王力 瞿蘭蘭 張弛

摘要：雷達(dá)波流速儀具有測量速度快、可靠性高、安全性強(qiáng)等優(yōu)勢，在水文勘測中得到了廣泛應(yīng)用。為了更好地控制崇陽（二）水文站洪水流量變化過程，并解決其在洪水搶測中存在的問題，通過對傳統(tǒng)流量測驗(yàn)與雷達(dá)波流量測驗(yàn)的對比分析，對其在流量測驗(yàn)中的改正系數(shù)進(jìn)行了率定。流量比測結(jié)果表明：系統(tǒng)誤差不符合相關(guān)規(guī)范要求，建議在未來測驗(yàn)過程中盡量避開水流出現(xiàn)紊流、水位漲落率大以及風(fēng)速大等情況。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)波測流;流量系數(shù);比測分析;崇陽（二）水文站;陸水流域

中圖法分類號：P332.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-0081（2020）12-0013-04

雷達(dá)波流速儀不受水中含沙量、漂浮物和氣候條件等因素影響，具有測量迅速、可靠性高、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，在水文勘測中應(yīng)用較為廣泛。為了更加完整地控制洪水流量變化過程，在陸水水庫主要控制站崇陽（二）水文站，使用雷達(dá)波非接觸流量測驗(yàn)系統(tǒng)與常規(guī)測流方法進(jìn)行同步測驗(yàn)，確定雷達(dá)波流量測驗(yàn)系數(shù)，以期解決該站在洪水搶測中所面臨的困難。

1水文站概況

崇陽（二）水文站是控制陸水水庫上游陸水河水雨的國家基本水文站（見圖1）。流域控制面積2200km²，來水主要源于斷面上游區(qū)間降雨，屬典型的山溪性小河控制站。測驗(yàn)河段順直長度約800m，主槽寬約170m，斷面呈“U”形，較為穩(wěn)定，測站控制良好。主泓居中，流速分布與主泓相應(yīng)，高水時(shí)主泓略有擺動(dòng)。斷面上游700m處有徑流式電站;下游約4km為高堤河與大市河匯合后注入陸水河的人口。水位在51.6m以下時(shí)起點(diǎn)距50m以下為死水，水位在59.5m以上時(shí)右岸出現(xiàn)漫灘。當(dāng)不受下游水庫頂托時(shí)，水位-流量關(guān)系曲線一般為單一線;當(dāng)頂托較為明顯時(shí)，水位-流量關(guān)系曲線簇左偏并形成繩套。

2非接觸流量測驗(yàn)系統(tǒng)概述

非接觸流量測驗(yàn)系統(tǒng)是根據(jù)中小河流水流急、漂浮物多、河水陡漲陡落等特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的流量測報(bào)系統(tǒng)。此次比測在崇陽（二）水文站安裝一套在線遙控多探頭雷達(dá)波數(shù)字測流系統(tǒng)，傳感器安裝于纜道行車下方5m處，采用太陽能供電，通過通信電臺與站房內(nèi)設(shè)備通信。測驗(yàn)包含了固定在纜道上的前端設(shè)備和后方的通信電臺、測流軟件兩大部分，其中前端設(shè)備包含RG30傳感器、RTU、鋰電池、充電控制器、太陽能板、通信電臺，見圖2。

纜道式非接觸測流系統(tǒng)由雷達(dá)波測流儀、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和測流軟件等組成。雷達(dá)波測流儀和數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)在非工作時(shí)段處于低功耗休眠狀態(tài);測流軟件在工作時(shí)啟動(dòng)測流，可在1s內(nèi)自動(dòng)喚醒前方設(shè)備，開始逐垂線采集流速并傳輸。采集結(jié)束后，測流軟件通過人工錄入的水位或自動(dòng)提取水位進(jìn)行流量計(jì)算成果輸出。測量結(jié)束后，前方設(shè)備進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。

纜道式非接觸測流系統(tǒng)利用無線遙控、纜道定位和測流軟件，通過在電腦上遠(yuǎn)程操作，完成固定垂線的水面流速測驗(yàn)。測流斷面的實(shí)測流量為固定垂線的水面流速、過水?dāng)嗝婷娣e和流量系數(shù)的乘積。該方法可替代傳統(tǒng)流速儀法及浮標(biāo)法，從而實(shí)現(xiàn)流量的在線監(jiān)測。因此，需要率定表面流速系數(shù)（即流量系數(shù)）才能使用該方法進(jìn)行流量測驗(yàn)。

3流量比測

3.1比測目的

崇陽（二）水文站處于陡漲陡落的山區(qū)河流，水位變化急劇，峰頂持續(xù)時(shí)間極短，高水時(shí)漂浮物多，對流速儀施測有一定的影響，且該站受上游電站開關(guān)閘和下游陸水水庫高水頂托影響，難以通過流量測驗(yàn)掌握實(shí)際水文情況。為了分析全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測流系統(tǒng)（以下簡稱“雷達(dá)波系統(tǒng)”）所測流量與該斷面穩(wěn)定流量的相關(guān)關(guān)系，充分發(fā)揮其無人值守、實(shí)時(shí)監(jiān)測的優(yōu)勢，采用LS25轉(zhuǎn)子式流速儀與雷達(dá)波系統(tǒng)測流進(jìn)行比測，對比分析兩者流量測驗(yàn)成果。

