李文蘭，張定高

(1.四川省雅安水文水資源勘測(cè)中心，四川 雅安，625000；2.四川省甘孜水文水資源勘測(cè)中心，四川 甘孜，626000)

康定水文站位于甘孜藏族自治州康定市折多河畔，于1952年3月設(shè)立，是省級(jí)重要水文站、中央報(bào)汛站，集水面積1354km2，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有：水位、流量、降水量。設(shè)站目的是為掌握大渡河右岸及丹巴、瀘定間徑流規(guī)律和為水電開發(fā)服務(wù)。測(cè)站功能主要是為基本資料收集和防汛服務(wù)[1]。2018年4月成立瀘定水文測(cè)報(bào)中心，康定水文站成為巡測(cè)站，流量測(cè)驗(yàn)方式為手搖纜道流速儀測(cè)量。

1 雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)屬非接觸式流速儀，采用多普勒原理[2]測(cè)得水面流速，分流速部分面積法計(jì)算流量，不接觸水流，安全可靠。具備定時(shí)測(cè)流、條件加測(cè)、實(shí)時(shí)召測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)施測(cè)的模式。

雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備由簡(jiǎn)易纜道、雷達(dá)流速傳感器、自動(dòng)行車、測(cè)流控制器、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、水位計(jì)等組成[3]。

設(shè)備的所有供電采用市電+太陽(yáng)能充電控制系統(tǒng)供電，總共采用兩套太陽(yáng)能充電控制系統(tǒng)，其中測(cè)流控制器、水位計(jì)采用一套供電系統(tǒng)，自動(dòng)行車采用一套供電系統(tǒng)。具體設(shè)備包含太陽(yáng)能板電池(100W)2塊、12V100Ah鉛酸蓄電池2塊、充電控制器2個(gè)、交直流轉(zhuǎn)換模塊2套，保證陰雨天可維持設(shè)備30d正常工作。

系統(tǒng)連接無(wú)線DTU設(shè)備和北斗通訊，將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的中心水文站，如接收端因關(guān)機(jī)或網(wǎng)絡(luò)中斷沒有收到，可在中心站操作遠(yuǎn)程調(diào)回現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流控制器同時(shí)也將原始數(shù)據(jù)和流量成果存儲(chǔ)在本機(jī)固態(tài)存儲(chǔ)器內(nèi)。

雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)是采用非接觸方式，施測(cè)水道斷面上若干條測(cè)速垂線的水面流速，將此水面流速代替垂線平均流速，乘以部分過水?dāng)嗝婷娣e，得到部分虛流量，求和得到斷面虛流量，再乘以虛流量與斷面流量的率定系數(shù)[4]，得到河流的實(shí)測(cè)流量。

式中：Qf——斷面虛流量，m3/s；

Vi——水面流速(部分虛流速)，m/s；

Ai——部分面積，m2；

qi——斷面部分虛流量，m3/s。

式中：Kf——虛流量與斷面流量的率定系數(shù)；

A——測(cè)流時(shí)的過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

Q——斷面實(shí)測(cè)流量，m3/s。

自動(dòng)行車根據(jù)預(yù)設(shè)的測(cè)速垂線施測(cè)水面流速，依次向前施測(cè)，到達(dá)垂線位置后，先采集垂線水位，再施測(cè)水面流速，依此類推，直至所有垂線施測(cè)完成。系統(tǒng)根據(jù)每根垂線采集的垂線水位計(jì)算相應(yīng)水位。

以計(jì)算出的相應(yīng)水位作為本次流量施測(cè)的水位，流量計(jì)算過程與轉(zhuǎn)子流速儀流量計(jì)算過程一致，存在的區(qū)別是，轉(zhuǎn)子流速儀施測(cè)的是垂線點(diǎn)流速，電波流速儀只能施測(cè)水面流速。

雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)原理

2 雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)在康定水文站的應(yīng)用分析

根據(jù)水文資料整編規(guī)范[5]，對(duì)康定水文站雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)2021年1月1日-12月31日的在線監(jiān)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行資料整編，得出康定水文站2021年度水位流量關(guān)系曲線圖(見圖2)；對(duì)康定水文站流速儀法2021年1月1日-12月31日人工測(cè)驗(yàn)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行資料整編，得出康定水文站2021年度水位流量關(guān)系曲線圖(見圖3)。對(duì)康定水文站轉(zhuǎn)子流速儀與電波流速儀流量進(jìn)行對(duì)比分析(見表1)，然后根據(jù)康定水文站2021年度雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系和轉(zhuǎn)子流速儀水位流量關(guān)系建立相關(guān)圖，得出轉(zhuǎn)子流速儀流量與電波流速儀流量相關(guān)關(guān)系(見圖4)。

圖2 康定水文站雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系

圖3 康定水文站轉(zhuǎn)子流速儀水位流量關(guān)系

圖4 康定水文站轉(zhuǎn)子流速儀流量與電波流速儀流量相關(guān)

表1 康定水文站轉(zhuǎn)子流速儀與電波流速儀流量對(duì)比分析

根據(jù)表1分析和圖4擬合，確定康定水文站雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)公式為：

式中：Q——斷面流量，m3/s；

Qf——斷面虛流量，m3/s。

通過誤差分析和成果檢驗(yàn)表明，確定的在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)公式可直接應(yīng)用于康定水文站流量監(jiān)測(cè)，今后根據(jù)實(shí)測(cè)流量繼續(xù)分析修訂完善。

3 結(jié)語(yǔ)

康定水文站雷達(dá)波在線流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)滿足水文監(jiān)測(cè)要求，自動(dòng)化程度高，減少了人力投入，提高了工作效率，在康定水文站的應(yīng)用取得了較好的效果，為高海拔地區(qū)開展水文巡測(cè)提供了技術(shù)支撐，為今后大規(guī)模推廣和“十四五”規(guī)劃提供了經(jīng)驗(yàn)。