范志軍

（湖南省張家界水文水資源勘測局湖南張家界427000）

長潭河站雷達(dá)波流速儀比測分析

范志軍

（湖南省張家界水文水資源勘測局湖南張家界427000）

1 測站基本概況

長潭河水文站位于慈利縣零陽鎮(zhèn)長青村，東經(jīng)111°01′，北緯29°08′，屬國家基本水文站，一類精度站，溇水河控制站，集水面積4913km2，主要測驗項目有：水位、流量、降水量、水溫、泥沙并負(fù)責(zé)管理11個雨量站。

測驗斷面建站后無變動，左岸均為黃土斜坎，右岸為護坡斜坎，河床由砂卵石組成，斷面呈寬U字形。河段順直長度1km，基上1100m處有長潭河水電站，基上36.6km有溇水一級支流溹水匯入，再往上6km有江埡水電站，長潭河站距河口距離為7km，基下10km為城關(guān)電站；測驗斷面無漫灘，無缺口，無水草生長，河道常年不斷流，流量測驗用纜道流速儀法施測。低枯水時，在基本水尺斷面上游145m處設(shè)立臨時測流斷面，用流速儀法涉水施測流量。

流量測次布置，洪水期用實測過程布置測次，平水期按水勢變化及測站任務(wù)書中規(guī)定的時間間隔要求布點。斷面測量用測深桿測深，汛前施測一次大斷面，汛期每月均施測水道斷面一次。

長潭河站屬于山溪性河流，由于受到上游階梯電站的開關(guān)閘的影響，水位～流量關(guān)系受人為因素影響比較紊亂，失去了自然特性，電站開閘時水位急劇上漲，關(guān)閘時水位瞬間下降，同時，電站開閘時，漂浮物多，常規(guī)流速儀法測量存在很大困難，無法把握測流時機，高水位常轉(zhuǎn)眼即逝，因此該站在高水測流時從右至左再從左至右不間斷進行施測，同時受漲落率、斷面淤積、回水頂托等因素影響，流量資料整編方法有：臨時曲線法、連時序法、連實測流量過程線法等。本站水位級劃分為：高水：

96.13 m以上，中水：92.47～96.13m，低水：92.47m以下，本站歷年實測最高洪水位102.92m，最低水位為90.33m，本次比測最高洪水位98.30m。

2 比測分析的目的

長潭河站高洪測驗方案有纜道流速儀法、浮標(biāo)法和比降面積法，由于該站地處山區(qū)，上有電站開閘放水時河道中遍布漂浮物，且多樹木等大型漂浮物半浮于水中，對纜道流速儀法施測造成極大的安全隱患，再加上浮標(biāo)投放室于2011年因慈茶公路修建被毀，現(xiàn)在浮標(biāo)法測流只能依賴天然浮標(biāo)，往往漲水面布點不均勻。雷達(dá)波流速儀是一種新型的測量儀器，無需設(shè)備進入水體，是一種較為理想的高洪測驗方式。特別是在長潭河站高洪時水面漂浮物多且因電站控制歷時短的情況下，雷達(dá)波流速儀是較理想的選擇。

為確保雷達(dá)波流速儀在長潭河站的有效使用，發(fā)揮新儀器新設(shè)備的作用，有效提高長潭河站高洪測驗?zāi)芰?，我站按省局《水文監(jiān)測管理規(guī)定》具體要求對雷達(dá)波流速儀進行比測分析。

3 雷達(dá)波流速儀的介紹

3.1 儀器簡介

雷達(dá)波流速儀測流設(shè)備采用美國ACI公司多普勒雷達(dá)波測速傳感器，以非接觸方式測量水流表面流速，借助水文站現(xiàn)有纜道設(shè)施，故稱為纜道雷達(dá)波流速儀，其型號為SOMMER RG-30。主要是測量測流垂線水面流速，并配套中文專業(yè)測流軟件，通過借用斷面資料來計算斷面流量。室外設(shè)備有多普勒雷達(dá)波流速傳感器、無線控制模塊及防水天線、鋰電池及充電器，室內(nèi)設(shè)備主要有：無線收發(fā)器及天線、測流軟件、設(shè)備檢測軟件等。

3.2 軟件的主要功能

（1）設(shè)置測流斷面和測流垂線，并能自動繪制河道斷面圖。

（2）設(shè)置左右岸邊系數(shù)和浮標(biāo)系數(shù)及水位流速系數(shù)及報表參數(shù)。

（3）計算流速平均歷時。

（4）設(shè)置測量點測量時長，自動計算平均流速。

（5）接收流速數(shù)據(jù)和輸入水位數(shù)據(jù)，計算流量并生成流量計算表。

（6）輸入水尺讀數(shù)自動計算水位，水位比降，糙率。

（7）自動計算左水邊岸邊距與右水邊岸邊距。

（8）報表以標(biāo)準(zhǔn)Excel格式顯示，方便用戶打印，傳遞。

（9）往期報表查詢及流速查詢。

（10）能夠根據(jù)測量點自動定位浮標(biāo)位置并顯示當(dāng)前測量點的起點距。

（11）能提示并自動跳到下一個起點距大一點的測量點，也可以反方向自動跳到下一個起點距小一點的測量點。

（12）具有數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)功能。

（13）具有自動測量模式與人工測量模式。

（14）自動從現(xiàn)有水位系統(tǒng)中提取水位，并計算出流量。

3.3 設(shè)備測流原理和工作方式

借助水文纜道，當(dāng)行車至第一條測速垂線后，流速探頭即根據(jù)計算機指令采集水面流速數(shù)據(jù)。依次測量每條垂線，結(jié)合大斷面資料計算出斷面面積和斷面流量。測流軟件在完成流速測量后，自動進行流量計算，生成流量測驗成果表。雷達(dá)波水面流速系數(shù)的確定是流量精度的關(guān)鍵，需專門進行比測率定。

