雒 儀

（甘肅省平?jīng)鏊乃Y源勘測局，甘肅 平?jīng)?744000）

流量測驗的目的是要獲取江河徑流和流量的瞬時變化資料，目前流量監(jiān)測采用最多的方法為流速面積法，是通過實測斷面上的流速和過水?dāng)嗝婷娣e來推求流量的一種方法[1]。但由于目前實測流量的測驗方法比較復(fù)雜，單次實測流量的工作量較大。為實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的自動采集、自動計算，減輕基層水文站的工作強(qiáng)度，提高工作效率。甘肅省水文水資源局先后引進(jìn)S3-SVR 型無線雷達(dá)波流速儀20 余套，分別安裝在甘肅省各國家級基本水文站。為驗證雷達(dá)波流速儀測驗精度，在涇河不同支流有針對性的篩選了兩處水文站斷面進(jìn)行流量比測，根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015）驗證其測驗數(shù)據(jù)的合理性是否能夠達(dá)到參加水文資料整編的要求，并分析其適用性。

1 流域概況

涇河干流發(fā)源于六盤山東麓，河源處海拔高程2850 m 左右，河流由西南流向東北，經(jīng)崆峒區(qū)、涇川縣，在長慶橋處進(jìn)入陜西省，在平?jīng)鍪芯硟?nèi)干流長132 km，楊家坪斷面控制流域面積14124 km2，河道平均比降1.86‰，多年平均徑流量7.79 億m3。區(qū)域內(nèi)測站斷面多為卵石、砂礫石河床，中高水河寬由30 m～100 m 不等，洪水多由降水形成，洪水峰形為尖瘦形，漲落快，持續(xù)時間短，水位流量關(guān)系曲線中高水位相對穩(wěn)定，低水位由于斷面變化，主流擺動。

2 技術(shù)方案

2.1 雷達(dá)波測流系統(tǒng)簡介

根據(jù)S3-SVR 型雷達(dá)波流速儀操作說明書，無線雷達(dá)波流速儀是參照我國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-93），《水文纜道測驗規(guī)范》（SL 443-2009）（5 纜道測流）開發(fā)研制的。2010 年3 月研制成功，實測結(jié)果表明無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測流系統(tǒng)搭建快捷、操作方便、測流迅速、流速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定。

2.2 比測方案

雷達(dá)波流速儀是利用雷達(dá)波測得水面流速，然后采用實測或借用斷面資料從而計算斷面流量。因此，應(yīng)與全斷面浮標(biāo)法、流速儀法同時進(jìn)行比測分析，從而獲得較為可靠的比測資料，具體比測方案如下，并按順序進(jìn)行。

（1）雷達(dá)波流速儀其雷達(dá)可轉(zhuǎn)角度為0°～70°，不同角度下測得流速差值較大，因此應(yīng)在河道流量穩(wěn)定期間，通過設(shè)置不同雷達(dá)角度比測分析出符合涇河上游河道測流最佳角度，并確定水面流速系數(shù)；（2）雷達(dá)波流速儀的運(yùn)行需架設(shè)跨河鋼索，也可借用纜道鋼索，因此是否能夠準(zhǔn)確運(yùn)行至測速垂線位置，對后期的測速與計算至為關(guān)鍵，故需要進(jìn)行起點(diǎn)距比測，確定其起點(diǎn)距修正系數(shù)；（3）在測驗斷面按照水位的高低劃分高、中、低三個水位級別，分別于各級水位的穩(wěn)定時段布置測次，使用雷達(dá)波流速儀與全斷面浮標(biāo)法、流速儀法同時進(jìn)行測驗。其單次測驗水位變幅不得超過0.1 m，在比測實驗前應(yīng)對各儀器進(jìn)行修理維護(hù)，確保同類儀器測得數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)[2]。

表1 三種測驗方法儀器主要技術(shù)指標(biāo)

3 比測實驗

3.1 雷達(dá)各角度下流速比測

選擇在平?jīng)?、安口兩水文站采用雷達(dá)波流速儀與LS25-1型轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行水面流速比測實驗，在河道水流穩(wěn)定的前提下于河道中泓位置布設(shè)一條測速垂線。雷達(dá)波流速儀分別以15°、30°、45°、60°施測，經(jīng)過各角度下不少于10 次測量計算對應(yīng)的水面平均流速。LS25-1 型流速儀采取垂線相對水深0.0 m 施測水面流速，進(jìn)行不少于5 次施測并取其平均值為流速，應(yīng)確保流速儀旋槳完全被水面淹沒，且機(jī)身應(yīng)對準(zhǔn)流向。

表2 雷達(dá)波流速儀不同角度流速比測

圖1 雷達(dá)波流速儀雷達(dá)角度與流速關(guān)系圖

由表2 可知雷達(dá)角度與流速成正比，雷達(dá)角度越大測得流速越大。由圖1 可見，兩水文站雷達(dá)角度與流速趨勢線基本平行且呈25°夾角遞增，相關(guān)系數(shù)為0.9477，相關(guān)性較好。

