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使用指标流速法计算流量使用指标流速法计算流量应用SonTek淘金者SL/SW/XR仪器进行指标流速法流量计算介绍2004年8月约翰 V. 施楼特，马太 哈勒美国SonTek/YSI公司33美国SonTek/YSI公司目录1.0 指标流速法技术简介引言3指标流速法技术的基本假设是什么？指标流速法技术的用途是什么？谁使用指标流速法技术？指标流速法观测中都使用了什么类型仪器？流量观测站的主要功能是什么？指标流速法技术的主要目的是什么？什么是河流的平均流速？2.0指标流速关系计算8如何使用回归分析法建立指标流速关系？流量率定中的误差（不确定性）来源有哪些？建立的指标流速方程是否有效？当施测地点水位变化相对较大时会发生什么？是应该使用单个深度单元或是多个深度单元（剖面）数据来建立率定关系？ 需要使用多少观测数据来建立指标流速方程？进行数据观测的程序是什么？3.0 指标流速关系的维持18指标流速方程可否发生变化？如何发现指标流速率定关系中的变化？如果更换较陈旧的流速传感器，如使用淘金者SL/SW/XR声学多普勒流速剖面仪替换时程AVM系统时，是否需要建立新的指标流速率定曲线？能否使用10个深度单元的剖面数据来对单个采样水体数据进行质量验证？4.0 流量计算23如何使用指标流速方程计算流量时间系列？使用指标流速率定技术生成流量数据的程序是什么？参考文献27附录A 使用淘金者SL/SW/XR仪器进行流量计算28内部计算使用ViewArgonaut软件进行后处理计算支持与联系信息331.0 指标流速法技术简介引言本文介绍了常用的使用流速和水位来计算流量的指标流速法技术，流速和水位数据由SonTek淘金者SL/SW/XR仪器观测获得。文章描述了指标流速法技术的概念以及将该技术运用到具体测量中的程序；另外，列举了与指标流速法相关的常见问题以及答案；最后，对用于计算流量方程的数学和统计学方法也进行了介绍。文章还列出了部分参考文献，从中可以得到文章中提及的相关课题的更为详尽地描述。指标流速法技术的基本假设是什么？指标流速法的基本假设就是，在河道内某一层的流速与河道断面的平均流速之间存在着某种意义明确的关系。因此，指标流速法技术是一种经验方法，它将河道某一部分内的一组可观测的河流变量（如水位、流速）与河道特定断面代表整个河流宽度和深度的“平均流速”关联起来。这样，使用平均流速和由水位得知河道断面面积，就可以计算得出总的流量值。指标流速法技术的用途是什么？指标流速法技术为众多水科学/管理机构所采用，用于连续计算复杂水流条件下的河流流量，而传统的水位-流量关系法在这些复杂的水流条件下已不能适用。过去传统的水位-流量关系法在确定总的流量时，只使用水位一个参数。然而，当出现复杂水流条件时，如出现变动回水、潮汐流、双向水流、逆流、小比降、水流变化加快或动能变化大等等时，水位-流量关系法就不再适用。在这种情况下，被广泛认可的流量经验计算方法就是指标流速法。美国地质调查局（USGS）， ISO和WMO都认可，在出现上述情况时，可将指标流速法作为一种测验标准。谁使用指标流速法技术？从历史上讲，指标流速法技术已经被美国地质调查局水资源处等这样的机构所使用。除了USGS这样的机构之外，现在有众多水科学/管理/灌溉机构正在应用这一技术，用于连续计算河流流量，包括灌区，调水组织，水力发电厂和污水处理厂等。指标流速法观测中都使用了什么类型仪器？最先应用指标流速法测流的测站使用的是安装在水下某特定深度的“机械流速仪”。这些机械流速仪会随着流速的增大或减小而改变其转动角度的快慢。在这种情形下，机械流速仪转动角度快慢的变化与河流该断面的平均流速建立相关关系。断面平均流速的计算是这样的：先进行总的流量测验，然后用求得的流量除以总的断面面积即可获得。然后，绘制出平均流速与相应的机械流速仪测量的流速之间的关系图，从而建立“指标-流速”关系。此案例中，机械流速仪转动的角度是确定平均流速的指标参数。如果发现水位的变化，在改进平均流速关系中会有明显作用时，则会绘制额外的相应水位的指标曲线。这样，平均流速可以由这二个参数建立的曲线中而获得。新一代指标流速法测站使用的仪器有“电磁”点流速仪和超声波时差法流速仪（AVM）。相对于机械叶片的流速仪，这些仪器改进了测量流速的精度。