冼永成

(廣東省水文局肇慶水文分局， 廣東 肇慶 526060)

1 測站概況

腰古水文站設(shè)于新興江下游，建于1958年6月，位于云城區(qū)腰古鎮(zhèn)沙咀村，是西江一級支流新興江的控制站，結(jié)合新興江流域整治及水情需要而設(shè)，屬國家二類精度水文站，測驗項目有水位、流量、降雨量、蒸發(fā)量、水質(zhì)等。斷面以上集水面積為1 776 km2，干流長為88.2 km，至河口距離為35 km。

該站多年(1959—2018年)平均徑流量為15.99億m3，最大年徑流量為26.49億m3(1965年)，最小年徑流量為7.91億m3(2007年)，實測最高水位為17.23 m(1976年9月21日)，實測最大流量為2 050 m3/s(1976年9月21日)，最大流速為2.33 m/s(1976年9月21日)，警戒水位為16.00 m[1]。

新興江水系以及腰古水文站位置見圖1所示。

2 比測目的

新興江發(fā)生大洪水時，腰古站上游來水?dāng)y帶大量漂浮物如竹子和樹木等，嚴(yán)重影響纜道測流或走航式ADCP測流。為了解決該問題，腰古水文站在2017年6月引進(jìn)了非接觸式雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)。為了驗證儀器的適應(yīng)性，需對雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)進(jìn)行比測，將所測流量與腰古站流速儀測流斷面實測流量建立相關(guān)關(guān)系，從而到達(dá)雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)取代常規(guī)測流方式目的。

圖1 腰古站流域概況示意

3 雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)S3 SVR IV

3.1 測流原理

雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)是采用非接觸方式測驗水道斷面上若干條垂線的水面流速，其流量計算方法與轉(zhuǎn)子流速儀一樣，即部份流速乘以部份面積得部份流量，n個部份流量之和即為斷面虛流量。公式如下：

式中Qf為指標(biāo)流量,m3/s；Vi為水面流速,m/s；Ai為部分面積,m2；qi為斷面部分指標(biāo)流量,m3/s。

雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)所測指標(biāo)流量需與水文站常規(guī)測流方法，所測實測流量率定流量系數(shù)，即得到斷面實測流量:

3.2 儀器主要技術(shù)指標(biāo)及儀器安裝

流速測量精度：±0.03 m/s；流速測量范圍：0.2～18 m/s；測流原理：雷達(dá)多普勒；流速采樣速率：5次/s；微波發(fā)射功率：50 mW；微波發(fā)射頻率：34.7 GHz；波速寬度：12°；測速歷時：5～100 s；最大測程：100 m；俯角修正：具有自動檢測修正功能，最大值不小于60°的手動修正能力；使用條件：24 h，特大暴雨天氣均能正常作業(yè)；工作模式：可設(shè)置連續(xù)測流或分時段、分水位級測流模式，并可由手機(jī)或計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測流控制[2]。

儀器的安裝綜合考慮安全、儀器性能等因素，選擇在基本水尺斷面下游6 m處高程為19.00 m處安裝雷達(dá)波系統(tǒng)的簡易纜道，雷達(dá)波探頭安裝角度為向上游方向呈45°，向水面發(fā)射雷達(dá)波，波束射到水面位置與基本水尺斷面兼流速儀測流斷面基本重合，該位置水流集中、無回水、斜流等不利影響因素，代表性良好。

4 比測率定情況

4.1 比測率定方法

根據(jù)《河道流量測驗規(guī)范》(GB 50179—2015)和《水文資料整編規(guī)范》(SL 0247—2012)，腰古站比測率定采用腰古(二)站轉(zhuǎn)子式流速儀和走航式ADCP測流法與雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)進(jìn)行率定分析。轉(zhuǎn)子式流速儀型號為LS25-1，走航式ADCP型號為M9[3]。

