戰(zhàn)偉

中小河流雷達水位計在特大洪水測驗中的應用

戰(zhàn)偉

（吉林省水文水資源局白山分局，吉林白山134300）

中小河流水文站的雷達水位計通過2015年在吉林省開始使用至今，經過三年的測驗分析，已能滿足發(fā)生大洪水時的流量測驗與預報，由于雷達水位計是通過觀測上、下斷面的水位和測量斷面面積，通過比降面積法即曼寧公式的應用，來實現(xiàn)對斷面流量的測量監(jiān)控。來實現(xiàn)現(xiàn)代化測量，不但數(shù)據(jù)能實時傳輸?shù)剿楸O(jiān)控中心，為下游城鎮(zhèn)防汛做到耳目與尖兵的作用；又能保證以往測驗人員的安全。

中小河流；雷達水位計；特大洪水；測驗；比降面積法

中小河流水文站的建設，采用上、下斷面各安裝一個雷達水位計的方式，可以對上、下比降斷面的水位實時觀測、傳輸，水情中心接收數(shù)據(jù)后進行分析計算，從而得到測驗斷面的實時流量數(shù)據(jù)。安裝雷達水位計后，即使發(fā)生超歷史洪水，在人員無法正常觀測水位的時候，雷達水位計依然會測驗到斷面的實時數(shù)據(jù)，這與常規(guī)水文站的流量測驗有很大的改變與不同。不同的水位采取不同的測驗方法：3.00 m以下采用涉水作業(yè)；3.00～4.50 m采用船上作業(yè)；4.50～6.00 m采用均勻浮標；6.00 m采用走航式多普勒剖面流速儀（ADCP）；6.00 m以上采用天然浮標（中泓）觀測臨時水尺水位、臨時比降水尺比將。

1 測站現(xiàn)狀

1.1 影響人員設備安全的因素

目前條件下常規(guī)水文站進行流量測驗工作時仍然存在著影響人員和設備安全的隱患。測驗時，雖然在河的兩岸架設了吊船移渡鋼索，上船測量人員身穿救生衣、攜帶安全斧等輔助設備，但由于山區(qū)性河流淌急，水中各類漂浮物眾多，仍對人員和儀器設備構成嚴重安全危險。小河站的特性是水位變化快、流速大、持續(xù)時間短，而且測量人員沒有進行專業(yè)技能培訓和應急演練，專業(yè)監(jiān)測能力低，因此增加了存在安全隱患的可能性

1.2 斷面狀況因素

大斷面河床為梯形，斷面河床由護提、卵石、沙土組成，河床沖淤嚴重。水文站水尺設在右岸，基本水尺斷面以上170 m處為浮標投放斷面，設有浮標投放器。右岸為菜地和房屋，在江堤與菜地之間有1條3 m寬的沿河路；左岸為高山，左岸與山體之間是7 m寬的沿河路，是進行浮標測驗的工作場所。當水位達到6 m以上，左岸延河路開始上水，浮標測驗存在危險。

在基本斷面下游300 m處，為3洞拱橋，當水位達到6 m時，橋身阻水嚴重，存在橋塌的危險。此橋為測量浮標時儀器的設立場所，也是公路段上出村的必經之路。

1.3 上游水電站的調節(jié)及其影響

在此站上游8 000 m處是小湖電站，電站集水面積703 km2，庫容25萬m3。在洪水期，水電站放水會直接導致水位流量急劇增加，如果在此期間進行河道上作業(yè)，急劇上漲的河水會對作業(yè)人員造成生命危險，同時還存在垮壩的危險。

2 雷達水位計工作原理--比降面積法

雷達水位計能及時、準確地推算出實時流量，一方面是實現(xiàn)了現(xiàn)代化的傳輸技術，將觀測、傳輸、接收融為一體，通過SIM卡和衛(wèi)星頭雙重保障的高科技方法；另一方面是其計算方法——比降面積法，此方法是適用于河流不能采用精度較高的測流方法施測流量時的近似計算方法。