在这种情形下，“观测的传感器流速”取代了机械流速仪依靠叶片转动角度快慢测得的流速，成为指标参数。现在，大多数使用指标流速法的流量监测站都使用侧视式水平发射超声波或座底式向上发射超声波的多普勒系统（主要是淘金者SL/SW/XR仪器）。之所以选择这些系统，是因为它们安装简便，具有远距离采样能力，而且与其它传感器相比，可以大大地降低仪器被水中生物污塞的可能性。图1 USGS亚利桑那州尤马现场办公室正在美国西南部灌渠中安装1.5MHz淘金者-SL和3.0MHz淘金者-SW仪器。流量观测站的主要功能是什么？ 对于一个流量监测站，主要有三项基本目标，每个目标都同样重要：l 运用可靠的流量率定曲线，稳定地观测通过河道特定断面的流量；l 建立一套可靠方法，用于确定与每次流量测验相关的“不确定性”；l 建立一套测验程序，用于降低“流量”测验的系统不确定性。对每一个特定的测验断面，河流的自然变化就是最显著的变化来源。指标流速法技术的主要目的是什么？指标流速法技术的主要目的在于以相对较小的不确定性（误差），确定河道特定断面的“平均流速”，从而得出总的流量（Q）。河道断面的总流量是断面总面积（AT）与平均流速（Vm）的乘积，即 Q = Vm * AT （方程 1）断面总面积（AT）可以通过建立水位与实测已知断面面积之间的相关关系来确定。平均流速是通过运用指标流速法技术非直接获得的。在本文的第二节-2.0 指标流速关系计算中描述了如何计算平均流速。什么是河流的平均流速？平均流速就是河流特定断面水流的平均速度。在计算流量时，需要使用平均流速，即Q = Vm * AT 。一旦确定了断面面积，那么平均流速总是相对于该特定断面而言的。假定水流沿特定河段没有发生变化（输入/输出或水面比降都无变化），那么，该河段的平均流速将随着断面面积的相应变化而发生变化。因此，对于稳定流而言，随着河道面积增加，该河段的平均流速将降低（反之亦然）。图2描述了在给定流量下，平均流速相对于某一特定断面的变化，并假定每个断面之间没有泄漏。图2 在流量恒定条件下，随着三种不同的断面面积，平均流速发生的比例变化只有根据单位时间内总流量的直接观测值，才能较为实际地计算获得河流平均流速。因此，只有象手持式ADV（FlowTracker）或走航式ADCP（RiverSurveyor）这样的仪器才能在一个较短的时间内对总流量进行离散地测量（即不是连续测量，除非你想要连续地待在那里）。需要说明的是，就闸门，渡槽，泵站和堰坝而言，它们都是水流控制建筑物而非水流监测建筑物。也就是说，就严格的经验观点，堰坝，渡槽，泵站和闸门都要求根据一组现场测验（流量观测）来建立流量率定关系，以便对流量以及相关误差进行稳健的和数学的诠释。使用经验率定曲线（与理论方程相对）与USGS和ISO的目前标准相一致。对一个连续流量监测站，平均流速总是“非直接”观测的。也就是说，观测的河流变量，如流速和水位，都是通过指标流速法技术与平均流速建立关系。这一统计关系或方程是通过使用“最小二乘法多元线性回归分析”而建立起来的。可以使用的河流观测变量有：l 断面上某一特别位置的流速（点，水平或垂线流速）；l 流速剖面（一组位于观测断面上的单个流速“单元”）；l 水位；l 水位变幅；l 流速变幅。在进行分析时，平均流速是“因变量”，而相关的河流变量为“自变量”。在大多数情况下，平均流速与观测的流速（由SL/SW/XR观测）建立相关关系，其关系可以是一个简单的线性方程。2.0指标流速关系计算如何使用回归分析法建立指标流速关系？最常用的建立指标流速关系的方法，是一种被称为的“最小二乘法多元线性回归”的统计分析方法。这一方法更多的时候被称为“回归分析”，它是微软Excel*和MATLAB*Microsoft Excel是微软公司的注册商标；*MATLAB是MathWorks的注册商标。程序以及其它许多程序中一种标准的统计分析工具。使用回归分析的好处就是，它能快速地提供一种稳健的数学解决方案，不仅可以定义用于计算平均流速“最适合”的预测方程，而且它还能提供多个描述性的统计值，这些统计值在更好地了解方程的置信水平和预测能力是有价值的。另外，它还能提供作为方程输入的每个河流变量的重要标准，从而可以根据指定的标准剔除某些河流变量。表1显示了在对“一组成对”的x-y数据进行回归分析时，微软Excel电子制表软件的输出示例。表2给出了用于生成方程的原始数据列表。