劉運(yùn)珊，劉明榮

（江西省贛州市水文局，江西 贛州 341000）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，國家不斷加大對(duì)水文的投入力度，加快補(bǔ)齊水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)短板，同步加快水文基礎(chǔ)設(shè)施及技術(shù)裝備和流量測(cè)驗(yàn)等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂[1]。水文基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備得到較大改善，測(cè)報(bào)技術(shù)手段顯著提升，信息的準(zhǔn)確性和時(shí)效性顯著提高，監(jiān)測(cè)服務(wù)能力顯著增強(qiáng)。以水文巡、間測(cè)為主的測(cè)驗(yàn)方式是水文監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化的共識(shí)，是提高水文監(jiān)測(cè)能力的必經(jīng)之路[2]。為了構(gòu)建“駐巡結(jié)合、巡測(cè)優(yōu)先、測(cè)報(bào)自動(dòng)、應(yīng)急補(bǔ)充”的水文監(jiān)測(cè)體系；利用先進(jìn)技術(shù)設(shè)備逐步替代傳統(tǒng)的人工觀測(cè)[3]，雷達(dá)在線流量系統(tǒng)便是應(yīng)運(yùn)而生的一種水文流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備，具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、傳輸、計(jì)算、展示的功能，可以實(shí)現(xiàn)河道流量測(cè)驗(yàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，為防汛抗旱和水資源管理提供有力支撐。

1 雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端和服務(wù)端構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集端包括雷達(dá)波流速儀（以下簡(jiǎn)稱HR-20A）、雷達(dá)波水位計(jì)（以下簡(jiǎn)稱HR-30A）、RTU、太陽能電池板和免維護(hù)蓄電池組。服務(wù)端設(shè)置在市水文局機(jī)房內(nèi)，包括服務(wù)器（硬件）和在線系統(tǒng)（軟件）。HR-20A測(cè)速范圍為 0.15～15.00m/s，測(cè)速精度為±0.02m/s，有效距離為0.5～30.0m，適用于順直、穩(wěn)定、水流集中的測(cè)驗(yàn)河段。

1.2 HR-20A測(cè)流原理

HR-20A是根據(jù)多普勒雷達(dá)測(cè)速原理，借用岸邊升桿、橋梁或其他合適的載體，儀器安裝在河道中泓位置，對(duì)水流的表面流速進(jìn)行測(cè)量。雷達(dá)探頭向河道水面發(fā)射雷達(dá)波，波束在遇到水流反射進(jìn)而測(cè)得某一區(qū)域內(nèi)的平均流速（指標(biāo)流速），通過建立實(shí)測(cè)斷面平均流速與指標(biāo)流速的關(guān)系，然后利用測(cè)得的指標(biāo)流速換算為雷達(dá)波斷面平均流速，再將雷達(dá)波斷面平均流速乘以測(cè)時(shí)水位下的斷面面積，即為斷面的瞬時(shí)流量。

1.3 系統(tǒng)工作流程

數(shù)據(jù)采集端每5min測(cè)量并接收一次水位及流速數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)由RTU加密后自動(dòng)向服務(wù)端實(shí)時(shí)發(fā)送。服務(wù)端接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行加密解析，將解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行流量計(jì)算，原始測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)和流量計(jì)算數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，再由瀏覽器展示給用戶。

2 測(cè)站概況

2.1 測(cè)驗(yàn)河段基本情況

崇義水文站位于江西省崇義縣橫水鎮(zhèn)塔下村，東經(jīng) 114°18′01.9″，北緯 25°42′31.3″，屬于長江流域贛江水系章江二級(jí)支流小江，建站于2016年1月1日，為中小河流水文站，常年站，集水面積356km2。

測(cè)驗(yàn)河段順直，單式河床無岔流、串溝現(xiàn)象。左岸為石質(zhì)防洪堤，右岸為土質(zhì)河岸，河床由礫石、粗沙組成。河床無沖淤影響，無坍塌現(xiàn)象。上游約40m有座公路橋，400m處有一彎道，約500m處2010年建一攔河壩，650m處右岸有一小支流加入；下游約60m有座橋，125m處有一彎道，300m處有一翻板式攔水壩。受上下游攔水壩影響，無水生植物。右岸灘地是蔬菜地，樹木稀少。

2.2 斷面情況

崇義水文站自2016年建站至今，測(cè)驗(yàn)斷面位置未發(fā)生變動(dòng)。2019年1月至2020年4月，崇義站實(shí)測(cè)流速儀測(cè)流斷面3次。通過對(duì)所測(cè)大斷面面積和平均河底高程變化分析，可知斷面在平水期穩(wěn)定幾乎無變化，但洪水過后可能會(huì)發(fā)生沖刷，需及時(shí)實(shí)測(cè)斷面。實(shí)測(cè)大斷面圖詳見圖1，相鄰測(cè)次斷面對(duì)比分析結(jié)果詳見表3。

3 雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)比測(cè)應(yīng)用情況

3.1 比測(cè)儀器

利用流速儀和雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行比測(cè)。HR-20A安裝在崇義站基本斷面下游50m公路橋中泓位置，采用固定式安裝。

3.2 比測(cè)方法

3.2.1 水位

以雷達(dá)式遙測(cè)水位計(jì)摘錄的水位為準(zhǔn)。每日8時(shí)人工檢查遙測(cè)水位與校核水位是否一致，不一致時(shí)調(diào)整遙測(cè)水位，遇暴漲暴落時(shí)增加校測(cè)檢查次數(shù)。當(dāng)遙測(cè)出現(xiàn)故障時(shí)，采用人工觀測(cè)水位，月年最高、最低水位測(cè)記準(zhǔn)確，洪峰、洪谷測(cè)記準(zhǔn)確。

