鄭海英 付洪文

（1.四川省雅安水文水資源勘測局 四川雅安 625000 2.四川省雅安市滎經(jīng)水務(wù)局 四川雅安 625200）

多普勒雷達(dá)流速儀在滎經(jīng)水文站的應(yīng)用

鄭海英1付洪文2

（1.四川省雅安水文水資源勘測局 四川雅安 625000 2.四川省雅安市滎經(jīng)水務(wù)局 四川雅安 625200）

水文站在遇到高洪時(shí)，漲率較快，漂浮物多，流速儀測流困難，浮標(biāo)法測量需要人員多、測流歷時(shí)長、測驗(yàn)精度低。而多普勒雷達(dá)流速儀其測流操作過程簡單，測流歷時(shí)短，可以有效解決洪水暴漲暴落河流使用常規(guī)測流方法難以及時(shí)和準(zhǔn)確測到洪水資料的問題。本文通過闡述多普勒雷達(dá)流速儀的基本原理和應(yīng)用方式，說明其在水文站高洪測量中的應(yīng)用意義。

水文；高洪；流量；測驗(yàn)

1 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化步伐的不斷加快，越來越多的水文測站所在的測驗(yàn)河段逐漸處于城鎮(zhèn)建設(shè)范圍之中，影響了原有河段的通視條件和水文站高架浮標(biāo)測驗(yàn)設(shè)施的布設(shè)。在遇到較大洪水超出纜道流速儀的施測范圍時(shí)，給流量測驗(yàn)帶來困難。因此，采用雷達(dá)波測速的方式來測定中高水流速就顯得要十分重要。

2 滎經(jīng)水文站基本概況

滎經(jīng)水文站設(shè)于1951年12月，屬國家基本水文站，位于四川省雅安市滎經(jīng)縣大田壩鄉(xiāng)，系大渡河青衣江水系左岸二級(jí)支流州河控制站。集水面積1694km2，多年平均徑流量超過30億m3。該站測驗(yàn)項(xiàng)目有降水量、水位、流量、比降、泥沙等，流量屬國家二類精度站。

滎經(jīng)河屬于山區(qū)性河流，水深、流速都較大，河床為沙卵石組成，沖淤變化不大，斷面較穩(wěn)定。該站水位流量關(guān)系多為單一線型，大多數(shù)漲水時(shí)間都在晚上，且受上游電站調(diào)水影響，漲率較大，陡漲陡落，所以漲坡上測流很困難。

3 浮標(biāo)法和多普勒雷達(dá)波的工作原理及計(jì)算方法

3.1 浮標(biāo)法的工作原理

浮標(biāo)法測流是水文站在高洪條件下測流最常用的手段，一般用于解決高洪時(shí)轉(zhuǎn)子式流速儀無法入水或停電等造成測流困難時(shí)的情況。其工作原理是在測驗(yàn)河段上游投放浮標(biāo)（漂浮物），測定水流將此浮標(biāo)由上游某點(diǎn)輸送到下游某點(diǎn)所用的時(shí)間，由上游點(diǎn)到下游點(diǎn)的距離除以這個(gè)時(shí)間得到此浮標(biāo)流經(jīng)流線的水流速度，從而計(jì)算出河道流量。

浮標(biāo)法測流要花費(fèi)大量的時(shí)間。首先是浮標(biāo)（包括日用型和夜用型）的準(zhǔn)備工作耗時(shí)大，而且測驗(yàn)時(shí)花費(fèi)時(shí)間也長（30min以上），需要人員多（一般4人以上）。還有因?yàn)闇y驗(yàn)歷時(shí)長，洪水水位變化未及時(shí)測到也時(shí)有發(fā)生，并且受外界因素干擾太多，比如風(fēng)力、能見度、流速的脈動(dòng)、河道漂浮物以及測驗(yàn)人員的人為誤差等，這些使得浮標(biāo)法測得流量的精度不高。

3.2 浮標(biāo)法的計(jì)算方法

浮標(biāo)法實(shí)測流量計(jì)算時(shí)，應(yīng)先計(jì)算出相應(yīng)水位及各垂線上的河底高程，繪制測流斷面的橫斷面圖，計(jì)算出各浮標(biāo)之起點(diǎn)距與虛流速，繪制虛流速橫向分布曲線圖，在虛流速橫向分布圖上查讀各測深垂線的虛流速，并根據(jù)部分平均流速和相應(yīng)的部分面積計(jì)算各部分虛流量和全斷面虛流量，乘以相應(yīng)的浮標(biāo)系數(shù)后，計(jì)算出斷面流量。