在本案例中，线性方程为：V平均 = (0.988)V指标 + 0.006（采用微软Excel进行回归分析）为了使用微软Excel进行回归分析，你必须首先装载数据分析“宏”。为了确认是否已经装载了该程序，可以从菜单选择“工具”“加载宏”，并确保“加载宏”已经被选中。可以通过从菜单选择“宏”展开回归分析。“回归”对话框会显示出来，以便选择输入数据。“帮助”特性会提供额外的信息，告诉你如何使用这一特性。表1 使用微软Excel程序回归分析输入示例表2 微软Excel程序回归分析中使用的原始数据列表，包括由回归方程给出的“预估值”可以通过观测河流变量的多个数学组合，来建立回归分析方程。最常见的自变量（河流）包括，水位、由“淘金者”系列仪器观测的流速（或如上例中的“平均流速”）和水位与平均流速的乘积等。回归分析同时将确定每个自变量的“重要性”，也就是说，将会对每个变量在改进所推导出的平均流速方程预测能力方面的重要性进行定量评估。通过回归分析，那些从统计上讲“重要性”不高的变量，将不会在最终方程中使用。一般来说，最常见的指标流速法方程多为一个简单的，单变量线性方程，其形式为一条直线：V平均 = (a)*V测量 + b(方程 2)式中 V平均为平均流速（在指定河流断面），单位为m/s（或ft/s）; V测量为传感器（淘金者SL，XR，SW或ADV）给出的观测流速，单位为m/s（或ft/s）（也被称为“指标流速” ）； a为斜率系数（无量纲）； b为截距系数，m/s（或ft/s）。这一常见的线性或“直线”回归分析方程示于图2。从本质上讲，该方程从统计上确定了观测流速（由淘金者SL/XR/SW/ADV给出）为平均流速的唯一“有效的预测者”。该方程同时还表明，在回归方程的所有其它输入变量中，河流水位变量并不会显著地改善对平均流速的预测能力。对于那些水位在整个河流水深上变化都很小的河流条件而言，这一方程将是指标流速方程最为常见的形式。要应用平均流速与观测流速之间的这种线性相关关系，一般来说应满足下列条件：l 水位在整个河流水深上的变化必须很小（水平和定点传感器，淘金者-SL/ADV）。l 流速传感器位于中等水深之上的位置（对于水平和定点传感器而言，淘金者-SL/ADV）。l 水平流速剖面在空间和时间上的变化与水力条件是相应的。也就是说，水平流速剖面是自然重复的，而且在观测点上游或下游没有影响或改变传感器观测区域水平流速剖面的闸门，大坝，泵站等。图2 线性指标流速关系请注意：使用输出的数据，应用微软Excel软件建立了回归分析方程，得到了如下所示的表格，“斜率，a”=0.988，“截距，b”=0.006。 流量率定中的误差（不确定性）来源有哪些？为了更好地理解指标流速方程的有效性，需要对整个流量率定过程中的误差来源有一个基本的认识。如下所示的流程图描述了“流量率定的不确定性”（误差来源）。从流程图可以很清楚地看到，有多种来源的误差与流量率定的不确定性有关，其中包括在计算“断面面积”和“平均流速”中产生的误差。也就是说，不确定性（误差）存在于对流速和断面面积的“测验”之中，以及用来估算流速和断面面积的“方程”之中。在此需要强调的很重要的一点是：l 要减少测验的整体不确定性，不能仅仅关注于仪器精度本身，还应该对所有可能带来误差的因素进行评估。l 流量测验的最大误差往往来自用于描述特殊相关关系的方程，而不是来自用于测量某一特殊河流变量的传感器。（流程图由伊利诺斯大学阿瑟 施米德教授、博士提供）建立的指标流速方程是否有效？有多种方法可用于验证计算的指标流速方程是否有效。就此而言，需要对概率统计学有一个基本的了解，这对充分理解描述性统计特性的重要性和意义是必要的，这些描述性统计特性由回归分析获得。不过，即便是具备一些统计学方面的知识，在大多数情形下，用户可以通过检验下列统计特性，从而合理确定建立的方程是否有效。在回归分析中使用和报告的某些主要参数描述如下：确定性系数（回归系数），R2回归系数是表征因变量（本案例中为平均流速）均方差的一个指标，可以通过自变量（由SL/XR/ADV给出的观测流速）的变化来进行解释。如果R2 较低，则可能表示其河流变量对平均流速的估算可能会有较显著的影响（Morlock,2004）。一般来说，R2 值应该大于0.95。估值标准差估值标准差，是表征观测值与由回归方程给出的估算值之间拟合度的一项指标。SEE的单位为流速的单位，即（长度/时间，m/s或ft/s）。