ADCP盲区流速反演模型在钱塘江河口地区的应用.docx

1、人民长江YangtzeRiver文章编号：1001-4179(2017)51-0117-03ADCP盲区流速反演模型在钱塘江河口地区的应用卷坤军半，花£，21传喜"，花祥3（1.浙江省河海测绘院，浙江杭州310008；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州310020；3.浙江省工程勘察院，浙江宁波315012）摘要：基于抛物线和对数流速分布模型，经概化、推导转化为流速分布线性模型，对ADCP流速数据进行回归分析；以最小二乘算法建立回弟模型，实现了对ADCP盲区流速的反演。将反演模型应用于对钱塘江河口流速的测量，实测数据表明：涨急时，流速剖面服从抛物线模型；落急时，流速割面

2、服从对数模型。采用对应反演模型计算的流速与实测数据基本一致，说明反演模型能准确地对ADCP盲区流速进行推算。关键词：ADCP；盲区流速；流速剖面；回归分析；河口地区；钱塘江.中图法分类号：P641文献标志码：ADOI：10.16232/ki.1001-4179.2017.SI.031收稿日期：2017-02-07基金项目：浙江省科技计划项目（2016F10012）；浙江省水利科技计划项目（RC1501）；浙江省水利科技计划项目（RC1605）作者简介：张坤军，男，工程师，硕士，主要从亨海洋声学探测工作。Email：redkj1盲区流速形成分析声学多普勒流速剖面仪（ADCP）是基于声学多普勒原理

3、进行流速测量的高性能仪器，相比传统的流速测量方法，具有时间、空间分辨率高等显著特征，在我国水文测验领域得到了广泛应用。如1997年三峡工程大江截流和2002年三峡工程明渠截流，以及广东北江飞来峡工程截流，均使用了ADCP进行流量观测；其他如杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥等工程，也均使用了ADCP进行流速测量。ADCP测量时受换能器电子设备、外壳及船体等影响易产生“激振效应”，在水层上部形成上盲区，上盲区的厚度与换能器的人水深度、ADCP工作频率和参数设定等因素相关；此外，由于底部回声信号受到干扰而产生“旁瓣效应”，在水层底部形成了下盲区。在实际应用中，盲区流速的确定通常是根据相关的经验采用常数外推

4、法，该处理方式没有顾及到垂线流速剖面分布的实际情况，因而所得到的盲区流速与实际可能存在着较大的偏差。钱塘江河口地区属于强涌潮河段，潮流流速快，最大瞬时流速超过4m/s,ADCP测流底跟踪失效的情形时有发生，从而导致下盲区范围增大，如果采用常数外推法来估算下盲区流速，其风险势必会进一步加大。为此,本文基于经典流速分布模型，利用Excel自带的回归分析工具，对钱塘江河口定点观测ADCP流速数据的剖面分布进行了反演，进而对ADCP盲区流速进行推算。2盲区流速反演模型2.1流速分布模型2.1.1抛物线模型流速剖面可以用抛物线的形式来描述垂线流速的分布u.U/z2,=%1uz0/式中，U为z点的流速,m

5、/s；um为测点最大流速,m/s；=JR为河底摩阻流速，m/s；c°为待定系数,z为河底边界至计算点的高度,m；z。为河底粗糙高度,m。若U，、Zo、匕为常数，令a=-C°U,/zQ29b=2C0u*/z0,c=um-cou*，则上式可简化为u=az"+bz+c(2)式(2)表明：流速分布可视为变量z和>的二元线性函数,a0和c为常数，运用二元线性回归分析计算得到常数值，即可建立抛物线分布模型。2.1.2对数模型对于流速剖面，还可以用卡门-普朗特对数分布形式来描述垂线流速的分布:式中"为卡门常数，其取值在不同区域存在着差异，平均取值约为0.4。若u

6、*、ZqM为常数，令a=u*/k,b=-u*nz/k,则式(3)可化简为u=axInz+b(4)式(4)表明：流速分布可被视为变量Inz的一元线性函数，。和b为常数，运用线性回归分析可计算得到常数值，即可建立对数分布模型。2.2回归分析建模对于ADCP测得的流速数据，本文采用Excel建立回归分析模型，对流速剖面分布进行特征分析。回归分析作为基本的定量分析工具，对于很多表面上看来与回归分析无关并且似乎难以理解的数学方法，都可以借助于回归分析得到简明的解释。基于回归分析的盲区流速推算过程如下。.(1)对河底至计算点高度z和对应流速"在Excel中作散点图，可以初步判断出点列的分布具有何

7、种趋势。有时流速剖面的上、下水层会出现分层现象，即上、下水层分别服从于不同的函数模型，而单纯根据图像难以判断其点列是服从何种模型。(2) 由于抛物线模型和对数模型均为非线性函数，因此，需要将非线性模型转换成线性模型，再采用最小二乘算法进行线性回归分析，最小二乘算法即采用误差平方和最小的方法。对2种非线性模型分别进行如下处理:对于抛物线模型，以z和I?为自变量,以u为因变量，作二元线性回归分析;对于对数模型，将z取自然对数，以Inz为自变量，以u为因变量，作一元线性回归分析。以对数模型为例，对回归分析中的最小二乘算法作如下描述：一元回归模型可以定义为V=aX+b+e(5)式中，丫为流速”的向量集

