◎龐 雷

◆作者系陜西省水文水資源勘測局總工程師

目前，我省河流的流量測驗(yàn)，基本上是采用修建過河水文纜道，用轉(zhuǎn)子式流速儀，測得實(shí)測流速和水深，再通過流速面積法將流速轉(zhuǎn)換為流量；高水采用水面浮標(biāo)法測得水面流速，再借用斷面面積轉(zhuǎn)換為流量。采用以上方法測流必須征地，進(jìn)行纜道建設(shè)，蓋觀測房，接高、低壓電，且使用人工測流，工作量大，不能實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)測流，投資較大。隨著中小河流的建設(shè)，我省將在156條河流上新建74處水文站，90處水位站，并將開展洪水預(yù)警預(yù)報(bào)工作，工作量增加不止一倍以上，而人員沒有增加。中小河流水文非工程項(xiàng)目的建設(shè)，主要解決的是為防汛服務(wù)，提前預(yù)警預(yù)報(bào)，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，為政府部門提供防汛決策依據(jù)。隨著科技的迅猛發(fā)展以及中小河流非工程項(xiàng)目建設(shè)的要求，為減少洪水對國家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失，這就要求必須采用先進(jìn)的測驗(yàn)儀器，在最短的時(shí)間內(nèi)，用最少的人力能夠測得準(zhǔn)、報(bào)得出。雷達(dá)波流速儀的應(yīng)用使得流量測驗(yàn)可以滿足以上要求。

1 雷達(dá)波流速儀介紹

雷達(dá)波流速儀測流現(xiàn)已寫入河流流量測驗(yàn)規(guī)范?，F(xiàn)國際、國內(nèi)應(yīng)用的雷達(dá)波流速儀有以下幾種形式。

1.1 固定單、多探頭雷達(dá)波流速儀測流系統(tǒng)（如圖 1）

圖1 固定單、多探頭雷達(dá)波流速儀

此測流系統(tǒng)適用于斷面基本穩(wěn)定，有較好的水位流量關(guān)系或斷面上游有橋的測站。

該測流系統(tǒng)由單個(gè)或多個(gè)雷達(dá)波測流探頭用電纜線相連，布設(shè)在測驗(yàn)河道斷面一點(diǎn)（能代表斷面平均流速處）或多點(diǎn)，由太陽能電池、RTU（數(shù)據(jù)信號(hào)處理器）、防雷設(shè)備等，通過有線或無線傳輸將測得的水面流速傳到測站和分中心，測站和分中心將提前測得的斷面和水位資料通過專門提供的計(jì)算軟件計(jì)算為斷面流量。

1.2 移動(dòng)式雷達(dá)波流速儀測流系統(tǒng)（如圖2）

此測流系統(tǒng)適用于測站已建有纜道，利用現(xiàn)有纜道設(shè)備，以非接觸方式，測量河流斷面每條垂線水面流速，以有線或無線的方式傳回測站或分中心，根據(jù)斷面和水位資料，通過配套測流軟件，計(jì)算出流量。

圖2 移動(dòng)式雷達(dá)波流速儀

1.3 無線遙控雷達(dá)波流速儀測流系統(tǒng)（如圖3）

圖3 無線遙控雷達(dá)波流速儀

此測流系統(tǒng)適用于測流斷面變化較大，又沒有現(xiàn)成的水文纜道，測流斷面上游又沒有橋梁的河流。

無線遙控雷達(dá)波流速儀測流系統(tǒng)是將雷達(dá)波流速儀固定懸掛在配套直徑4.2mm的簡易鋼絲繩纜道上，利用無線遙控、配套定位和測流軟件，通過在電腦上遠(yuǎn)程操作，以非接觸方式進(jìn)行測驗(yàn)和計(jì)算水面流速、斷面流量。

1.4 手持雷達(dá)波流速儀（如圖4）

圖4 手持雷達(dá)波流速儀

此測流方式適用于斷面較窄，有橋，橋距水面較低的河道。

測流方式同上，但此方式實(shí)現(xiàn)不了自動(dòng)在線和遠(yuǎn)傳的功能。

2 雷達(dá)波流速儀和傳統(tǒng)測流的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 投資小

對新設(shè)站，不需征地、不需解決供電、蓋房等。

2.1.2 安全可靠

儀器以非接觸方式進(jìn)行測驗(yàn)，無需人員在水中和雨中操作。

2.1.3 可實(shí)現(xiàn)在線測流

可實(shí)現(xiàn)水面流速數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)傳，結(jié)合配套軟件、水位、斷面資料自動(dòng)生成斷面流量。

2.1.4 測得水面流速精度較高

雷達(dá)波流速儀每秒可采集4組測點(diǎn)水面流速信號(hào)，如設(shè)定該測點(diǎn)測速歷時(shí)為20s，該測點(diǎn)在20s內(nèi)可測得80組流速信號(hào)，測流軟件會(huì)自動(dòng)去除10%的最大、最小數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，可消除波浪等不利影響，提高測驗(yàn)精度。

2.1.5 測速范圍寬

測速范偉達(dá)0.2m/s～18m/s。

2.1.6 維修方便

雷達(dá)波流速儀體積小，攜帶方便，太陽能電池可應(yīng)用5年。

2.2 缺點(diǎn)

2.2.1 需進(jìn)行比測

由于雷達(dá)波流速儀測得的是水面流速，必須進(jìn)行比測實(shí)驗(yàn)，以確定該河流水面流速與斷面平均流速的關(guān)系。

2.2.2 需增加斷面測量次數(shù)