从统计学角度分析，这一“误差”是就观测值的平均值而言的。例如，若SEE的值为0.05 m/s，则表示对于任何由指标流速方程给出的估算值，流速计算的最小不确定度将为0.05 m/s。这样，如果假定断面面积率定的不确定度可以忽略不计，那么，计算的流量误差大概就是SEE与断面面积的乘积（假定平均流速与观测流速之间的关系为线性的，水位不随平均流速发生协变对于那些水位在整个河流水深上变化相对较小的河流，大都是如此）。因此，对于一个给定的流速样本，如果断面面积为1000 m2，则流量不确定性将为：0.05 m/s * 1000 m2 = 50 m3/s。这表明，有两个重要概念将改进流量率定。l 降低指标流速回归方程的不确定性（SEE），将减小计算（或预测）流量值的整体不确定性。要做到这一点，首先要求对那些导致不确定性-系统误差和随即误差-的因素有一个了解。这一点将在随后的章节中进行简单介绍。l 对于给定的SEE，选择一个较小的断面面积将减小计算流量值中的整体不确定性。假定断面面积不确定性是可忽略不计的。这一假定一般来讲是成立的，因为水位相对容易观测，而且河道断面面积测量通常也是非常准确的。l 在较小的河道断面上，水流速度将更大。较大的水流速度使其更容易观测，而且与较大的河道断面的相比，水流也更稳定。这将有助于得到整体上更好的指标流速方程。残差分析残差分析是一项图解技术，用于观察残差，也就是因变量（平均流速）的估测值与观测值之间的差异，这些差异与额外的河流变量以及变量的可能组合相关。将数据绘制在一个X-Y轴上。残差绘制在X轴上，相对于绘制的河流变量，其分布应当是随机的，即没有可观察到的型式。这一技术在确定可能的变量越轨值和非线性性方面有用的。残差示例在表1中给出。如果在河流变量绘制图上，确实观察到了非随机的型式，则表明该变量在平均流速的估算中会有显著的影响，从而应当包含在最终的方程中。如果忽略该河流变量，将导致指标流速方程出现大小未知的系统偏差。当施测地点水位变化相对较大时会发生什么？如果在使用指标流速法施测地点的水位变化显著，那么最有可能的是，平均流速将是观测流速和水位的函数。在这种情形下，如上所述的基本程序仍然适用。但是，所求解的方程将不再是线性的，方程除包含测验流速外，将同时包括另外一个河流变量-水位。如果从统计分析上而言，水位也是一个重要的河流变量，那么指标流速方程的通常形式为：V平均 = V测量(X + YH) + C(方程3)式中 V平均为计算的平均流速，单位m/s， V测量为传感器（淘金者SL/XR/SW/ADV）输出的观测流速，单位m/s或ft/s， X为流速系数，无量纲， Y为水位系数，1/m， H为水位，单位， C为常数，单位m/s。该方程出现在USGS报告中（Patino与Zuckerman, 1997和Morlock等,2002）。与方程2描述的单变量线性方程类似，方程3也可以采用类似的技术进行验证。同时需要注意的是，回归方程增加额外的项，通常都要增加额外的观测（与单变量估算方程相比）。是应该使用单个测量单元还是多个测量单元（剖面）数据来建立率定关系？两者皆可。无论是单个测量单元还是10个测量单元（许多个单元的组合），都可以用来建立指标流速方程。通常，都是选择位于断面最大流量部分区域那个单元，因为这样的话，采样水体体积更大。同时，也有助于了解这样一个事实，就是位于最大流量区域的流速变化往往也最大，而且，这一区域水流也最为稳定。人们通常都认为，采样水体体积越大，将有助于降低由于水平水流剖面变化引起的率定偏差的可能性。同时也应当记住，流速剖面数据可以作为施测地点一种质量保证工具得到最好地利用。在下面的章节将对此进行描述。图3 淘金者-SL平面和剖面图，显示了单个采样单元和10个测量单元剖面需要使用多少观测数据来建立指标流速方程？首先应当了解，有效的流速率定将包括在整个流速和水位范围内采集到的数据。而且，数据采集还应当是在所有季节/环境条件下进行的，并应包括那些在一定可重复幅度内渐变的其它水流特征。一般来说，数据点应当在所有条件上均匀分布，而不是集中在某一特别的区域。在有些情形下，水流会受到控制，流量会从一个特定级别渐变为另一级别，那么，在这些渐变过程中的多个观测值也是完成可以接受的。同时还应当心中有数，满足这些条件，比只是简单地增加来自一个很小观测范围内的数据点要重要的多。确定所需要数据点（观测值）的数目，取决于测验地点的条件、收集离散流量观测值的能力以及你所要求的数据质量目标（即可接受的误差是多少）。