，，

(長江委中游局赤壁分局，湖北 赤壁 437300)

1 問題的提出

陸水水利樞紐控制流域面積3 270 km2，占全流域面積的86.1%。陸水水庫為流域內(nèi)最大水庫，總庫容為7.06×108m2。樞紐設(shè)3個入庫控制站， 即崇陽(二)水文站、毛家橋(二)水文站和白霓橋(二)水文站，其流域面積分別為2 200 km2、364 km2和215 km2，均為國家基本控制站。三個站地處鄂東南山區(qū)，均為典型的山溪性河流測站，來水主要源于斷面上游降雨及上游電站發(fā)電開閘泄水，其中崇陽(二)水文站同時又是一個典型的水利工程控制站。

崇陽(二)水文站、毛家橋(二)水文站及白霓橋(二)水文站目前的常規(guī)流量測驗方案均為纜道轉(zhuǎn)子式流速儀或ADCP。在洪水快速上漲的過程中,河道水面及水中漂浮物較多，一般為雜草樹枝、大樹樹干、涵管、被沖毀船只等，給纜道或ADCP測流帶來極大的安全隱患。測驗過程中經(jīng)常因鉛魚或者儀器被水中漂浮的雜草纏死而中斷測流，必須將鉛魚開回清除掉纏繞物后方可繼續(xù)施測。尤其是高洪漲水時期，儀器根本無法下水測驗,可能貽誤最佳測驗時機。同時，崇陽(二)水文站所處斷面的流量變化受水利工程影響較大，中低水時期主要受上游天城水電站下泄流量影響，高水時期還受到下游陸水水庫的頂托影響。施測時間過長，可能造成實測流量值代表性差，因此要盡可能縮短在高洪期的測驗時間。

近年，雷達(dá)波流速儀在全國推廣，其特點是適用于中小河流水文巡測，比較適合陸水流域的水文特性和測驗環(huán)境。利用微波多普勒原理測量水面流速，測量流速時儀器不接觸水體，依靠向水面發(fā)射微波的回波來測量水面流速，特別適用于高洪測流。因此，為了安全有效的收集到流量測驗資料，赤壁分局于2017年引進了雷達(dá)波流速儀流量測驗設(shè)備。并在崇陽(二)水文站及白霓橋(二)水文站分別開展纜道拖拽雷達(dá)波流速儀及定點安裝雷達(dá)波流速儀兩種方式的比測分析專項工作。

2 水文氣象及暴雨洪水特征

陸水流域的徑流主要來源于降雨，融雪補給較少，流域地處長江中游幕阜山北緣，屬亞熱帶。受季風(fēng)環(huán)流影響，冬季盛行大陸來的極地氣團，夏季盛行海洋來的熱帶氣團，春夏兩季為季風(fēng)交替的過渡時期。陸水流域?qū)贊駶櫟貐^(qū)，流域內(nèi)氣候溫和，多年平均氣溫16.8℃。多年平均降水量1 660 mm。雨季早，雨水豐沛，由南向北遞減。降水量多發(fā)生在4～7月，約占年雨量的55.3%。其中尤以5月、6月更為集中，8月份以后雨量明顯減少，常遭伏旱。多年平均年水面蒸發(fā)量約940 mm，年平均無霜期247～261 d。流域多年平均徑流量30.7億m3(多年平均流量97.2 m3/s)，最大年徑流量47.53億mm3(1995年)，最小年徑流量12.05億m3(2007年)。

陸水流域地處鄂東南暴雨區(qū)，其降雨多受季風(fēng)環(huán)流影響，夏季偏多，冬季偏少。該流域4月份進入初汛期，5～6月份為主汛期，7～8月份為后汛期。6月份降水量最大，多年平均251.6 mm，占全年降水量的16.3%;12月份降水量最小，多年平均42.5 mm，占全年降水量的2.8%。降雨量年內(nèi)分配不均勻，年際分配相對較均勻。陸水河屬典型雨洪補給的山溪性河流。每逢暴雨即產(chǎn)生較大洪水，且峰高量大，陡漲陡落，洪峰遇見期僅為6 h左右。洪水由流域暴雨形成，從洪水發(fā)生時間上看，洪水發(fā)生時間與暴雨出現(xiàn)時間相應(yīng)。