比降面積法是用河段水面比降與斷面面積作為主要因素計算流量的一種方法,用在以下情況：在稀遇洪水無法用流速儀法、浮標法施測時,為確定水位流量關系曲線高水端的極點，以延長水位流量關系曲線；在水位流量關系穩(wěn)定的測站進行停測和開展巡測工作；在水利規(guī)劃中進行歷史洪水調查。

糙率n為中小河流水文站在上、下比降斷面各建設一個雷達水位計，觀測上、下比降水位，并點繪Z～n曲線，見圖1。

橫斷面測量應盡可能和水位觀測同時進行，在測驗河段內一般不少于3個斷面。

河段平均斷面面積 A-的計算：

河段選擇的條件，必須滿足測站布設中比降水尺河段選擇的條件，為了保證精度，河段水面落差至少要10倍于落差觀測誤差。河段內要求河槽穩(wěn)定，糙率穩(wěn)定，精度較高。

圖1 中小河流水文站水位Z與糙率n關系圖

3 應用

三道溝門水文站的水文測驗歷來高度重視安全生產工作，對水文防汛測報都是早計劃、早布置、早安排，確保安全度汛。根據(jù)現(xiàn)有的配備情況，為迎接特大洪水，做出以下具體測驗方案：

1）與上游水電站的聯(lián)絡保持暢通，隨時掌握最新的水情信息；在水電站出水河段安裝雨水情遙測系統(tǒng)，隨時可以觀測及預報出降水量和排水量的數(shù)據(jù)，做到提前準備，及時做出應對方案。

2）在出現(xiàn)大洪水時，如果在指定浮標斷面不能安全進行浮標測驗，則在橋上使用走航式多普勒剖面流速儀（ADCP）進行測流（由于漂浮物多、流速大，平時不建議使用）。

3）在出現(xiàn)特大洪水時，橋上作業(yè)也存在危險，應及時向政府和防汛工作人員建議，村民撤離到地勢高的山上。選擇順直河道進行天然浮標（中泓）測驗；設立臨時水尺觀測水位、臨時比降水尺觀測比將，計算出兩山之間的斷面面積推算流量，同時用比將面積法計算流量，做好防汛抗洪的數(shù)據(jù)保障工作。

當洪水退落后，及時觀測洪痕，測量最高水位內的所有斷面轉折點，精確的計算出洪水的流量。天然浮標（中泓）法和水位--流量關系曲線延長法的高水延長的主要依據(jù)是實測大斷面資料。這兩種方法都是在斷面沖淤變化不大時，一般可用斷面流量計算公式：

式中：Q為流量，m3/s；Kmf為中泓浮標系數(shù)；Vmax為中泓流速，m/s；F 為斷面面積，m2。

和用水位面積、水位流速關系曲線法及水力學公式法延長。但對于河床沖淤嚴重的水文站，以上2種方法都不適合。因此，在特大洪水時使用可以實時監(jiān)測上、下斷面水位變化情況的雷達水位計來觀測上、下比降斷面的水位，從而使用比降面積法推算出實時流量最為適用。以某站2015年第31次流量為例，見表1、圖2。測站施測時間是2015年8月30日9時到10時，水位5.28 m，平均流速0.16 m/s，最大測點流速3.07 m/s，斷面流量178 m3/s，斷面面積82.4 m2，水面寬63 m，平均水深1.31 m，最大水深1.95 m。

表1某站2015年第31次流量計算表

因此 Q=82.4×2.15=177 m3/s。

比降面積法算出的流量為177 m3/s，正常測驗算的流量為178 m3/s，其誤差為0.56%小于高水允許誤差（3%），因此使用比降面積法計算成果合理。

圖2 某中小河流水文站大斷面圖

4 結語

經過以上計算成果證明，安裝雷達水位計的中小河流水文站在發(fā)生特大洪水時候，當其他測驗方法難以進行安全測驗的情況下，適合使用比降面積法計算。

雖然比降面積法計算成果在誤差允許范圍內，但是用此方法計算的結果在資料整編時被定為三極品，是在不能采用精度較高的測流方法施測流量時的近似計算方法。因此，平時不使用此方法進行流量測驗。

P332 < class="emphasis_bold"> ［文獻標識碼］B

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1002—0624（2017）12—0048—02

2017-08-16