同时应当记住这样一个事实，在计算法的开始阶段，所“要求”的数据点数目与数据点的“实际”数目往往会相差很大，这需要较长时间进行磨合。一般地讲，通常会采用4-5个数据点建立一条初步的或临时的指标流速率定关系。然后，在经过一段时间以及经历多种水流条件之后，会收集更多的数据并用来确定指标流速率定关系。通常合理的数据点数目在12-15个之间。当然，条件是仪器安装在河流适宜的位置，流量测验质量高，并且满足了在上一段中指明的条件范围。进行数据观测的程序是什么？一般地讲，在完成仪器安装并且较好地定义了河道断面面积之后，就可以收集流量观测数据，建立指标流速关系。下面描述了这一过程的最基本的步骤。1. 找到一个好的观测断面，收集流量数据。记住，不要在仪器的观测区域之内进行流量测验，以避免可能的信号污染。2. 确保每个观测仪器时钟同步。3. 在收集流量数据之前，确保所有仪器能够正常工作并记录数据。4. 尽可能准确地收集流量数据。十分常见的是，指标流速率定中最大的误差将是来源于用以确定“平均流速”的流量观测值。也就是说，即使你是在使用非常精确的仪器连续进行流量（流速和水位）观测，但是，总的流量精度最多也只能是与你用来计算流量的率定关系的精度一样。要尽一切努力使流量观测误差最小化，这一点如何强调都不过分：因为用于建立指标流速方程的流量观测值精度越高，所得到的流量率定也就更好。5. 对电子文件名称、观测地点和观测条件等进行必要记录。6. 一旦当天的流量数据采集完成，就可以根据测量时的断面面积，计算每个流量观测的平均流速（参照已经建立的水位面积关系）。7. 将数据从仪器（淘金者SL/SW/XR/ADV）下载到本机。8. 将仪器数据绘制成表格，与根据流量观测值计算的平均流速数据进行时间相关，然后，就可以使用回归分析开始建立指标流速方程的工作。正如上文所指出的，一般地讲需要4-5个数据点来建立方程，最理想的是采用12-15个数据点，这样将给出一个稳健和准确的方程。另外，应当避免在一个较短的时段内（天，周，等）采集多个数据点。即便你可能是在很大的流速和水位范围内采集的数据，但是，如果采集的数据点在时间上相隔太近，这些数据点就很有可能会是“相关的”（相互关联的），从而使推导的指标流速方程产生系统偏差。9. 一旦指标流速方程得以正确建立，那么，与水位面积关系相类似，就可以将方程输入到淘金者-SL 的ViewArgonaut软件，并在后处理中进行流量计算。在使用完全确立的“指标流速”方程之前，有多种方法可以用来计算“临时”的流量值。这些方法一般都使用一个临时推导的指标流速方程，方程系数（流速和水位的）只是根据几个数据估算的。不管你是否决定计算初步流量值，但一旦最终的指标流速方程得以建立，就可以对以前采集的流量值进行重新计算。3.0 指标流速关系的维持指标流速方程可否发生变化？ 有多个条件可能引起施测地点的指标流速方程发生变化。站点发生的变化可以是自然的和/或人为的。同时应当心中有数，使用的仪器（淘金者SL/SW/XR）是对河道断面特定区域的流速进行采样。本质上讲，仪器观测的流速是与仪器在河道中的位置相关的。这就是说，如果选择了新的仪器位置和/或采样水体，那么就必须建立一个全新的率定关系。例如，在下列情形下，指标流速率定关系就会出现临时变化。l 仪器被提出水面进行维护，在重新安放时没有达到相似深度。l 仪器安装架受到损坏或出现移动。l 相对于原先位置，仪器角度发生变化。l 泥沙或植被部分地阻挡声波信号。应当避免导致发生这些临时变化，因为一旦发生这些变化，继续使用现存的指标流速率定关系就不再适宜，并且重新建立一条新的率定关系又是不实际的。人为条件主要与发生在施测地点上游和/或下游的变化有关，这些变化会系统地改变施测地点河道断面的水力条件，或者变化发生在与仪器采样水体非常接近的地方。实际上，一个好的观测位置将会避免人为变化的可能性。一些人为影响的例子主要有：l 附近灌溉泵站运行，从而导致水流流态发生变化l 多重防洪闸门开启/关闭，使水流流态发生变化l 河道疏浚作业l 新建桥梁桥跨/打桩l 在施测点附近修筑堰坝或控制建筑物自然事件也可以改变或影响指标流速率定关系，主要例子有，l 夏天植被增多l 极值洪水事件l 由于河道变化导致的河道冲刷l 碎石粗沙堵塞自然水流通道l 水温变化（如高洪期间泄洪水道向河流排水） 当然，还有更多的原因可能导致指标流速率定关系发生变化。