詹 戈

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實驗站，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源研究與管理日益被重視起來，水資源的高效利用成為當前的研究重點。傳統(tǒng)的水文測試方法以及測量儀器，已經(jīng)很難滿足現(xiàn)在對于水文研究自動化和信息化的要求，而目前采用的新時代水文研究方法，諸如水文要素自動監(jiān)測和網(wǎng)絡信息傳輸?shù)葴y量系統(tǒng)，為水資源管理和社會經(jīng)濟發(fā)展提供了可靠的保證，為水文研究的快速發(fā)展提供了有力的工具。

1 區(qū)域概況

后峽水文站是烏魯木齊河上游控制站，天山北坡徑流試驗基地，集水面積381 km2，河道長度33.9 km。經(jīng)水文站試驗，河段順直、水流集中、斷面穩(wěn)定，可滿足高、中、低水位水文試驗要求。斷面以上各監(jiān)測點的水文信息能否準確測量和傳輸，直接影響烏魯木齊市的防洪指揮，因此其地理位置十分重要。但后峽水文站作為區(qū)域代表性站，降水豐富，山洪頻發(fā)，交通不便，人工流量監(jiān)測難度較大[1]。

烏魯木齊河流域位于天山北坡中部，海拔4 479 m以上，西接屯河系，東接板房溝河支流。河流自南向北，隨支流匯入烏拉泊水庫，全長214 km，總流域面積4 684 km2[2]。該河水來源于冰雪融水、降雨和地下水混合供給。河流徑流形成區(qū)多位于中山帶以上，河流沿斜坡發(fā)育，坡度大，流量短。汛期突發(fā)性洪水通常是由突發(fā)性暴雨或暴雨引起的。最大洪峰流量可達到河流流量的3～10倍，二次洪水總量甚至可以達到年徑流量的10%～25%[2-3]。由于洪水變化較大，很難及時準確地估計其洪峰和洪量，這對烏拉泊水庫下游的防洪工程和防洪措施構成了威脅，尤其是對烏魯木齊市的安全造成了特別嚴重的后果。

2 雷達波流速儀簡介

2.1 信息簡介

雷達波流速儀是利用雷達波的多普勒效應，以非接觸方式測量水流表面速度的儀器。雷達波流速儀在我國不同的河流和環(huán)境中都進行了流量試驗，試驗結果和指標均符合水文試驗規(guī)范的要求。本研究站采用RG-30雷達波流速儀用于監(jiān)測研究。RG-30雷達波流速儀是基于面積速度法原理。雷達波傳輸?shù)椒蔷鶆蛄髅鏁r，后向散射會導致多普勒頻移[4]。RG-30雷達波流速儀主要功能是使用雷達探頭實時監(jiān)測河流水面流速?？梢詫崿F(xiàn)單一測點和多個監(jiān)測點河流的表面流速的監(jiān)測，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過率定就可以推算出河流斷面平均流速。對于山區(qū)性河流基本穩(wěn)定的斷面，以斷面平均流速結合某一水位下的水道斷面就可以計算出實時流量，便可得到實時河道流量，對洪水預報和資料累計起到重要作用。

本水文站采用包含RG-30型雷達波流速儀在內的在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以完成流量信息采集(水位、風向、采集速度等)、處理計算、信息存儲與傳輸?shù)纫幌盗泄δ躘5]。該系統(tǒng)的設計與建設結合了計算機處理、網(wǎng)絡傳輸?shù)茸詣踊侄危瑢⒊Ｒ?guī)的人工監(jiān)測水文要素轉化為信息應用的數(shù)字化、自動化過程。

無線遙控雷達波數(shù)字流量測量系統(tǒng)由雷達波測速探頭、無線信號傳輸裝置、流量測量軟件、簡易索道等部分組成。由岸上計算機控制的雷達波流速儀可實現(xiàn)自動通道定位、自動測速和自動返回等一系列功能。該測量系統(tǒng)自動化程度高，操作方便，測試持續(xù)時間短，可在現(xiàn)場安裝。

2.2 斷面流量計算原理

2.2.1 表面流速橫向分布

根據(jù)水力學中垂直速度水平分布理論，假設不同垂線的表面速度與水深成正比(假設試驗段不存在滯水回流等特殊水力現(xiàn)象)。第m條垂線的表面流速計算公式：

(1)

