歐陽(yáng)鑫，呂青松

(興國(guó)縣長(zhǎng)岡水庫(kù)工程管理局，江西 興國(guó) 342400)

1 雷達(dá)波流速儀及工作流程

雷達(dá)波流速儀由多普勒雷達(dá)波測(cè)速傳感器、電機(jī)和電腦芯片區(qū)分器、無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸系統(tǒng)、PLC、鋰電池等部分組成。雷達(dá)波流速儀在測(cè)速測(cè)流過(guò)程中主要基于多普勒效應(yīng)，根據(jù)系統(tǒng)所接收到的反射波頻率傳輸量進(jìn)行施測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)速度等變量的計(jì)算。具體而言，雷達(dá)波流速儀測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)流傳感器先將超聲波向待測(cè)水面發(fā)出，此后部分超聲波經(jīng)由水面波浪遮擋后反射回來(lái)，產(chǎn)生相應(yīng)的多普勒頻率移動(dòng)信息，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)天線(xiàn)接收后，自動(dòng)測(cè)量出發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)之間的頻率差，將此頻率差值轉(zhuǎn)換為施測(cè)水面流速信息。此外，雷達(dá)波流速儀系統(tǒng)所配備的水位傳感器還同時(shí)進(jìn)行著施測(cè)流域水位的同步測(cè)量，通過(guò)水位傳感器的GPRS模塊將待測(cè)流域水流流速、水位等數(shù)據(jù)傳輸至測(cè)量控制臺(tái)，再由測(cè)量控制臺(tái)將水面流速信息實(shí)施轉(zhuǎn)換為斷面流速信息，再通過(guò)水位面積法進(jìn)行過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的實(shí)時(shí)計(jì)算，流速值與過(guò)水?dāng)嗝婷娣e值相乘便可得出流量值。

雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)中水面流速測(cè)量?jī)x器主要為雷達(dá)波探頭，在測(cè)流過(guò)程中，纜道控制箱主要依靠計(jì)算機(jī)定時(shí)供電，將雷達(dá)波流速儀懸掛在直徑4.5 mm的簡(jiǎn)易鋼絲繩纜道上，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙控、配套定位及測(cè)流軟件使雙軌簡(jiǎn)易纜道帶動(dòng)儀器箱移動(dòng)至斷面垂線(xiàn)處，在計(jì)算機(jī)的控制下由雷達(dá)波探頭以非接觸的方式測(cè)流并接收測(cè)量數(shù)據(jù)，并采集水位后，基于所收集到的斷面資料及所率定的流量，由計(jì)算機(jī)根據(jù)流速流量計(jì)算模型，借用斷面成果表，進(jìn)行斷面實(shí)測(cè)流量值的計(jì)算，再將所得到的流域水文資料傳送至測(cè)站信息采集系統(tǒng)，作為流域水文管理的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)保存。

2 流量測(cè)驗(yàn)水面流速系數(shù)分析

2.1 試驗(yàn)斷面的確定

為進(jìn)行雷達(dá)波流速儀在水文監(jiān)測(cè)中的適用性分析，本文選用江西不同流域內(nèi)具有不同河流特征的長(zhǎng)岡水庫(kù)水庫(kù)、平江和孤江流域進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)比測(cè)及水面流速系數(shù)分析，并分別在長(zhǎng)岡水庫(kù)水庫(kù)、平江和孤江選定比測(cè)斷面，所選擇的比測(cè)斷面均與水文站流量測(cè)驗(yàn)斷面重、合或接近，無(wú)明顯的流態(tài)變化和水位變動(dòng)，同時(shí)，還應(yīng)在試驗(yàn)斷面架設(shè)簡(jiǎn)易測(cè)流纜道并安裝雷達(dá)波流速儀，以便展開(kāi)斷面流量和流速的比測(cè)試驗(yàn)。本文比測(cè)試驗(yàn)所選試驗(yàn)斷面的總體描述詳見(jiàn)表1。