3 比測實施

3.1 雷達(dá)波的工作原理

雷達(dá)測速的的基本原理是多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是波源和接收器有相對運動時，接收器接受到波的頻率F收與波源發(fā)出的頻率F源并不相同的現(xiàn)象。當(dāng)波源與接收器相對靜止時，則接收頻率:

F收=F源=C/λ

式中，C是波速，λ是波長。當(dāng)波源位置固定，接收器相對波源以速度V向波源方向運動時，對于接收器來說，速度增大為C+V。單位時間內(nèi)通過接收者的波的個數(shù)即頻率為:

F收= (C+V)/λ

多普勒頻移Fd=F源-F收, 接收器運動的速度:V=(Fd/F源)C，正號與發(fā)射波同向，負(fù)號則反向，速度與頻移成正比。在應(yīng)用中，發(fā)射和接收器為一體設(shè)計，則有:

V= (F收/F源- 1)C

水面水體運動時，雷達(dá)向水面發(fā)射微波,遇到水面波浪、水泡、漂浮物等后,一部分波將反射回來,回波中的一小部分被雷達(dá)接收,轉(zhuǎn)換成電信號,由測量電路處理測出回波頻率,再經(jīng)角度修正后計算出流速。

雷達(dá)波測流與浮標(biāo)法測流類似，也是測量垂線表面流速，再根據(jù)測深資料或借用斷面計算斷面面積，按流速面積法計算出虛流量，最后用預(yù)先分析出的水面系數(shù)修正后得出斷面流量。因此，我們需要率定表面流速系數(shù)才可以使用這種方法進行流量測驗。

3.2 方案確定及實施過程

根據(jù)計劃實施，赤壁分局在崇陽(二)站安裝了一套無線遙控纜道雷達(dá)波測流系統(tǒng)，在白霓橋(二)站安裝一套在線遙控多探頭雷達(dá)波數(shù)字測流系統(tǒng)。前者是將雷達(dá)波流速儀直接安裝在原有的纜道設(shè)備上，采用原有微機測流系統(tǒng)對雷達(dá)波設(shè)備進行移動，然后進行無線遙控流量測驗。后者則是在本站測驗斷面下游一座橋上定點安裝多個探頭，對固定垂線的水面流速進行不間斷監(jiān)測，并能夠完成在線輸送數(shù)據(jù)及設(shè)備控制。

采用轉(zhuǎn)子式流速儀測流設(shè)備對兩套雷達(dá)波測流設(shè)備進行比測，從而率定出水面流速系數(shù)。崇陽(二)水文站分別在高中低不同水位級實施比測，截至2018年4月，有效測次達(dá)37次，測得流量區(qū)間為280～3 670 m3/s(虛流量)。施測方案為轉(zhuǎn)子式流速儀與雷達(dá)波流速儀同時進行，借用的大斷面數(shù)據(jù)也采用同一測次，然后對測站任務(wù)書確定的固定垂線進行流速測驗，并匯總計算得到斷面流量。選取與轉(zhuǎn)子式流速儀比測時間基本重合的數(shù)據(jù)27份進行分析。運用回歸分析方法將27份數(shù)據(jù)進行計算分析得出流速系數(shù)為0.9713。雷達(dá)波流速儀測得的虛流量乘以流速系數(shù)即得到雷達(dá)波測流的斷面流量。將27份流量數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果如表1所示。

表1 實測流量比測分析表

從表1可以看出，相對誤差小于10%的占88.9%，標(biāo)準(zhǔn)差為7.0%?；緷M足《河道流量測驗規(guī)范》(GB50179-2015)的相關(guān)精度要求。由于參與對比的實測流量(轉(zhuǎn)子式流速儀測得)具備一定的偶然性，如若采用當(dāng)年線上流量進行誤差分析，誤差應(yīng)會更小。