4 比測分析

4.1 比測儀器

根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》（GB50179-93）和《水文資料整編規(guī)范》等相應(yīng)規(guī)范的有關(guān)技術(shù)要求，用轉(zhuǎn)子式流速儀與雷達(dá)波流速儀進行了流量的對比試驗，轉(zhuǎn)子式流速儀型號分別為為：LS（25-1）050279、LS（25-1）090684、LS（25-1）040442。

4.2 比測方法

纜道雷達(dá)波流速儀與轉(zhuǎn)子式流速儀同步進行測流，當(dāng)纜道運行到測速垂線第一線時，雷達(dá)波與流速儀同時開始施測，測點施測時間同步，如流速儀測點施測時間為60s、100s時，雷達(dá)波同時采用60s、100s。測次分布在93.27m以上的不同水位級。轉(zhuǎn)子式流速儀根據(jù)實際情況分別采用水面一點法、兩點法、三點法施測斷面平均流速，但是由于雷達(dá)波是20s采集一次數(shù)據(jù)，且第一個數(shù)據(jù)自動舍去，在水位變化顯著的時候，流速儀測點實測時間為30s時雷達(dá)波不能施測到數(shù)據(jù)，或部分測點接收接收的流速為零，影響比測結(jié)果，施測時間為30s的比測結(jié)果不參與分析。

4.3 分析方法及步驟

4.3.1 雷達(dá)波水面系數(shù)的確定

用雷達(dá)波流速儀測到的水面流速代替垂線平均流速計算出虛流量，再與轉(zhuǎn)子式流速儀測出的流量相比較，計算出各測次的系數(shù)，再計算出系數(shù)平均值，即為所求水面流速系數(shù)。計算公式如下：

4.3.2 水面系數(shù)的分析計算

雷達(dá)波各測次水面系數(shù)Ki及平均水面系數(shù)K0.0計算如表1。

表1 雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)分析計算表

根據(jù)表1計算結(jié)果，取雷達(dá)波流速儀水面流速系數(shù)k0.0=0.88參與分析。

4.3.3 誤差分析計算

采用系統(tǒng)誤差和隨機不確定度來進行誤差評價，計算公式如下：

標(biāo)準(zhǔn)差：Se=

隨機不確定度：X′Q=2Se

式中：Q——轉(zhuǎn)子式流速儀流量

Qi——雷達(dá)波施測流量

誤差統(tǒng)計表如表2。

表2 誤差分析計算表

隨機不確定度：X′Q=2Se=2×4.57%=9.14%

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》SL247-2012第3.3.2第1、2條規(guī)定，一類精度站系統(tǒng)誤差不超過±1%，隨機不確定度不超過8%，采用雷達(dá)波測流隨機不確定度可增大2%。本次分析系統(tǒng)誤差與隨機不確定度都在允許范圍內(nèi)，滿足水文資料整編等相關(guān)規(guī)范的精度指標(biāo)要求，誤差對比見表3。

表3 不同系數(shù)誤差對照表

從表3中可以看出，k0.0=0.88為最優(yōu)系數(shù)。

5 存在問題

長潭河站歷史最高水位102.92m（1993.7.23），近三年以來實測最高水位98.41m（2013.6.6），水位在98.41m以上的沒有收集到比測資料；雷達(dá)波流速儀20s采集一次數(shù)據(jù)，且第一個數(shù)據(jù)自動舍棄，當(dāng)漲落率大，流速儀施測時間為30s時，雷達(dá)波接收不到流速數(shù)據(jù)，部分比測成果因不合理而舍棄；雷達(dá)波測流軟件在測流前要先設(shè)置好垂線位置，測流過程中不能更改，部分資料因垂線轉(zhuǎn)移不合理在測流過程中修改雷達(dá)波測流軟件中的最后一線垂線位置，導(dǎo)致測流結(jié)束后不能計算出結(jié)果而廢棄該次比測成果。

6 結(jié)論

通過比測對比分析，長潭河站雷達(dá)波流速儀比測分析成果誤差滿足規(guī)范要求。雖然軟件設(shè)置存在瑕疵，稍作修改，是一種理想的測驗方式，能夠在特殊水情下（漂浮物多）和大雨、黑夜等惡劣自然環(huán)境中穩(wěn)定地工作，是解決長潭河站高洪流量測驗的可靠設(shè)備，可有效提高長潭河站高洪測驗?zāi)芰Α?/p>

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A

1004-7344（2016）28-0154-02

2016-9-18

范志軍（1982-），男，助理工程師，本科，主要從事水文測驗工作。