表1 比測(cè)試驗(yàn)所選試驗(yàn)測(cè)站的總體描述

2.2 雷達(dá)波流速儀水面流速系數(shù)分析

2.2.1 垂線(xiàn)水面流速的相關(guān)性

選用長(zhǎng)岡水庫(kù)水庫(kù)、平江和孤江常用的LS1206B型流速儀與雷達(dá)波流速儀進(jìn)行比測(cè)斷面水面流速的比測(cè)試驗(yàn)，取得兩種測(cè)量?jī)x器下垂線(xiàn)水面流速V雷0.0與V常0.0后，對(duì)所取得的水面流速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，長(zhǎng)岡水庫(kù)水庫(kù)、平江和孤江進(jìn)行比測(cè)斷面水面流速試驗(yàn)所選取的30組數(shù)據(jù)內(nèi)有2組數(shù)據(jù)因雷達(dá)波流速儀施測(cè)過(guò)程中受到上游漂浮物飄移過(guò)程的干擾，而流速值出現(xiàn)異常，所以按照舍棄處理，對(duì)剩余的28組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。并在一張坐標(biāo)圖內(nèi)點(diǎn)繪長(zhǎng)岡水庫(kù)水庫(kù)、平江和孤江水文站4次、5次比測(cè)試驗(yàn)結(jié)果及所測(cè)得的V雷0.0與V常0.0值，以進(jìn)行水面流速變動(dòng)趨勢(shì)的直觀(guān)了解。根據(jù)各測(cè)站水面流速情況來(lái)看，采用LS1206B型流速儀與雷達(dá)波流速儀所測(cè)定的固定垂線(xiàn)水面流速變動(dòng)趨勢(shì)基本一致，峰值變動(dòng)也基本反映出比測(cè)斷面流速情況。長(zhǎng)岡水庫(kù)水庫(kù)水文站V雷0.0與V常0.0相對(duì)誤差均值為0.94%，相關(guān)系數(shù)0.95，平江站V雷0.0與V常0.0相對(duì)誤差均值為-4.8%，相關(guān)系數(shù)0.97，孤江水文站V雷0.0與V常0.0相對(duì)誤差均值為-4.4%，相關(guān)系數(shù)0.98。通過(guò)對(duì)各測(cè)站垂線(xiàn)水面流速相關(guān)性進(jìn)行回歸分析可知，8條垂線(xiàn)中有5條垂線(xiàn)水面流速相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)取值在0.93～1.00范圍內(nèi)，剩余3條垂線(xiàn)相關(guān)系數(shù)僅為0.78和0.89，但標(biāo)準(zhǔn)誤差取值較小，測(cè)定系數(shù)相關(guān)性較高，表明各流域LS1206B型流速儀與雷達(dá)波流速儀所測(cè)定的水面流速值較為接近，雷達(dá)波流速儀所測(cè)定的水面流速值可以代表和代替LS1206B型流速儀[1]，具體見(jiàn)表2。

表2 LS1206B型流速儀與雷達(dá)波流速儀水面流速值的比較

2.2.2 水面流速系數(shù)的確定

用LS1206B型流速儀所測(cè)得的水面流速和雙塔堡水庫(kù)水文站、高崖站和九條嶺水文站相對(duì)水深0.6 m測(cè)點(diǎn)的流速進(jìn)行相關(guān)性分析，可得雙塔堡水庫(kù)水文站、高崖站和九條嶺水文站在低水期水面流速系數(shù)分別為0.79、0.83和0.77(具體見(jiàn)表3)，在比測(cè)期間，考慮到斷面以上降水較少，無(wú)大規(guī)模洪水，試驗(yàn)值主要表現(xiàn)為低水值，而中高水位水面流速系數(shù)只能待后期出現(xiàn)大規(guī)模洪水情況下再進(jìn)行比測(cè)試驗(yàn)[2]。

表3 雷達(dá)波流速儀所測(cè)得的三測(cè)站在低水期水面流速系數(shù)

