冼永成

(廣東省水文局肇慶水文分局， 廣東 肇慶 526060)

1 測(cè)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(jí)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(guó)家二類精度水文站，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)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(zhǎng)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(shí)測(cè)最高水位為17.23 m(1976年9月21日)，實(shí)測(cè)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(cè)目的

新興江發(fā)生大洪水時(shí)，腰古站上游來(lái)水?dāng)y帶大量漂浮物如竹子和樹木等，嚴(yán)重影響纜道測(cè)流或走航式ADCP測(cè)流。為了解決該問(wèn)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(cè)流系統(tǒng)。為了驗(yàn)證儀器的適應(yīng)性，需對(duì)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行比測(cè)，將所測(cè)流量與腰古站流速儀測(cè)流斷面實(shí)測(cè)流量建立相關(guān)關(guān)系，從而到達(dá)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)取代常規(guī)測(cè)流方式目的。

圖1 腰古站流域概況示意

3 雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)S3 SVR IV

3.1 測(cè)流原理

雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)是采用非接觸方式測(cè)驗(yàn)水道斷面上若干條垂線的水面流速，其流量計(jì)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(gè)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(cè)流系統(tǒng)所測(cè)指標(biāo)流量需與水文站常規(guī)測(cè)流方法，所測(cè)實(shí)測(cè)流量率定流量系數(shù)，即得到斷面實(shí)測(cè)流量:

3.2 儀器主要技術(shù)指標(biāo)及儀器安裝

流速測(cè)量精度：±0.03 m/s；流速測(cè)量范圍：0.2～18 m/s；測(cè)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(cè)速歷時(shí)：5～100 s；最大測(cè)程：100 m；俯角修正：具有自動(dòng)檢測(cè)修正功能，最大值不小于60°的手動(dòng)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(cè)流或分時(shí)段、分水位級(jí)測(cè)流模式，并可由手機(jī)或計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)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(jiǎn)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(cè)流斷面基本重合，該位置水流集中、無(wú)回水、斜流等不利影響因素，代表性良好。

4 比測(cè)率定情況

4.1 比測(cè)率定方法

根據(jù)《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)和《水文資料整編規(guī)范》(SL 0247—2012)，腰古站比測(cè)率定采用腰古(二)站轉(zhuǎn)子式流速儀和走航式ADCP測(cè)流法與雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行率定分析。轉(zhuǎn)子式流速儀型號(hào)為L(zhǎng)S25-1，走航式ADCP型號(hào)為M9[3]。

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

4.2 比測(cè)斷面

本次比測(cè)率定斷面選擇腰古站基本水尺斷面兼流速儀測(cè)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(cè)情況

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

表1 腰古水文站纜道實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)波測(cè)流流量比測(cè)成果

4.4 比測(cè)率定關(guān)系

圖3 實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)波流量率定關(guān)系線

5 驗(yàn)證分析

5.1 誤差分析

根據(jù)實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)波流量的相關(guān)關(guān)系式，對(duì)照計(jì)算出查線流量Q查線，分析Q查線與纜道實(shí)測(cè)流量Q實(shí)測(cè)的誤差，對(duì)33個(gè)流量測(cè)點(diǎn)進(jìn)行合格率分析計(jì)算，相對(duì)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(shí)測(cè)流量誤差分析 m3/s

5.2 關(guān)系曲線檢驗(yàn)分析

對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行三線檢驗(yàn)，從分析成果可見，比測(cè)33次的纜道實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量符合曲線關(guān)系，經(jīng)檢驗(yàn)計(jì)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(cè)流系統(tǒng)測(cè)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(shí)，符號(hào)、適線及偏離數(shù)值檢驗(yàn)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(wèn)題

在比測(cè)期間，雷達(dá)測(cè)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(shí)，強(qiáng)風(fēng)會(huì)影響水面流速，指標(biāo)流速有時(shí)與實(shí)際流速相差較大；在大風(fēng)尤其是臺(tái)風(fēng)侵襲期間，自動(dòng)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(xiǎn)。因此，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行停測(cè)風(fēng)速的設(shè)置，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定的值時(shí)，停止雷達(dá)波系統(tǒng)進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)[7]。

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

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

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比測(cè)，在流量變幅為43.6～1 700 m3/s時(shí)，雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)Q指標(biāo)～Q實(shí)測(cè)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(guò)三線檢驗(yàn)，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(cè)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(cè)流系統(tǒng)在使用中有一些局限性，但相對(duì)常規(guī)測(cè)流方法來(lái)說(shuō)，不僅可以解決高洪時(shí)期漂浮物較多的影響，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效的流量測(cè)驗(yàn)，雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)可以為腰古水文站實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化、自動(dòng)化提供有效技術(shù)支撐。