìn)行比測(cè)系數(shù)率定[4],即建立與斷面平均流速相關(guān)方程式。

取該站2009年6月25至7月9日多普勒測(cè)流較為完整連續(xù)的4 229組流速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)多普勒指標(biāo)流速原始信號(hào)進(jìn)行高斯濾波,根據(jù)王江涇站多普勒指標(biāo)流速受干擾影響程度,取濾波器頻帶寬σ為15,基本消除干擾。

多普勒測(cè)驗(yàn)的指標(biāo)流速原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)高斯濾波后的濾波數(shù)據(jù)點(diǎn)繪過(guò)程線見(jiàn)圖1。

圖1 王江涇站2009年6月25日至7月9日多普勒指標(biāo)流速過(guò)程圖

6月28日多普勒指標(biāo)流速過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 王江涇站2009年6月28日多普勒指標(biāo)流速過(guò)程圖

經(jīng)高斯濾波后的多普勒指標(biāo)流速基本按原始指標(biāo)流速數(shù)據(jù)均值處理,流速呈緩變狀態(tài)。

王江涇站斷面平均流速測(cè)驗(yàn)是利用橋孔斷面,采用流速儀法5條垂線2點(diǎn)法[5]布置施測(cè)。每天08:00、16:00左右各施測(cè)1次。6月25日至7月9日實(shí)測(cè)斷面流量30次?，F(xiàn)將濾波后的多普勒指標(biāo)流速與流速儀法測(cè)驗(yàn)的斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系,進(jìn)行指標(biāo)系數(shù)率定。

多普勒指標(biāo)流速是根據(jù)流速儀法測(cè)驗(yàn)的起始時(shí)間的平均流速摘錄。取流速儀法實(shí)測(cè)斷面平均流速,同步時(shí)間高斯濾波后的多普勒指標(biāo)流速見(jiàn)表1。

表1 王江涇站多普勒指標(biāo)流速與流速儀法斷面平均流速同步資料表

續(xù)表1

圖3 多普勒指標(biāo)流速與流速儀法斷面平均流速相關(guān)線圖

二者建立相關(guān)關(guān)系,相關(guān)線及相關(guān)方程式見(jiàn)圖3。

流速儀法實(shí)測(cè)的30個(gè)流速點(diǎn),相關(guān)系數(shù) R2達(dá)0.88,相關(guān)性顯著。現(xiàn)將流速儀法實(shí)測(cè)斷面流量與多普勒測(cè)流計(jì)算的斷面流量進(jìn)行分析比較,并按SL 247—1999《水文資料整編規(guī)范》[6]要求進(jìn)行相關(guān)線3種檢驗(yàn)和系統(tǒng)誤差評(píng)定,即符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn),分析成果見(jiàn)表2。

表2 相關(guān)線3種檢驗(yàn)及系統(tǒng)誤差評(píng)定表

結(jié)果表明,相關(guān)線通過(guò)3種檢驗(yàn),無(wú)系統(tǒng)誤差。采用多普勒流速進(jìn)行資料整編符合規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用高斯濾波器進(jìn)行流速信號(hào)濾波后,多普勒指標(biāo)流速基本消除了受船行波的干擾,斷面流速呈緩變的、有較小脈動(dòng)影響的過(guò)程,基本反映了斷面水流的實(shí)際情況。多普勒指標(biāo)流速經(jīng)過(guò)比測(cè)率定,流速資料能滿足SL 247—1999《水文資料整編規(guī)范》的精度要求。多普勒流速在清水河段也能實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握和了解流量的動(dòng)態(tài)變化,為水資源配置、水環(huán)境保護(hù)和防汛抗旱提供實(shí)時(shí)流量信息,值得推廣和應(yīng)用。

[1]王耀貴.圖像高斯平滑濾波分析 [J].計(jì)算機(jī)與信息技術(shù):經(jīng)驗(yàn)與交流,1994—2009:79-81.

[2]張照余.聲學(xué)多普勒測(cè)流儀在平原感潮河段測(cè)驗(yàn)中的穩(wěn)定性驗(yàn)證 [J].浙江水利科技,2006(6):47-49.

[3]張照余.ADCP在嘉興市水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用 [J].水利與經(jīng)濟(jì),2006(3):20-22.

[4]中華人民共和國(guó)水利部.SL 337—2006聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范 [S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

[5]中華人民共和國(guó)水利部.SL 195—97水文巡測(cè)規(guī)范 [S].北京:中國(guó)水利水電出版社,1997.

[6]中華人民共和國(guó)水利部.SL 247—1999水文資料整編規(guī)范 [S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2000.