3 流量誤差分析

在本文所進(jìn)行的流量比測(cè)試驗(yàn)中，長(zhǎng)岡水庫(kù)水庫(kù)、平江和孤江水文站過(guò)水?dāng)嗝婷娣e都通過(guò)現(xiàn)有過(guò)河纜道測(cè)流，測(cè)深垂線(xiàn)的布置也主要根據(jù)河床起伏及轉(zhuǎn)折變化。在比測(cè)過(guò)程中，因各測(cè)站水位無(wú)較大變動(dòng)，所以斷面沖淤也基本保持穩(wěn)定。而對(duì)于洪水期間的流量比測(cè)試驗(yàn)，若無(wú)法充分運(yùn)用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行斷面實(shí)測(cè)，則應(yīng)通過(guò)借用斷面的方式進(jìn)行對(duì)比分析。即在汛期開(kāi)始前，先進(jìn)行所監(jiān)測(cè)河段的大斷面測(cè)量，并以此為基礎(chǔ)根據(jù)洪水期內(nèi)河道面積進(jìn)行洪水流量推求，待洪水期過(guò)后進(jìn)行斷面遭受洪水沖刷程度的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確推求洪水流量。

就長(zhǎng)岡水庫(kù)水庫(kù)、平江和孤江水文站比測(cè)試驗(yàn)而言，選用15次該測(cè)站電動(dòng)纜道施測(cè)流量，并用LS1206B流速儀進(jìn)行水面系數(shù)計(jì)算，再用雷達(dá)波流速儀所測(cè)得的水面流速系數(shù)乘以所確定出的水面系數(shù)，便可得到雷達(dá)波流速儀施測(cè)流量。通過(guò)分析雙塔堡水庫(kù)水文站水位～流量關(guān)系及對(duì)雷達(dá)波流速儀所測(cè)得流量的誤差統(tǒng)計(jì)，可得出50%、75%和95%累計(jì)頻率下流量誤差分別為2.7%、7.4%和9.2%，流量誤差均值為0.6，具體見(jiàn)表4。而其余兩個(gè)測(cè)站因流量測(cè)次過(guò)少，而無(wú)法滿(mǎn)足統(tǒng)計(jì)分析的要求，所以無(wú)法得出具體分析結(jié)論。

表4 雙塔堡水庫(kù)水文站雷達(dá)波流速儀流量測(cè)驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》，本文所進(jìn)行的流域不同測(cè)站常規(guī)流速儀和雷達(dá)波流速儀比測(cè)試驗(yàn)結(jié)果符合該測(cè)驗(yàn)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[3]，說(shuō)明雷達(dá)波流速儀可用于該測(cè)站低水期流量測(cè)驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)岡水庫(kù)水庫(kù)、平江和孤江雷達(dá)波流速儀水面流速系數(shù)的比測(cè)分析得出，在水位幅度變化不大且含沙量較小的低水位區(qū)域，雷達(dá)波流速儀與長(zhǎng)岡水庫(kù)水庫(kù)、平江和孤江水文站常用流速儀水面流速相關(guān)系數(shù)分別為0.98、0.95和0.99；三個(gè)測(cè)站水面流速系數(shù)分別為0.79、0.83和0.77，水面流速系數(shù)的取得為測(cè)站雷達(dá)波流速儀與常用流速儀水面流速相關(guān)系數(shù)分析提供了數(shù)據(jù)支撐。此外，以長(zhǎng)岡水庫(kù)水庫(kù)、平江和孤江水文站水面流速系數(shù)0.79為斷面流速計(jì)算依據(jù)，進(jìn)行實(shí)測(cè)流量和雷達(dá)波流速儀所測(cè)流量誤差的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，在50%、75%和95%的累計(jì)頻率下，實(shí)測(cè)流量誤差為2.7%、7.4%和9.2%，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，也反證了比測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)雙塔堡水庫(kù)水文站雷達(dá)波流速儀流量測(cè)驗(yàn)斷面比測(cè)的分析發(fā)現(xiàn)，固定垂線(xiàn)的水面流速V雷0.0與V常0.0有較好的相關(guān)性，雷達(dá)波流速儀在該測(cè)站的應(yīng)用完全滿(mǎn)足常規(guī)河段中低水流量測(cè)驗(yàn)精度的要求。