占承德，王翠銀，余夢(mèng)暉

（江西省九江市水文局，江西 九江 332000）

0 引言

在建設(shè)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)及防汛指揮系統(tǒng)時(shí)，雨水情信息傳輸?shù)臅r(shí)效性和準(zhǔn)確性顯得尤為重要。當(dāng)前，水文監(jiān)測(cè)也面臨著測(cè)站點(diǎn)數(shù)量成倍增加、人工駐測(cè)方式成本高效率低、洪水期測(cè)流安全威脅大等問(wèn)題，為推進(jìn)基層水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新，提高水文信息時(shí)效性，解決無(wú)人駐守條件下中小河流測(cè)驗(yàn)難題，橫路水文站對(duì)雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)流應(yīng)用，尋求轉(zhuǎn)子式流速儀等常規(guī)儀器在大洪水和有漂浮物無(wú)法入水測(cè)驗(yàn)等問(wèn)題的解決方法，為推廣雷達(dá)波測(cè)流儀在中小河流應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)[1]。

1 雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)簡(jiǎn)介

移動(dòng)式雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)由測(cè)站設(shè)備、服務(wù)器管理軟件、接收中心管理軟件組成，借助跨河簡(jiǎn)易水文纜道，系統(tǒng)自動(dòng)控制所有設(shè)備協(xié)同工作，記錄不同時(shí)間下的水位，判定設(shè)定時(shí)間的水位變幅，根據(jù)設(shè)定的水位變幅自動(dòng)啟動(dòng)雷達(dá)波測(cè)速過(guò)程，測(cè)流完成后系統(tǒng)根據(jù)實(shí)測(cè)水位、借用大斷面資料，完成斷面流量的計(jì)算，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼?，?shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)測(cè)驗(yàn)。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由3部分組成：測(cè)站設(shè)備、服務(wù)器管理軟件和接收中心管理軟件。

（1）測(cè)站設(shè)備：主要由簡(jiǎn)易纜道、測(cè)流控制器、雷達(dá)測(cè)流傳感器、自動(dòng)行車(chē)、水位計(jì)、GPRS無(wú)線模塊、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、附屬傳感器組成。

（2）服務(wù)器管理軟件：主要接收測(cè)站發(fā)來(lái)的全部信息，存入流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。服務(wù)管理器軟件提供WEB接口，用戶(hù)可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查看測(cè)站數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程啟動(dòng)測(cè)站測(cè)流、遠(yuǎn)程修改測(cè)站參數(shù)。

（3）接收中心管理軟件：管理人員可通過(guò)下載數(shù)據(jù)庫(kù)中的測(cè)站數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上再進(jìn)行分析、整編，生成水文報(bào)表。

1.2 測(cè)流原理

借助跨河簡(jiǎn)易水文纜道，當(dāng)探頭自動(dòng)移動(dòng)到第一條測(cè)速垂線后，流速探頭即根據(jù)控制系統(tǒng)的指令采集水面流速數(shù)據(jù)。依次自動(dòng)移動(dòng)到每條垂線進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合大斷面資料計(jì)算出斷面面積和斷面流量[2]。

式中：Qf為斷面虛流量，m3/s；Kf為回歸系數(shù)；Q 為斷面實(shí)測(cè)流量，m3/s。

測(cè)流軟件在完成流速測(cè)量后，自動(dòng)進(jìn)行流量計(jì)算，并通過(guò)軟件上傳，水文測(cè)報(bào)中心管理人員通過(guò)軟件下載數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)，再進(jìn)行分析、整編，生成水文報(bào)表。

1.3 工作過(guò)程

監(jiān)控管理軟件在纜道雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)中自動(dòng)控制所有設(shè)備協(xié)同工作，內(nèi)存記錄不同時(shí)間下的水位，判定設(shè)定時(shí)間的水位變幅，當(dāng)水位上升或下降達(dá)到設(shè)定的水位變幅值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)雷達(dá)波測(cè)速過(guò)程。測(cè)流過(guò)程中，系統(tǒng)軟件將自動(dòng)控制PLC纜道自動(dòng)控制柜的上/下電、水文纜道的運(yùn)行/停止、雷達(dá)探頭測(cè)速的開(kāi)始/停止，直至完成雷達(dá)波測(cè)速行車(chē)的走航。系統(tǒng)軟件會(huì)再根據(jù)實(shí)測(cè)水位、借用大斷面資料，完成斷面流量的計(jì)算及傳輸。

2 橫路水文站概況

2.1 測(cè)站基本情況

橫路水文站位于江西省武寧縣橫路鄉(xiāng)，東徑115°07′11″，北緯 29°25′42″，集水面積 175km2。2016 年 5 月1日由江西省水文局設(shè)立，屬三類(lèi)精度水文站，由九江市水文局城區(qū)水文測(cè)報(bào)中心巡測(cè)管理。