用雷達(dá)波測流系統(tǒng)施測的指標(biāo)流量Q指標(biāo)與纜道實測流量Q實測建立相關(guān)關(guān)系。為了使雷達(dá)波與實測流量率定資料時間同步，指標(biāo)流量選取了與實際測流平均時間最接近的雷達(dá)波所測的數(shù)據(jù)參與率定分析。

4.2 比測斷面

本次比測率定斷面選擇腰古站基本水尺斷面兼流速儀測流斷面(見圖2所示)。

圖2 腰古站基本水尺斷面變化示意

4.3 流量比測情況

本次率定分析資料的時間段為2017年6月23日—2018年10月6日，實測流量變幅為43.6～1 700 m3/s，相應(yīng)水位變幅7.98～15.63 m，測流水位級分布均勻，能控制流量變化過程。比測期間，共選取33份比測流量進(jìn)行分析。流量比測成果見表1。

表1 腰古水文站纜道實測流量與雷達(dá)波測流流量比測成果

4.4 比測率定關(guān)系

圖3 實測流量與雷達(dá)波流量率定關(guān)系線

5 驗證分析

5.1 誤差分析

根據(jù)實測流量與雷達(dá)波流量的相關(guān)關(guān)系式，對照計算出查線流量Q查線，分析Q查線與纜道實測流量Q實測的誤差，對33個流量測點進(jìn)行合格率分析計算，相對誤差精度≤10%合格率達(dá)到87.9%，誤差情況見表2。

表2 查線流量與實測流量誤差分析 m3/s

5.2 關(guān)系曲線檢驗分析

對關(guān)系曲線進(jìn)行三線檢驗，從分析成果可見，比測33次的纜道實測流量與雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)實測流量符合曲線關(guān)系，經(jīng)檢驗計算，標(biāo)準(zhǔn)差Se=6.5%，隨機(jī)不確定度13.0%，系統(tǒng)誤差為0.21%。參照規(guī)范，二類精度水文站的系統(tǒng)誤差≤1%、隨機(jī)不確定度≤10%，雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)測量值為水面流速，隨機(jī)不確定度可增大2%～4%，定線精度滿足規(guī)范要求。同時，符號、適線及偏離數(shù)值檢驗均及格，符合《水文資料整編規(guī)范》SL 247—2012的要求[5-6]。

6 需要注意的問題

在比測期間，雷達(dá)測流系統(tǒng)總體運(yùn)行良好，但也存在一些不適應(yīng)性。

1) 風(fēng)速的影響。在低水期水面流速較低時，強(qiáng)風(fēng)會影響水面流速，指標(biāo)流速有時與實際流速相差較大；在大風(fēng)尤其是臺風(fēng)侵襲期間，自動行車在強(qiáng)風(fēng)中出現(xiàn)劇烈搖晃的情況，容易產(chǎn)生掉落的危險。因此，要對系統(tǒng)進(jìn)行停測風(fēng)速的設(shè)置，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定的值時，停止雷達(dá)波系統(tǒng)進(jìn)行流量測驗[7]。

2) 由于該儀器流速測量范圍為0.2～18 m/s，故低枯水時河道流速偏小時，儀器不適用。

3) 在高洪期，水位變化過快，雷達(dá)波測流系統(tǒng)與流速儀施測時間及水位變幅不一致，導(dǎo)致計算流量差異較大的情況，需在流速儀施測前中后期使用人工控制雷達(dá)波系統(tǒng)進(jìn)行施測，取指標(biāo)流量均值與流速儀流量進(jìn)行比測。

7 結(jié)語

通過比測，在流量變幅為43.6～1 700 m3/s時，雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)Q指標(biāo)～Q實測關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)關(guān)系較好，關(guān)系線通過三線檢驗，定線精度指標(biāo)符合《水文資料整編規(guī)范》。雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)在該站適應(yīng)線良好，可以推廣使用。

雖然雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)在使用中有一些局限性，但相對常規(guī)測流方法來說，不僅可以解決高洪時期漂浮物較多的影響，還可以實現(xiàn)自動、高效的流量測驗，雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)可以為腰古水文站實現(xiàn)水文現(xiàn)代化、自動化提供有效技術(shù)支撐。