應(yīng)用雷達(dá)波測(cè)量河道水位已有較長的時(shí)間，技術(shù)成熟，測(cè)量精度能夠滿足GBJ 138-90《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定[4]，不再做水位誤差分析。只對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。

圖1 崇義水文站斷面情況

表3 崇義站2019～2020年斷面變化分析表

3.2.2 流量

崇義水文站流量為三類精度站。流量測(cè)驗(yàn)現(xiàn)狀為優(yōu)先采用纜道流速儀法進(jìn)行測(cè)流，纜道故障必須在24h內(nèi)恢復(fù)，如無法及時(shí)恢復(fù)，可采用ADCP或橋測(cè)流速儀法施測(cè)流量。測(cè)驗(yàn)測(cè)次應(yīng)按水位級(jí)布設(shè)，漲幅超1.5m的較大洪水，峰谷附近不少于1次，漲落面不少于2次，漲幅在0.5～1.5m的一般洪水，洪峰附近不少于1次，漲落面不少于1次；平水期相鄰測(cè)次時(shí)間間隔為7～10天。特殊時(shí)期或受變動(dòng)回水影響或混合影響時(shí)，加密測(cè)次，具體以能測(cè)得流量變化過程為度。

本次比測(cè)采用流速儀測(cè)流時(shí)間為準(zhǔn)，摘錄雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)數(shù)據(jù)，雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)借用基本斷面水深計(jì)算指標(biāo)流量。

3.2.3 大斷面

崇義站流速儀測(cè)流斷面與基本水尺斷面相同，斷面測(cè)深方法采用壓力測(cè)深或全站儀涉水測(cè)量，岸上部分采用三等水準(zhǔn)測(cè)量，起點(diǎn)距采用纜道計(jì)數(shù)器。

3.3 比測(cè)次數(shù)

本次分析采用2019年6月至2020年4月的25次比測(cè)成果進(jìn)行分析。實(shí)測(cè)水位變幅為229.08～232.05m；流速儀實(shí)測(cè)流速變幅為0.39～2.84m/s，流量變幅為13.6～404.0m3/s。HR-20A測(cè)得流速變幅0.41～2.77m/s。比測(cè)資料含高、中、低水測(cè)次，施測(cè)次數(shù)和水位變幅均基本滿足開展相關(guān)分析需求。

圖2 實(shí)測(cè)流量面積與HR-20A借用面積對(duì)比圖

4 比測(cè)分析

4.1 斷面分析

通過對(duì)25次實(shí)測(cè)流量斷面數(shù)據(jù)與同時(shí)期的HR-20A借用斷面數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可知，實(shí)測(cè)流量斷面面積與HR-20A借用斷面面積總體相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R2為0.995 4。面積相關(guān)關(guān)系見圖2。

4.2 指標(biāo)流速率定

本次選取了崇義站2019年6月10日～2020年4月6日25次纜道流速儀法實(shí)測(cè)的斷面平均流速與相應(yīng)測(cè)流起訖時(shí)間內(nèi)HR-20A指標(biāo)流速，建立相關(guān)關(guān)系，見圖3。對(duì)流速進(jìn)行比較，得到二元回歸方程，y=-0.568 9x2+2.737 9x-0.628 8，R2為 0.910 3。

4.3 流量分析

通過率定后的流速計(jì)算得到各時(shí)段斷面平均的計(jì)算流量，見表4，流量相關(guān)關(guān)系見圖4，流量過程擬合情況見圖5。

圖3 指標(biāo)流速與斷面平均流速對(duì)比圖

圖4 計(jì)算流量與斷面平均流量關(guān)系圖

表4 崇義站斷面平均流速與HR-20A指標(biāo)流速對(duì)比結(jié)果

根據(jù)上述分析計(jì)算表明，HR-20A計(jì)算流量與實(shí)測(cè)斷面平均流量相關(guān)性為0.969 7，流量過程擬合度較好。將相關(guān)線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)，隨機(jī)不確定度及系統(tǒng)誤差不符合《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-93）第五章浮標(biāo)法測(cè)流精度要求。分析其原因有：一是測(cè)次選用期斷面不穩(wěn)定，沖刷較大；二是對(duì)比測(cè)次偏少，尚不足30次。

5 結(jié)語

圖5 計(jì)算流量過程與斷面平均流量過程對(duì)比擬合圖

崇義站雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)和流速儀兩種方法的流量相關(guān)關(guān)系式為y=1.007 2x+4.63時(shí)相關(guān)系數(shù)R2=0.969 7，相關(guān)關(guān)系擬合較好，但精度尚不符合《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-93）第五章浮標(biāo)法測(cè)流的三類精度水文站的要求。應(yīng)選取斷面穩(wěn)定期增加比測(cè)次數(shù)，繼續(xù)研究該站雷達(dá)波測(cè)流精度問題。若該站雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)精度可滿足規(guī)范則建議在該站斷面穩(wěn)定時(shí)期投入常規(guī)應(yīng)用，建議：一是使用時(shí)應(yīng)在大洪水后或有其他影響斷面變化因素時(shí)及時(shí)施測(cè)大斷面并更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以保證雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；二是每日8時(shí)人工檢查遙測(cè)水位與校核水尺水位是否一致，不一致時(shí)調(diào)整遙測(cè)水位，遇暴漲暴落時(shí)增加校測(cè)檢查次數(shù)以提高測(cè)驗(yàn)精度。經(jīng)驗(yàn)成熟后該系統(tǒng)可在測(cè)驗(yàn)斷面穩(wěn)定、水流集中的測(cè)站推廣使用。