測(cè)驗(yàn)設(shè)施設(shè)于河道右岸，測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)約500m，無(wú)岔流、串溝、逆流等。河道水面寬在20～38m之間，河槽呈倒梯形，主河河床由細(xì)沙和淤泥組成，兩岸筑有攔洪墻。左岸為陡坎，由巖石和壤土構(gòu)成，右岸為水泥六方塊護(hù)岸，斷面沖淤不明顯，河床較穩(wěn)定（見(jiàn)圖1）。

基本水尺斷面下游100m處有一橋梁。

2.2 河流及水位流量關(guān)系特性

橫路水文站屬于修水一級(jí)支流巾口水支流上，洪水來(lái)源為上游降水，一次洪水過(guò)程1～2日，洪峰持續(xù)時(shí)間約20～40min，具有典型暴漲暴落山區(qū)性河流洪水特性；洪水一般為單峰型，間斷性暴雨也會(huì)出現(xiàn)復(fù)式峰型，水位流量關(guān)系為單一曲線關(guān)系。

2.3 斷面穩(wěn)定性分析

根據(jù)2017～2019年3年汛前實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪歷年大斷面圖（見(jiàn)圖2）。由圖2可知，因2018～2019年間進(jìn)行了河道疏浚和對(duì)河岸護(hù)坡進(jìn)行部分硬化改造，導(dǎo)致2017～2019年斷面年際間均有小幅變化，改造完成，該站的斷面總體穩(wěn)定。

圖1 橫路水文站測(cè)驗(yàn)河段平面圖

圖2 橫路水文站歷年大斷面圖

計(jì)算各級(jí)水位所對(duì)應(yīng)的面積，點(diǎn)繪2017～2019年水位～面積關(guān)系線，通過(guò)點(diǎn)群中心點(diǎn)繪橫路水文站水位～面積綜合線及其±3%、±6%的外包線。通過(guò)分析，橫路水文站歷年水位～面積曲線中高水部分都在±3%外包線內(nèi)，低水部分基本在±6%外包線內(nèi)，說(shuō)明橫路水文站斷面較穩(wěn)定。歷年面積線與綜合面積線誤差及相鄰年份間面積變化情況分析結(jié)果見(jiàn)表1。

綜合以上分析，橫路水文站斷面較穩(wěn)定，每年汛前實(shí)測(cè)一次大斷面，并及時(shí)將斷面數(shù)據(jù)更新保存至雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)。

表1 橫路水文站歷年面積線與綜合面積線誤差及相鄰年份間面積變化情況表

3 資料收集和成果分析

3.1 儀器使用和資料收集情況

橫路水文站2016年安裝調(diào)試?yán)走_(dá)波測(cè)流系統(tǒng)并開(kāi)始了試運(yùn)行，2017年正式收集資并進(jìn)行了資料初步分析整理。2017～2019年共有雷達(dá)波在線數(shù)據(jù)1 170次，正常運(yùn)行天數(shù)為1 065天，3年故障天數(shù)為31天，中高水洪水過(guò)程全部收集到測(cè)流數(shù)據(jù)。

3.2 斷面虛流量與實(shí)測(cè)流量的相關(guān)分析

本次分析共收集比測(cè)資料30次（其中低水12次、中水15次、高水3次，實(shí)測(cè)流量采用走航式ADCP在下游橋梁處收集，與雷達(dá)波測(cè)流同步收集流量資料）。分析樣本系列中，實(shí)測(cè)最高水位69.09m，實(shí)測(cè)最低水位65.90m，實(shí)測(cè)水位變幅3.19m，實(shí)測(cè)最大流量176.00m3/s，實(shí)測(cè)最小流量 4.80m3/s[3]。

以斷面實(shí)測(cè)流量（ADCP流量）Q為縱坐標(biāo)、斷面虛流量（雷達(dá)波流量）為橫坐標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系圖（見(jiàn)圖3），通過(guò)線性回歸的率定分析方法確定流量關(guān)系（江西省水文局2019年已對(duì)九江市水文局采用走航式ADCP作為流量測(cè)驗(yàn)常規(guī)方法予以批復(fù)，本次比測(cè)分析采用以走航式ADCP作為比測(cè)）。

3.3 相關(guān)關(guān)系的檢驗(yàn)

采用Q線=0.860 1Q雷達(dá)+0.423 7過(guò)點(diǎn)群中心繪制相關(guān)關(guān)系線，并做相關(guān)線的符號(hào)、適線和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，橫路站Q虛～Q實(shí)關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表如表2所示。

圖3 橫路站雷達(dá)波流量與ADCP流量線性相關(guān)分析圖

通過(guò)對(duì)30個(gè)樣本容量分析，樣本容量30，符號(hào)、適線、偏離數(shù)值檢驗(yàn)均通過(guò)了檢驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)差8.30%，系統(tǒng)誤差0.33%，各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均合格，符合三類(lèi)精度水文站要求[4，5]。