但是，这不能看成是这一技术的局限性。实际上，任何类型的流量率定关系都将会遇到相同的情形。重要的是应当记住，不论是人工控制的还是自然的河流都会发生变化。而且，维护到位的流量监测站，需要定期进行巡视，不仅要求进行率定观测，而且同时还要检查施测地点和仪器情况。如何发现指标流速率定关系中的变化？实际上，当由指标流速关系估算的流量值与观测的流量值相比不合理时，就可以发现这种变化。由多种方法可以发现这一问题。最常见的方法就是，进行一次检验性流量测量，并将测值与同步的估算流量进行比较。如果观测流量值与估算的流量值差异显著（达到几个百分比），则有必要再次进行流量测验，以验证率定关系是否已经发生变化。这样做可以排除因为流量测验中出现错误而导致的变化。在开展任何测验之前，应当首先对仪器进行检查，确保其在河道断面的位置没有发生变化，而且由采样水体覆盖的面积是相同的，并且没有受到阻挡。如果检查发现仪器位置发生一定变化，则需要对其进行调整，恢复到原先位置和/或采样水体。在进行第二测量后，如果发现存在相同的差异，那么，最有可能的是河道已经发生某种变化（可能是断面几何形状，植被，正常的过水通道漂移等）。这种验证方法存在于大多数水科学测验程序之中。也就是说，对所有的流量测验点都要进行定期巡视，检查仪器状态，并进行一次“检验”测量，确认现存率定关系仍然有效。如果更换较陈旧的流速传感器，如使用淘金者-SL/SW/XR声学多普勒水流剖面仪替换超声波时差法测流系统时，是否需要建立新的指标流速率定曲线？答案是肯定的。如果施测站点更换陈旧/使用不同技术的仪器，如用淘金者-SL/SW/XR替代超声波时差法测流系统，就要求建立新的指标流速率定关系。不过，通常的做法是，让新仪器与旧仪器并行运行一定时间，并在新仪器的指标流速与旧仪器的指标流速之间建立比测关系。一旦这种关系已经确立，就可以按比例换算到现存的率定关系（使用旧仪器建立的）之中。这样做，可以避免完全从零开始建立新的指标流速方程。一旦确立比测关系并完成换算，就可以拆除旧仪器，此时，淘金者-SL/SW/XR仪器以及新的率定关系就可以投入使用，用于计算流量。这样做，就不需要进行额外的“离散”流量测量，从而节省时间和劳力。能否使用10个测量单元的剖面数据来对单个采样单元数据进行质量验证？答案是完全肯定的。首先需要了解的是，淘金者-SW/SL/XR仪器实际上是观测10测量单元（尺寸相同）的流速数据（剖面数据），同时还观测一个额外的、在尺寸和位置上相对独立的单个测量单元的数据。这10流速剖面单元通常被称为“质量保证（Q/A）”流速单元，而那个独立的单个单元则被称为“指标（或观测）流速”单元。图4显示了“Q/A单元”与“指标单元”的一种常见布置。图5则显示了另外一种常见布置，其中，10个“Q/A单元”可以编程控制，使其与单个“指标流速”单元重叠。具备这种通过编程控制测量单元不同尺寸并设定其独立位置的能力，由多种好处。l Q/A单元可以设定放在指标流速单元之前和之后的位置。这样就可以让用户检查位于紧邻指标流速采样水体之外的数据，确保没有任何东西阻挡将在指标流速方程中使用的指标流速观测。这一例子在图5中显示。l Q/A单元和指标单元的数据是同步测量和记录的。这样就可以让用户查看一个完整的指标流速数据和Q/A流速数据时间系列，包括信号强度，从而确保时间系列数据的质量和完整性。l 具备这种可以查看同步的“Q/A”和“指标”单元数据的能力，使得检查有错误的数据变得容易的多。图4 常见的采样单元布置示意图，10个剖面流速单元（Q/A单元）与单个流速单元（指标流速单元）布置在相同的采样范围内图5 常见的采样单元布置示意图，10个剖面流速单元（Q/A单元）与单个流速单元（指标流速单元）重叠布置对指标流速数据进行质量验证（Q/A）的一个常用方法是，运用回归分析在10个“Q/A”单元与单个“指标”单元之间建立相关关系，并且在10个单元的每个之间建立相关关系。流速和信号振幅（反向散射强度）都可以建立相关关系。原则上讲，在一天左右以及更长时间尺度上看，相关关系应当非常好。通过这样做，或者至少在单个“指标单元”数据与“Q/A剖面单元”数据之间建立相关关系，你将能够发现在水平流速/垂向流速剖面任何型式上的变化。若单个采样水体单元数据与剖面单元数据之间相关关系发生变化，就可能表示指标流速率定关系发生了潜在变化。