由于雷達(dá)波流速儀測得的是水面流速，沒有實(shí)測水深，斷面資料是借用，因此，為了保證資料精度，必須增加斷面測量次數(shù)。

3 雷達(dá)波流速儀在我省升仙村站的比測分析

3.1 升仙村水文站基本情況

升仙村水文站控制流域面積2143km2，距河口距離24km，是湑水河上的控制站。該站測驗(yàn)斷面河寬176m，中泓位置大致在60m～80m，河道斷面基本穩(wěn)定。

表1 雷達(dá)波流速儀與實(shí)測流量誤差分析計(jì)算表

該站在原斷面建有流量測驗(yàn)纜道一套，為1980年修建電動(dòng)纜道，流量測驗(yàn)采用過壩（湑惠渠大壩）流量與壩上水位率定的水位流量關(guān)系推算。2011年，升仙村水文站進(jìn)行測驗(yàn)設(shè)施改造，引進(jìn)了先進(jìn)的雷達(dá)水位計(jì)和雷達(dá)流量計(jì)，根據(jù)測站所處的地理位置、地質(zhì)情況，以及河道特性、水流條件、水位變幅、岸坡形式等，選擇在主索行車架上建設(shè)安裝測流支架，配備高頻雷達(dá)流量計(jì)測流系統(tǒng)，并固定起點(diǎn)距60m處進(jìn)行測流。

3.2 升仙村站雷達(dá)波流速儀對比分析

2012年7月2日～9日升仙村水文站連續(xù)出現(xiàn)兩次洪水過程，第一次為2日～5日，最大流量為817m3/s；第二次為7日～10日，該站出現(xiàn)了最大流量917m3//s的洪水過程。開展了雷達(dá)流量計(jì)測流與過壩流量的對比觀測，每3分鐘取得一個(gè)流速數(shù)據(jù)，每6分鐘計(jì)算一次流量，共計(jì)46次對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

3.3 流量系數(shù)的確定

按照表1中的數(shù)據(jù)，將雷達(dá)流量計(jì)實(shí)測虛流量與對應(yīng)的過壩流量進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算，相關(guān)關(guān)系見圖5。經(jīng)計(jì)算其相關(guān)系數(shù)為0.9975，回歸方程為：

式中：Q壩——為過壩流量（m3/s）；

Q虛——為雷達(dá)流量計(jì)實(shí)測虛流量（m3/s）。

K——為流量系數(shù)，固定一點(diǎn)法時(shí)為表面流代表流速與斷面平均流速換算系數(shù)。

經(jīng)過相關(guān)計(jì)算，確定固定位置表面流代表流速與斷面平均流速換算系數(shù)K=0.782。

3.4 誤差分析

從表1中可以看出，最大相對誤差在10.3%，75%的比測測次誤差在5%左右，95%的測次誤差在8%左右，系統(tǒng)誤差（累計(jì)頻率為50%）為0.34%。根據(jù)中華人民共和國《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》(GB50179-93)，二類精度測站水文纜道法測流比測允許誤差規(guī)定為系統(tǒng)誤差不超過-2%～1%，中低水位的隨機(jī)不確定度（置信水平為95%）不超過7%～10%；均勻浮標(biāo)法單次流量測驗(yàn)允許誤差為11%。按此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，升仙村站雷達(dá)流量計(jì)測驗(yàn)誤差基本達(dá)到水文纜道測流允許誤差，達(dá)到均勻浮標(biāo)法流量測驗(yàn)誤差標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 雷達(dá)波流量計(jì)實(shí)測虛流量與過壩流量相關(guān)圖

4 影響雷達(dá)波流速儀測流的因素和解決方法

4.1 風(fēng)向風(fēng)速的影響和解決方法

雷達(dá)波流速儀測量水面流速時(shí)，儀器本身測得的數(shù)據(jù)沒有問題，但水面如果受風(fēng)的影響，順風(fēng)水面流速會(huì)偏大，逆風(fēng)水面流速會(huì)偏小。這就要求在成果資料整理上，觀測風(fēng)向、風(fēng)速，進(jìn)行處理。

4.2 測流角度的影響和解決方法

由于雷達(dá)波流速儀發(fā)射的是雷達(dá)波，探頭俯角越大，與水面接觸面越小，回波信號(hào)越弱。正常情況下建議探頭俯角為40°~45°。

4.3 測流歷時(shí)的影響

由于流速越大每秒測得的數(shù)據(jù)越多，流速越小，測得的數(shù)據(jù)越少。建議在低流速時(shí)，應(yīng)增長測速歷時(shí)，大于60s。

4.4 儀器高度的影響

由于電池功率和發(fā)射功率的原因，距離越近，回波信號(hào)越強(qiáng)，距離越遠(yuǎn)回波信號(hào)越弱。建議正常情況下儀器高度不能超過30m，低流速時(shí)探頭越低越好。

5 結(jié)語

雷達(dá)波流速儀的引進(jìn)和應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)水文纜道使用轉(zhuǎn)子式流速儀和ADCP在高流速、波浪大無法入水，有漂浮物和水草纏繞儀器不能測驗(yàn)、不安全等問題。此測流系統(tǒng)采用非接觸測流，安全可靠、投資少、經(jīng)濟(jì)適用、施工和安裝簡便，尤其是可以實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)測流，通過無線等方式將測流結(jié)果發(fā)回測站和分中心，在最短時(shí)間內(nèi)能夠測得準(zhǔn)、報(bào)得出，為防汛決策提供可靠依據(jù)，可以成為中小河流流量測驗(yàn)的主要儀器。