表2 橫路水文站Q虛～Q實(shí)關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表

4 雷達(dá)波測(cè)流成果及水位流量關(guān)系應(yīng)用分析

通過(guò)對(duì)走航ADCP流量（30次）進(jìn)行分析以后，得出橫路水文站水位流量關(guān)系是單一曲線并進(jìn)行三檢。同時(shí)為了更好證明雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)在中小河流的適用情況，本次對(duì)橫路水文站收集的雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)的實(shí)測(cè)流量進(jìn)行驗(yàn)證。采取按水位級(jí)分布在2019年雷達(dá)波流量測(cè)次中隨機(jī)選擇20次流量，通過(guò)Q線=0.860 1Q雷達(dá)+0.423 7換算后，進(jìn)行水位流量關(guān)系線的擬合（見(jiàn)圖4），并進(jìn)行三線檢定。

圖4 橫路站2019年水位～流量關(guān)系圖

將ADCP流量和隨機(jī)選擇的雷達(dá)波流量?jī)蓚€(gè)系列合并定線，來(lái)判斷兩個(gè)系列是否存在系統(tǒng)偏離，在兩個(gè)系列符合符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行t檢驗(yàn)（檢驗(yàn)兩樣本是否來(lái)自同一分布系列），檢定結(jié)果見(jiàn)表3。

從相關(guān)線檢驗(yàn)結(jié)果情況來(lái)分析，相關(guān)線各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均合格，符合三類(lèi)精度水文站要求，可認(rèn)為雷達(dá)波流量通過(guò)線性方程Q線=0.860 1Q雷達(dá)+0.423 7換算符合實(shí)際，較合理。從對(duì)ADCP流量和雷達(dá)波流兩上系列t檢驗(yàn)認(rèn)為兩系列沒(méi)有系統(tǒng)偏離，可合并綜合定線，實(shí)際工作中，在雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可用單一線（綜合線）代替。

5 影響雷達(dá)波測(cè)流的主要因素及處理方法

（1）河道測(cè)驗(yàn)斷面資料對(duì)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果有直接影響，能否及時(shí)取得大斷面數(shù)據(jù)高程，并及時(shí)修改系統(tǒng)中斷面數(shù)據(jù)參數(shù)，將有利于流量測(cè)驗(yàn)精度的提高。

（2）測(cè)驗(yàn)河段特性的穩(wěn)定及斷面水草生長(zhǎng)對(duì)水流流態(tài)的影響亦將影響流量測(cè)驗(yàn)精度，宜每年對(duì)雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行3～5次的流量校測(cè)，若發(fā)現(xiàn)Q虛～Q實(shí)關(guān)系存在較大變化，應(yīng)及時(shí)對(duì)流量關(guān)系進(jìn)行重新確定。

（3）雷達(dá)波測(cè)流理論測(cè)速范圍在0.20m/s以上，通過(guò)在橫路水文站應(yīng)用收集的資料來(lái)看，當(dāng)水位低于65.90m，流速在0.30m/s以下時(shí)，測(cè)流成果精度偏低，且當(dāng)水位較低、流速特別小時(shí)，系統(tǒng)采集不到數(shù)據(jù)自動(dòng)返回。

（4）當(dāng)水位較低、流速較小或雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可根據(jù)本年度（近期）測(cè)流系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)期的流量測(cè)次，按水位級(jí)選取10～15次通過(guò)率定的流量關(guān)系線性方程進(jìn)行換算后，進(jìn)行水位流量關(guān)系的擬合，并與原定水位流量關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，如符合要求，則可沿用原水位流量關(guān)系進(jìn)行推流計(jì)算或?qū)收先睖y(cè)期資料進(jìn)行補(bǔ)充，反之則應(yīng)重新率定Q虛～Q實(shí)關(guān)系。

表3 橫路站水位流量關(guān)系檢驗(yàn)成果表

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析，雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)在橫路水文站的應(yīng)用無(wú)系統(tǒng)偏離，符合《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-2015）第六章浮標(biāo)法測(cè)流精度的要求。較好地解決了轉(zhuǎn)子流速儀和ADCP因特殊水情無(wú)法正常測(cè)驗(yàn)等問(wèn)題，同時(shí)亦可通過(guò)對(duì)水文測(cè)站特性及水位流量關(guān)系的分析，對(duì)雷達(dá)波測(cè)流成果應(yīng)用進(jìn)行補(bǔ)充和推流替代。因此可以認(rèn)為移動(dòng)式雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)可作為橫路水文站的測(cè)流手段，可以有效地提高中小河流流量監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化水平，在以防汛為主的流量測(cè)量中可發(fā)揮極大的作用。