这些变化可能是由于季节变化，边界反射，水流流态变化，河道阻塞等引起的。需要再次强调的是，原则上讲，检验这些相关关系将是保证数据长期一致性的一个很好的方法。4.0 流量计算如何使用指标流速方程计算流量时间系列？使用指标流速方程计算流量时间系列的方法有多种，例如：l 如果你的机构有一个综合关系（水文）数据库，那么，你就可以将方程系数输入到一个计算表，并计算流量。例如，美国USGS水资源处就通常使用ADAPS这样做。l 可以将系数和方程编程到一个基本的空白表格程序（如微软的Excel），然后使用“淘金者”仪器输出的原始时间系列数据计算时间系列流量值。l 可以将方程输入到SonTek公司的 ViewArgonaut窗口软件（见附录A描述），然后使用仪器收集的原始时间系列数据计算水位、流速和流量的时间系列值。请参见ViewArgonaut在线帮助文件，查看有关输入系数以及正确使用方程程序的完整描述。需要强调的是，这一程序是符合目前USGS指标流速计算程序的。l 也可以将系数和方程直接编程到淘金者-SL/SW固件之中，然后用来在实时流量监测作业中，输出水位、平均流速和流量时间系列值。在这种情形下，使用“淘金者”仪器观测的原始水位和流速数据计算流量。淘金者-SL/SW/XR操作手册附录3描述了如何将指标流速方程以及面积率定关系直接编程到“淘金者”仪器固件之中的方法。 使用指标流速率定技术，生成流量数据的程序是什么？程序的具体细节将随施测地点的不同而有所变化。不过，一般来说，下列步骤都适用。1. 施测地点选择（最为重要的步骤）合适的观测地点应当具备相对均一的水流特性、声波观测路径上没有阻挡，并且河道应该有足够的水深，方便采集流速和水位数据。如果要了解与水深和流速数据有关的详细技术指标，请参见仪器技术指标表。理想情况下，仪器应当安装在河道的这样一个区域，即，流速大于平均流速，而且尽可能避免有紊流的地方，如果存在紊流的话。走航式ADCP（RiverSurveryor）数据将会显示河道流速分布、沿河道断面分布的河流水深以及在观测断面附近可能存在的任何潜在水下危险。同时，一般地说，都会在潜在施测地点的上下游进行几次测量，以便确认所选地点是适宜的。2. 对选定站点进行测量，确定站点基面，断面面积，并确认数据采集期间仪器的恒定高程应当在紧邻站点的附近区域至少建立2个固定参考点（固定高程点），来进行水平高程控制。参考点可以设置在混凝土墩上、建筑物基座和混凝土台阶等之上。本质上讲，就是一个不能轻易移动的刚性结构物。这种测量（通常称为“闭环”测量）一般由两人进行，使用测量水准仪、三脚架和测量标尺完成。如果有一个当地基准点可以利用的话，建议从基准点到2个参考点进行一组闭环水准测量，从而确定每点之间的高程差（基面可以是当地的，随意确定的或NGVD基面）。在完成SL仪器安装之后，应当进行“闭环”测量，包括参考点高程，水位传感器高程（淘金者-SW/SL上的垂直波束，如果有的话），以及河道断面面积。测量结果就是得到每个参考点以及仪器的高程（相对于一个当地的基面或已经建立的基面，如美国国家大地测量垂直基面NGVD）以及河道断面面积。如果在仪器安装完成之后，怀疑河道断面已经发生变化或者仪器发生移动，那么，就要进行另外一组水准测量。这些从参考点到淘金者-SL仪器的水准测量可以检查仪器高程以及仪器与参考点之间差分高程的任何变化。应当注意的是，如果发现仪器高程出现差异，那么，就要进行另外一组“闭环”水准测量，确定新的基面。3. 建立断面面积率定关系一旦施测地点的基面已经确立（如当地或NGVD基面），就应当进行河道断面面积测量。如前面章节所述，在中小河流上使用测量水准仪和三脚架就可以轻易完成。对于较大的河流，可以使用回声测深仪和差分GPS（DGPS）或者其它类型的水深测量设备来进行。一般地讲，河道断面都会位于仪器的观测断面之内。河道断面应当至少在20-30个位置进行测量。这样的话，就有足够的点来得到河道断面面积的准确测量值。请注意，重要的是要：l 河道断面范围（河道深度）的参照基面，应当与仪器的垂直声波束和当地参考点为同一“基面”。l 必须总是使用从面积率定关系计算得出的面积来计算（指标流速率定关系中的）平均流速。也就是说，平均流速必须是由在建立指标流速关系期间进行的流量观测值计算得到的，即，用流量（由走航式ADCPRiverSurveyor或其它类型仪器观测）除以由“面积率定关系”计算得出的面积来获得平均流速。