3.2比測方式和結(jié)果

（1）比測斷面為崇陽（二）水文站流速儀測流斷面。

（2）比測儀器采用雷達(dá)波系統(tǒng)和LS25轉(zhuǎn)子式流速儀。

（3）比測方法。2017～2018年對崇陽（二）水文站采用纜道流速儀測流，流量常規(guī)測驗(yàn)方法見表1。在轉(zhuǎn)子式流速儀測速的同時(shí)，雷達(dá)波系統(tǒng)同步施測，在線監(jiān)測探頭安裝于行車下方。雷達(dá)波系統(tǒng)虛流量利用流速儀斷面水深和流速進(jìn)行計(jì)算。

（4）比測次數(shù)。2017～2018年各級水位共進(jìn)行了35次流量比測，每次測有5～8線，即測速比測次數(shù)約210次。在34次流量比測中，實(shí)測最大流量2590m³/s，相應(yīng)水位58.74m;實(shí)測最小流量126m³/s，相應(yīng)水位51.39m，水位變幅7.35m。流量比測包括了所有水位級，原始分析資料準(zhǔn)確、可靠，比測成果合理。

（5）誤差分析。測驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水流出現(xiàn)紊流時(shí)，雷達(dá)波系統(tǒng)施測不到流速，應(yīng)查明原因，消除影響后方可使用。當(dāng)水位變化急劇時(shí)，由于所需測流時(shí)間差異，水位變幅不一致，可能導(dǎo)致該系統(tǒng)所測流量與流速儀施測結(jié)果差異大。對于低速水流，風(fēng)速的影響也極大，因此測量結(jié)果可能無法反映實(shí)際流速。

3.3流量比測數(shù)據(jù)分析

（1）分析方法。同一水位下，LS25轉(zhuǎn)子式流速儀所測流量為縱坐標(biāo)、雷達(dá)波系統(tǒng)同步所測流量為橫坐標(biāo)，點(diǎn)繪關(guān)系圖，對比分析后得出關(guān)系式。

（2）相關(guān)系數(shù)分析。通過采用LS25轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測流量與雷達(dá)波系統(tǒng)實(shí)測流量進(jìn)行曲線擬合，通過數(shù)據(jù)分析，將流量分成不同流量級。當(dāng)流量小于2000m³/s時(shí)，綜合相關(guān)系數(shù)R²=0.9892，LS25轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測流量與雷達(dá)波系統(tǒng)實(shí)測流量為線型函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為y=0.8161x，線型關(guān)系見圖3。當(dāng)流量大于2000m³/s時(shí)，綜合相關(guān)系數(shù)R²=0.9029，關(guān)系式為y=0.7449x，線型關(guān)系見圖4。

（3）關(guān)系線檢驗(yàn)。從分析成果可見，比測中有34次轉(zhuǎn)子式流速儀與雷達(dá)波系統(tǒng)實(shí)測流量大致符合線型函數(shù)關(guān)系，可用于崇陽（二）水文站雷達(dá)波系統(tǒng)流量系數(shù)率定分析。根據(jù)GB 50179-2015《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》要求，在測站正式投入使用前，各種方法所使用的儀器應(yīng)與流速儀進(jìn)行比測，并應(yīng)符合以下條件：比測隨機(jī)不確定度不應(yīng)超過6%，系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過士1%。經(jīng)檢驗(yàn)計(jì)算，隨機(jī)不確定度為10.8%，系統(tǒng)誤差（P（平））為0.97%，不符合GB50179-2015《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》要求，檢驗(yàn)成果詳見表2。

4結(jié)論

（1）雷達(dá)波系統(tǒng)實(shí)測流量與LS25轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測流量關(guān)系大致符合線型函數(shù)關(guān)系，但比測隨機(jī)不確定度為10.8%，系統(tǒng)誤差為0.97%，不符合《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》要求。

（2）當(dāng)水流出現(xiàn)紊流時(shí)雷達(dá)波系統(tǒng)施測不到流速，應(yīng)查明原因，盡快消除影響;當(dāng)水位變化急劇時(shí)，由于所需測流時(shí)間上的差異，雷達(dá)波系統(tǒng)測得的流量與流速儀測得的流量差異較大，水位變幅不一致。對于低速水流，風(fēng)速的影響也極大，因此測量結(jié)果無法準(zhǔn)確反映實(shí)際速度。誤差分析結(jié)果表明：為將纜道雷達(dá)波測流系統(tǒng)受到外界因素影響降到最小，建議在未來測驗(yàn)過程中盡量避開紊流、水位漲落大以及風(fēng)速大等情況。

（3）雷達(dá)測流虛流量為100～2000m³/s，綜合相關(guān)系數(shù)為0.9892;2000m³/s及以上虛流量的綜合相關(guān)系數(shù)為0.9029，故不可直接將其應(yīng)用于非接觸流量測驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。建議該測流方式僅在日常流量測驗(yàn)中使用，適時(shí)增加比測次數(shù)，增加比測樣本，以滿足不同水位級分析資料需求。

（編輯：李曉濛）