式中：Vm為第m條垂線的表面流速，Hm為第m條垂線的水深。V測為測試點表面流速，H測為測試點的水深

2.2.2 斷面平均表面流速

斷面平均表面流速公式如下：

(2)

2.2.3 斷面平均流速

斷面平均流速公式如下：

V均=K×V面

(3)

式中：K為表面流速系數(shù)，釆用經(jīng)驗公式計算：

(4)

式中：c為謝才系數(shù)，釆用曼寧公式計算：

(5)

式中：n為河段糙率，R為水力半徑。

注：考慮斷面滯水回流等特殊水力現(xiàn)象的影響，引入綜合修正系數(shù)η(0<η<1)，對斷面平均流速進行修正，故最終計算公式為：

V均=η×K×V面

(6)

2.2.4 斷面流量計算

根據(jù)RG-30型雷達波流速儀測出的各代表垂線的區(qū)域水面流速，以及由雷達水位計測得實時水位推算出的各代表垂線間的面積，可以推求所需斷面流量，其計算公式為：

Q=K∑Amv均

(7)

式中：m為測速垂線數(shù)；K為常數(shù)；Am為測速垂線間的面積，根據(jù)水位數(shù)據(jù)推算而得；v均為測速垂線間的平均流速。

3 應用實例分析

系統(tǒng)設備安裝在烏魯木齊河上游后峽水文站測流段，垂線位置需要根據(jù)測流段的地形、水流特征、流速分布、精度要求和設施條件確定。為了確定所選垂線的流速具有良好的代表性，選取了不同流速下的實測流量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了所選垂線的平均流速與斷面平均流速的關系如圖1所示。

圖1 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖(單位：m/s)

從圖1中可以看到曲線擬合結果非常好，R2為0.986，結果表明，選取的平均垂線速度與各級斷面平均速度之間關系穩(wěn)定，具有較好的代表性。

3.1 比測數(shù)據(jù)成果

采用研究期間獲得的40組水位數(shù)據(jù)和實測流量數(shù)據(jù)作為分析樣本。包括最高水位、最低水位、最大流量、最小流量、最大測點流速、最小測點流速、最高氣溫、最低氣溫、最大日降水量、最大風力等指標，涵蓋了臺站的各種測試環(huán)境，數(shù)據(jù)具有較好的代表性。

3.2 水位測驗誤差分析

對雷達水位計與人工水尺同步觀測的40組數(shù)據(jù)進行誤差分析，具體如表1所示。本次研究置信水平為 95%，由表1可以看出，雷達水位計水位觀測精度均符合國家《水位觀測標準》(GB/T 50138—2010)的規(guī)定。

表1 水位比測數(shù)據(jù)誤差分析統(tǒng)計

3.3 成果分析

采用2019年度RG-30型雷達波流速儀設置的監(jiān)測系統(tǒng)與鉛魚測流纜道在不同水位、不同時段、不同氣象條件下同步測得的 40組流量成果作為分析資料，建立鉛魚測流結果和雷達測流結果的相關關系。如圖2所示。

從圖2中可以看到曲線擬合結果非常好，R2為0.993，表明兩者關系非常良好。將 2019年不同流量級別、水流相對穩(wěn)定條件下的40組實測流量資料作為樣本，對圖中擬合的曲線公式進行檢驗。結果得到如表2所示。均滿足《河流流量測驗規(guī)范)(GB 50179-2015)要求。

圖2 雷達實測流量與鉛魚實測流量關系圖(單位：m3/s)

表2 流量比測數(shù)據(jù)誤差分析統(tǒng)計 %

4 結語

本文對RG-30雷達波流速儀在烏魯木齊河上游后峽水文站流量測試中的適用性進行了分析和研究。通過對雷達波流速儀測量數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)鉛魚測量數(shù)據(jù)的對比，并通過相關性分析，得出根據(jù)RG-30雷達波流速儀構建的新型測量系統(tǒng)具有較強的快速測量、數(shù)據(jù)處理和遠程傳輸功能，一定程度上能夠滿足水文預報方法自動化和信息化的要求，滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對水文信息快速獲取的需求。通過傳統(tǒng)測量方式與新型雷達波測速儀比測，結果滿足相關規(guī)范要求，可用于烏魯木齊河上游后峽水文站水位流量的測量和報告，并可在相似自然條件的水文站場推廣應用，同時為相關城市的暴雨防洪、水資源管理和河流水文監(jiān)測提供了一定的技術支持。