在完成河道测量之后，可以使用多种方法来计算断面面积。SonTek/YSI公司为用户提供了可以生成ASCII表文件的软件，然后这些文件可以输入到SonTek 公司的ViewArgonaut软件并为其所使用，自动确定断面面积率定关系。如果要求淘金者-SL/SW输出实时的流量，这些断面面积数据可以人工输入到淘金者固件中。这样的话，面积计算将在仪器内部进行，并由“淘金者”直接实时输出流量。4. 建立指标流速率定关系指标流速率定关系的建立是一个需要非常精心制定的过程。请参见以上章节，更好地理解数据收集以及指标流速方程的定义过程。如果要求进行实时计算，那么，指标流速方程可以直接输入到系统固件之中。这样，就会实时输出数据并输出到标准的淘金者数据文件。5. 流量计算一旦建立了“面积”和“流速”的率定关系，那么有多种方法计算流量。第一个选择就是使用你现存的数据库，如果数据库具备某些必要的功能，使你能够输入特殊方程及其系数的话。流量计算也可以使用仪器内部固件来进行和/或在SonTek软件接收到数据采样之后来进行。要实现这一点，需要将每个率定关系（流速和面积）编程到SonTek软件和/或内部固件中。流量数据在完成处理之后，应当将其装载在空白表格程序，进行数据储存。空白表格可以分解成月报表的形式，提供月统计值，包含日平均流量，最大和最小流量，以及总的累计流量。SonTek公司可以在建立这种用于数据储存的空白表格开发方面提供帮助。参考文献Chow, V.T., 1959, 明渠水力学: New York, McGraw-Hill, p. 523-535.Draper, N.R., and Smith, Harry, 1982, 应用回归分析: New York, John Wiley& Sons, p. 141-210.Helsel, D.R., and Hirsch, R.M., 水资源统计方法：美国地质调查局水资源调查方法(TWRI), 丛书 4, 水文分析与解释, A3 章, 510 p.Hittle, C. et. al., 2001, 河口河流淡水流入佛罗里达湾，美国地质调查局水资源调查报告(WRIR) 014164, 32 p.Morlock, S.E. et. al., 2001, 声学多普勒流速仪生成USGS流量监测站流量记录的可行性：美国地质调查局水资源调查报告 (WRIR) 01-4157, 56 p. Rantz, S.E. et. al., 1982, 流量观测与计算: v.1: 水位与流量观测, p. 174-175, 和流量计算美国地质调查局水资源调查报告论文: 2175, 631 p.Sloat, J.V., Gain, W.S., 1995, 应用声学流速仪观测佛罗里达东北部圣约翰河流域三条低流速潮汐河流流量：美国地质调查局水资源调查报告(WRIR) 95-4230, 26 p.Sloat, J.V., Gamaro, P.E., 2002, 应用SonTek 淘金者侧视 (SL) 多普勒流速仪，测量巴拉那河流南支伊泰普比那斯那尔水库入库流量，巴那拉，巴西，: SonTek/YSI 技术应用报告, 15 p.SonTek, Inc., 1999, 淘金者侧视 (SL) 多普勒流速仪工作原理.附录A：使用淘金者-SL/SW/XR进行流量计算在用户使用带有垂直波束的淘金者-SL和淘金者-SW时，SonTek/YSI仪器公司为用户提供两种可选方案计算流量。两种方案均可以使用指标流速法技术（符合USGS方法）或者是基于明渠水流理论的理论方程来计算流量。这两种可选方案是：l 使用”淘金者”固件在仪器内部进行流量计算l 使用SonTek公司的ViewArgonaut软件进行后处理计算内部计算当要求进行实时流量计算时，这种方案最为有用。这种方案常见的一种应用形式是，用户使用一个4-20mA或MODBUS装置与仪器进行接口连接，并直接将流量输出到一个SCADA类型系统或其它类型的数据召测系统。在这种情形下，仪器位置高程、断面面积率定表和指标流速参数都直接编程到仪器固件之中。然后流量和面积计算被加入到数据格式中并储存在系统存储器。淘金者-SL和SW仪器操作手册“附录5”给出了完整的描述和程序。使用ViewArgonaut软件进行后处理计算在不要求“实时”流量计算时这种方案最为有用。数据直接从仪器下载，然后将仪器位置高程、断面面积率定表和指标流速参数输