白霓橋(二)水文站的比測則稍顯復(fù)雜，首先需要確定探頭安裝的位置，確定方法是根據(jù)多年資料，分析確定出最佳的2條垂線組合，使其垂線平均流速和斷面平均流速呈穩(wěn)定的滿足精度要求的線性關(guān)系。分析過程如下：

將白霓橋(二)站2013至2017年總計75次實測垂線流速數(shù)據(jù)提取出來，所有垂線進行兩兩組合平均計算，并和斷面平均流速進行相關(guān)分析。結(jié)果顯示：由起點距22m處和34m處兩線組合的平均流速與斷面平均流速有較好的線性關(guān)系。如圖1所示。

由于該斷面穩(wěn)定，沖淤變化小，水位面積關(guān)系及流速的橫向分布都較為穩(wěn)定，因此流速分布的代表性也較好。

圖1 兩線組合流速與斷面平均流速關(guān)系圖

因此，初步確定探頭固定位置在起點距22 m及34 m處。安裝探頭的橋梁在測驗斷面下游約30 m處，由于距離較近，兩斷面的河床縱橫形態(tài)及流速橫向分布基本一致。探頭固定完畢后即可進行在線實時流速監(jiān)測，白霓橋(二)站于2018年4月中旬開始正式監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集頻次為10 min。由于目前為止轉(zhuǎn)子式流速儀實測流量測次較少，尚不能滿足統(tǒng)計分析的數(shù)量，有待今后繼續(xù)比測數(shù)據(jù)的積累后再行分析。以4月23日的洪水漲落過程監(jiān)測數(shù)據(jù)進行連時序作圖，如圖2所示，可以看到，白霓橋(二)站采用雷達(dá)波測流初步率定的水位流量關(guān)系都是比較理想的，經(jīng)過測驗參數(shù)及系數(shù)調(diào)整，測驗結(jié)果會更貼近實際。

圖2 初步率定的水位流量關(guān)系曲線

3.3 誤差超限的原因

崇陽(二)站比測結(jié)果誤差超限的主要原因有以下幾點：①在較大流速條件下非接觸測流系統(tǒng)與鉛魚同步測量時，易發(fā)生由于偏角過大、非接觸流速傳感器采集緩慢現(xiàn)象，纜道主索隨鉛魚移動產(chǎn)生的跳動也會影響電波流速儀的測驗；②當(dāng)下游陸水水庫水位較高會對斷面產(chǎn)生嚴(yán)重頂托影響，同樣導(dǎo)致流速的橫向分布反常，導(dǎo)致流速系數(shù)偏小，后期可通過試驗豐富數(shù)據(jù)，率定出不同水位級流速系數(shù)，以便進一步提高測流精度。③在強降雨狀況下，流速采集及通信受雨衰影響。

4 結(jié) 語

采用雷達(dá)波流速儀進行流量測驗的最大好處在于：①采用這種非接觸式流量測驗無需入水，不會遭遇漂浮物，可以有效避免鉛魚被大漂浮物纏繞帶來的安全隱患；②轉(zhuǎn)子式流速儀在高水期測驗一般需1～2 h，如若多次碰到雜草纏住流速儀的情況，測驗時間會更長。而雷達(dá)波流速儀測流不到30 min，大大縮短了測驗時間，從而提高測驗精度，優(yōu)化布置測次，從而更準(zhǔn)確的定出斷面水位流量關(guān)系。

雷達(dá)波流速儀具有安裝維護方便、施工費用低、全自動穩(wěn)定、測驗時間短，實時在線監(jiān)測可靠等優(yōu)點。采用領(lǐng)先的雷達(dá)技術(shù)非接觸式進行流速測驗，能夠提高儀器的的可靠性和人員的安全，降低測站的維護成本和人員的勞動強度。經(jīng)初步比測分析，雷達(dá)波流速儀在崇陽(二)站及白霓橋(二)站的比測效果較好，基本能夠滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求，應(yīng)用前景良好。