通過分析實測數(shù)據(jù)可知雷達(dá)角度為45°時流速接近LS25-1 型流速儀施測值，但流速相對偏小，通過算術(shù)內(nèi)插計算可得雷達(dá)角度為45°時，水面流速系數(shù)應(yīng)為1.04。另外雷達(dá)波照射至水面的角度誤差與河道比降相關(guān)，涇河上游地處六盤山東麓平均比降為17.4‰，各河道比降較為一致，此誤差可以忽略不計。

3.2 起點(diǎn)距修正系數(shù)

雷達(dá)波流速儀依靠內(nèi)部電機(jī)帶動頂部齒輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)設(shè)備在跨河鋼索上穩(wěn)定運(yùn)行。涇河上游河道寬度一般在50 m～150 m 之間，現(xiàn)有的跨河纜道鋼索弧度根據(jù)距離的不同在10°～15°范圍內(nèi)。因此應(yīng)對不同的斷面纜道，分別比測確定儀器起點(diǎn)距修正系數(shù)?，F(xiàn)以安口水文站為例，利用全站儀交會法分段測得儀器運(yùn)行實際起點(diǎn)距，與控制端計數(shù)器顯示起點(diǎn)距進(jìn)行比測檢驗。起點(diǎn)距的定位誤差不得超過河寬的0.5%，絕對誤差不得超過1 m。儀器按測速垂線順序運(yùn)行，中途不可回車，以免因回轉(zhuǎn)差積累產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，每次比測完畢后，應(yīng)將設(shè)備返回起始點(diǎn)，檢查計數(shù)器數(shù)值前后是否一致。

表3 雷達(dá)波流速儀運(yùn)行修正系數(shù)比測表

由表3 可知，修正系數(shù)與運(yùn)行距離成反比，修正系數(shù)越大設(shè)備運(yùn)行距離越短。通過比測實驗，平?jīng)稣纠|道電機(jī)修正系數(shù)設(shè)置為1.16 時實際運(yùn)行距離與計數(shù)器顯示距離一致，滿足誤差要求。

3.3 流量比測

通過對雷達(dá)波流速儀雷達(dá)角度與運(yùn)行修正系數(shù)進(jìn)行比測，可以確保測得垂線水面流速的準(zhǔn)確性，從而進(jìn)行斷面實測流量比測。以安口水文站為例，采用雷達(dá)波流速儀、全斷面浮標(biāo)法、流速儀法在高、中、低水位分別布設(shè)施測，采取統(tǒng)一測速垂線可以確保測流過程的相似性。比測時應(yīng)確保河道水流的平穩(wěn)暢通，不得有死水、回流、分流，高水位時無大量漂浮物。

（1）流速儀法測流在低水位時采用LS10 型流速儀人工涉水施測，中、高水位時采用LS25-1 型流速儀利用纜道施測。按照測速垂線在全斷面均勻布設(shè)測點(diǎn)，采用相對水深0.6 m一點(diǎn)法測速，測點(diǎn)測速歷時不應(yīng)短于100 s。水深在低水位時采用人工測深桿施測，中、高水位時采用纜道測深[3]。（2）全斷面浮標(biāo)法采用一字型草把，按照測速垂線在全斷面均勻投放浮標(biāo)，利用全站儀交會法確定起點(diǎn)距，每條測速垂線應(yīng)至少投放2個浮標(biāo)，垂線水面流速采取兩次投放的平均值。斷面上下間距為100 m，時間讀數(shù)精確至0.1 s，浮標(biāo)系數(shù)選取實驗值0.65，借用實測大斷面計算水道斷面面積。（3）雷達(dá)波流速儀測流，啟動電腦端控制軟件，連接發(fā)射天線至電腦USB 接口與儀器相互通信，將儀器安放置測驗纜道起始點(diǎn)位置準(zhǔn)備。調(diào)整雷達(dá)角度為45°，電機(jī)修正系數(shù)為1.16，選取借用的測驗斷面并設(shè)置測速垂線。各類參數(shù)調(diào)試完成后開始自動測流，流量測驗過程中應(yīng)隨時觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

表4 甘肅省平?jīng)鍪邪部谒恼玖髁勘葴y試驗記載表

由表4 選取部分測驗數(shù)據(jù)可知，雷達(dá)波流速儀測得流速接近傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式流速儀法，由于借用大斷面的關(guān)系，最終計算流量與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式流速儀法有些許誤差，滿足流量測驗規(guī)范對誤差的要求，無線雷達(dá)波流速儀受其影響測驗精度的要素少于全斷面浮標(biāo)法，所以其測驗精度高于全斷面浮標(biāo)法。

4 結(jié)論

通過對S3-SVR 型雷達(dá)波流速儀的雷達(dá)角度、運(yùn)行起點(diǎn)距、流速比測等三個方面進(jìn)行測試分析，相比轉(zhuǎn)子式流速儀法與全斷面浮標(biāo)法，雷達(dá)波流速儀測驗全程自動化，歷時短，測驗精度符合規(guī)范要求。滿足涇河上游流域水文特性與流量測驗及時性的要求，能夠快速準(zhǔn)確的測得流速數(shù)據(jù)。受限于雷達(dá)波流速儀運(yùn)行必須依靠跨河鋼索，無法用于野外水情應(yīng)急監(jiān)測，可在有條件的水文站替代全斷面浮標(biāo)法，并為甘肅省水文監(jiān)測改革和突發(fā)性洪水測驗提供先進(jìn)的設(shè)備支持。