8、/为屁的向量集/为残差项，。和6为待定常数。对残差可表示为&=匕、，最小二乘法的目的是找到能够使误差平方和最小的常数Q和6,即nnmin£(匕一丫)？=min£(匕一aX-b)'(6)»=1i-1利用式(6)分别对*和£求一阶导数，得到Z=M匕_七-M=-云，最后再对其求二阶偏导。由于二A阶偏导均大于零，因此确认所求的常数Q和6满足误差平方和最小的条件。(3) 分别对每一时刻的流速数据建立2种模型,并对模型的拟合效果进行比较，从中选择最优模型，抛物线模型和对数模型回归效果分别如图1和图2所示。利用Excel自带的回归分析工具，对步骤(2)

9、中处理完成的数据进行回归分析，生成“回归结果摘要(summaryoutput)”，通过比较2个模型的相关系数R2和标准误差选择该时刻的最优模型。其中，标准误差的计算公式如下：式中，几为样本数目；皿为口变量数目凹为实测流速,m/s；£j为拟合流速，m/s。(4) 根据确定的流速剖面分布模型，将盲区水层对应的实际高度z代入模型，计算出对应时刻的上、下层盲区流速。图1抛物线模型回归分析图2对数模型回归分析3应用实践为验证前文给出的盲区流速推算方法的可行性,在2015年秋季大潮汛期间，利用RDI生产的600kHzADCP,在钱塘江河口区域进行了定点流速测量，将ADCP的层宽设为0.5m,换能

10、器吃水深度为0.5mo针对获取的流速数据，选取涨急（1,2,3,4）和落急（5,6,7,8）两个特征时刻附近的各4组流速数据，分别采用抛物线法和对数法建立垂线流速模型，相应模型的拟合相关系数夫2和标准误差s如表1所示，不同时刻的流速剖面分布特征如图3所示。表1不同流速模型拟合相关系数R2和标准误差s数据抛物线流速模型对数流速模型序列R2SR2510.99640.04900.96180.152120.99330.07850.97260.153230.99770.04720.98170.130440.99510.05620.97160.178650.97820.10450.99700.038060

11、.98850.07300.99690.036970.97920.10220.99600.044080.98240.10180.99500.0534e1515图3不同时刻流速剖面分布特征u/(m»s_,)(f)17:00u/(m»s0(Q17:30u/(m*s_1)(e)16:30(a)10:0()u/(ws'9(b)10:301510u/(s1)(c)11:0002图3中，实心符号“”代表实测流速值，空心符号“”代表推算流速值，曲线代表流速剖面模拟曲线。其中，图3（a）、（b）、（c）、（d）为涨急时段的典型流速分布，图3（e）、（f）、（g）、（h）为落急时段的典

12、型流速分布。由图1结合表1所列参数可归纳如下。（1）涨急和落急时段的流速剖面分布存在着差异，涨急时段的流速分布服从于抛物线流速模型，落急时段的流速分布服从于对数流速模型。（2）涨急时段的分层最大流速并非出现在表层,具有典型的抛物线特征，而且随着涨潮流速的减小，最大流速逐渐向表层转移。（3）落急时段的流速剖面呈现出较好的对数分布，相对于涨急时段,其流速剖面形态比较稳定。4结语对于ADCP的盲区流速，一般是根据相关经验采用常数外推法来进行确定，测流垂线的流速剖面在不同时段可能会出现变化，依赖固定常数进行外推所得到的盲区流速有时与实际存在着较大的出入。针对上述问题，本文以2种经典的流速分布模型为基础

13、，分别对涨急时段和落急时段的钱塘江河口地区定点ADCP流速数据进行了回归分析。回归分析结果表明：涨急时段的流速剖面分布服从于抛物线模型，而落急时段的流速剖面则服从于对数模型，进而可以计算得到所对应时刻的盲区流速。尽管如此，基于回归分析的盲区流速推算方法仍然存在着一定的局限性。本文对单点垂线大潮汛涨急（下转第151页）18s减至最大振幅的20%然后逐渐趋于稳定。在2030s,水平地震加速度趋于一个较为稳定的变化，在图9中安全系数也趋于一个较为稳定的变化。由这两图对比可知，安系数随着水平地震加速度的波动而变化，而两者的曲线变化规律大体一致。4结论(1) 本文采用QUAKE/W和SLOPE/W耦合的

14、方式,模拟了黄土墙边坡在地震响应下的边坡应力应变以及震后的稳定性。在天然工况下边坡处于稳定状态，而在地震的工况下滑坡内部应力值较大并出现了3个明显的剪应变变形区并有贯通的迹象，说明边坡可能在震后出现整体失稳，需要及时治理。(2) 在评价震后稳定性的时候采用了最小平均安全系数的方法，更加符合边坡实际情况，为边坡的稳定性分析提供更可靠的依据。参考文献：1 张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理M.北京：地质出版社,1994.2 许强，李为乐.汶川地震诱发滑坡方向效应研究J.四川大学学报：工程科学版，2010,42(SI)：7-14.3 王秀英，聂高众，王松.汰川地震诱发滑坡的地震动加速度评判标准

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