3.3 多普勒雷達(dá)波的工作原理

多普勒雷達(dá)波的工作原理是利用水流質(zhì)點(diǎn)對雷達(dá)波反射能產(chǎn)生多普勒頻移，檢測出反射波的頻移量就能算出質(zhì)點(diǎn)的流速。它是一種非接觸式流量測驗(yàn)方式，可借助于水文站現(xiàn)有的流速儀測驗(yàn)纜道，將多普勒雷達(dá)流速儀安裝在水文纜道鉛魚上，無需入水，只要微波發(fā)射方向在垂直面上與流線有一定夾角，而在水平面上基本與流線平行就可以測到微波指向點(diǎn)的水面流速。

3.4 多普勒雷達(dá)波的計(jì)算方法

多普勒雷達(dá)波測流時(shí)根據(jù)計(jì)算機(jī)指令，由多普勒雷達(dá)探頭逐個(gè)采集測流斷面各垂線的水面流速數(shù)據(jù)，由天線傳回計(jì)算機(jī)中，再借用我們事先錄入的斷面資料，計(jì)算出斷面面積和虛流量等，根據(jù)分析出的水面系數(shù)生成一份完整的測速記載和流量計(jì)算表。

從這里看雷達(dá)波流速儀的流量計(jì)算方式和浮標(biāo)法很相似，這說明其計(jì)算原理符合流量測量規(guī)范，卻又非常簡便快捷。室內(nèi)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)與室外的通訊設(shè)備緊密配合，每一條垂線流速測完，自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)計(jì)算程序，可以說測速過程一結(jié)束，流量成果也就可立即計(jì)算出來，非常方便我們定線分析，進(jìn)行下一步的測量。

3.5 多普勒雷達(dá)波水面流速系數(shù)的分析

在轉(zhuǎn)子式流速儀測驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行雷達(dá)波流速儀測速，兩者的測速垂線相同，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)子式流速儀測量流量的計(jì)算和雷達(dá)波流速儀測量虛流量的計(jì)算，得到兩種流速儀測驗(yàn)的流量成果，并進(jìn)行比測資料的分析統(tǒng)計(jì)計(jì)算。根據(jù)滎經(jīng)站2013～2015年在不同水位級(jí)采用兩種流速儀所測的流量成果，以轉(zhuǎn)子式流速儀測量值為真值，進(jìn)行比測資料的比較分析及誤差統(tǒng)計(jì)，詳見表1和圖1。

表1 轉(zhuǎn)子式流速儀與雷達(dá)波流速儀比測數(shù)據(jù)

圖1 流量數(shù)據(jù)對比關(guān)系圖

通過以上分析計(jì)算可以看出滎經(jīng)水文站轉(zhuǎn)子式流速儀和雷達(dá)波流速儀的相關(guān)線關(guān)系很好，檢驗(yàn)得到誤差較小，偏離數(shù)值為0.52%，標(biāo)準(zhǔn)差2.8%，系統(tǒng)誤差-0.1%。各項(xiàng)指標(biāo)符合《水文資料整編規(guī)范》要求，該站雷達(dá)波流速儀測流系數(shù)為Q流=0.80*Q電+9.11。

4 結(jié)論與建議

雷達(dá)波流速儀測流因其影響測驗(yàn)精度的因素要少于浮標(biāo)法，所以精度要高于浮標(biāo)法，因此，在遇到高洪時(shí)，水位漲落急劇，漂浮物多，流速儀無法施測時(shí)，利用雷達(dá)波流速儀就能保證迅速、準(zhǔn)確、快捷、有效安全施測到洪峰過程，而且節(jié)約人力物力，完全能夠替代浮標(biāo)測流方式，實(shí)現(xiàn)高水期斷面流量監(jiān)測，值得在水文高洪測驗(yàn)中推廣使用。但是雷達(dá)波流速儀系數(shù)要不斷收集實(shí)測資料，及時(shí)對系數(shù)進(jìn)行校正，確保流量測驗(yàn)精度。

[1]《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-93）.

[2]《水文測驗(yàn)手冊》水利水電部水利司1975.

[3]《水文資料整編規(guī)范》（SL247-1999）.

P335.1

A

1004-7344（2016）09-0110-02

2016-3-12

鄭海英（1979-），女，四川雅安人，工程師，從事水文水資源測驗(yàn)工作。

付洪文（1976-），男，重慶萬州人，工程師，從事水利工作。