鄧云升

（安徽省安慶水文水資源局，安徽 安慶 246000）

針對(duì)傳統(tǒng)的河道流量測(cè)驗(yàn)方式落后且效率低，難以適應(yīng)當(dāng)前水文測(cè)驗(yàn)點(diǎn)面多廣、任務(wù)繁重的新形勢(shì)。尤其是周家河水文站位置偏遠(yuǎn)，巡測(cè)不便，高洪時(shí)漂浮物多，采用傳統(tǒng)設(shè)備入水測(cè)流不安全，應(yīng)用無(wú)線遙控雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)）進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)十分必要。為此，安徽省安慶水文水資源局在周家河站安裝無(wú)線遙控雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)，通過(guò)2019 年、2020 年、2021 年三年汛期運(yùn)行，對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，率定出準(zhǔn)確的無(wú)線遙控雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子流速儀的相關(guān)系數(shù)從而獲得準(zhǔn)確的流量顯得極為重要，并且積累一定的雷達(dá)波測(cè)流經(jīng)驗(yàn)，對(duì)促進(jìn)周家河水文站、安慶水文發(fā)展具有十分重要的意義。

1 測(cè)站基本情況

周家河水文站坐落在太湖縣牛鎮(zhèn)鎮(zhèn)羊河村。長(zhǎng)江流域皖河水系河名為長(zhǎng)河，測(cè)驗(yàn)斷面集水面積540 km2。屬國(guó)家基本站、中央報(bào)汛站，大別山區(qū)500 km2～1000 km2區(qū)域代表站兼花涼亭水庫(kù)入庫(kù)代表站。

該站測(cè)驗(yàn)河段較順直，主流偏左岸，左右兩岸均為高山。左岸為風(fēng)化石陡壁，右岸為花崗巖陡壁，無(wú)崩塌現(xiàn)象。斷面上游左岸140 m處有兩小溝匯入，下游約20 m處有急灘控制低水。河床由沙礫卵石組成，上游約800 m和下游700 m處均為彎道，無(wú)水草現(xiàn)象，漲水時(shí)河道內(nèi)漂浮物較多[1]。

周家河水文站是典型的山區(qū)性河流，洪水主要集中在汛期，洪水過(guò)程陡漲陡落，洪峰持續(xù)時(shí)間短。斷面上游約10 km處建有獅子口電站，2 km處建有羊河電站。中高水時(shí)河道受自然沖淤變化一定時(shí)段內(nèi)水位流量關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，水電站發(fā)電來(lái)水對(duì)低水水位影響較大且水位過(guò)程多呈鋸齒狀分布，低水水位流量關(guān)系紊亂，全年采用臨時(shí)曲線法定線推流。

2 雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)介紹

2.1 儀器簡(jiǎn)介

無(wú)線遙控雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)由配套軟件、簡(jiǎn)易纜道繩索、儀器探頭、測(cè)流控制器、雷達(dá)波傳感器、GPRS無(wú)線模塊、電源系統(tǒng)等部分組成。

2.2 雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)原理與工作方式

無(wú)線遙控雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)通過(guò)儀器自身在纜索上精確移動(dòng)定位起點(diǎn)距，采用以非接觸方式測(cè)量水道斷面上若干條垂線表面流速，繼而得到若干條垂線間斷面平均流速，根據(jù)實(shí)測(cè)的斷面資料來(lái)完成斷面流量的計(jì)算與傳輸。

3 比測(cè)目的

通過(guò)實(shí)測(cè)流量資料，比測(cè)分析周家河水文站雷達(dá)波在不同水位級(jí)施測(cè)流量情況，率定雷達(dá)波與轉(zhuǎn)子流速儀系數(shù)，驗(yàn)證雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)能否滿足水文規(guī)范精度要求，解決周家河站高洪測(cè)流問(wèn)題。

4 比測(cè)內(nèi)容

4.1 率定分析方法

采用轉(zhuǎn)子式流速儀與無(wú)線遙控移動(dòng)雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)同步施測(cè)，按照不同水位級(jí)布置施測(cè)號(hào)數(shù)，測(cè)次分布基本均勻合理。以流速儀流量為縱坐標(biāo)，雷達(dá)波虛流量為橫坐標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系圖，并進(jìn)行線性相關(guān)性分析[2]。

4.2 率定分析資料的選取

本次率定所選數(shù)據(jù)為2019 年、2020 年、2021 年汛期多場(chǎng)洪水流速儀流量與雷達(dá)波虛流量，共收集35 份流量資料，舍去7 份資料（因測(cè)流過(guò)程中水位漲落過(guò)快或超出轉(zhuǎn)子流速儀的測(cè)驗(yàn)范圍），余下28 份流量無(wú)明顯系統(tǒng)偏離，全部參與率定系數(shù)。舍去的突出點(diǎn)原因：①人工觀測(cè)水位值與氣泡式水位計(jì)水位不同步，當(dāng)水位漲落急劇時(shí)，氣泡式水位計(jì)水位數(shù)值顯示滯后，誤差大；②部分流量測(cè)次受當(dāng)天順、逆風(fēng)及風(fēng)速影響，實(shí)測(cè)點(diǎn)水位流量關(guān)系紊亂。

4.3 率定過(guò)程

選取周家河站流量合理的28 份同步比測(cè)資料，計(jì)算測(cè)次相對(duì)應(yīng)的對(duì)比系數(shù)，建立線性相關(guān)圖。率定系數(shù)過(guò)程見(jiàn)表1～表3、圖1～圖3。

圖1 雷達(dá)波測(cè)流在線系統(tǒng)示意圖

表1 周家河站2019年轉(zhuǎn)子流速儀與雷達(dá)波比測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 周家河站2019年纜道與雷達(dá)波數(shù)據(jù)線性關(guān)系圖

表2 周家河站2020年纜道與雷達(dá)波比測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 周家河站2020年纜道與雷達(dá)波數(shù)據(jù)線性關(guān)系圖

表3 周家河站2021年纜道與雷達(dá)波比測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 周家河站2021年纜道與雷達(dá)波數(shù)據(jù)線性關(guān)系圖

4.4 率定系數(shù)誤差分析

從上述圖表統(tǒng)計(jì)分析得出：兩者相關(guān)流量系數(shù)范圍在0.60～0.71。采用線性相關(guān)法確定2019年、2020年、2021年連續(xù)三年線性關(guān)系分別為0.6809、0.6863、0.6887，R2分別為0.9960、0.9983、0.9978 全為顯性相關(guān)，采用算術(shù)平均法取兩位小數(shù)為0.69作為流量系數(shù)，再過(guò)點(diǎn)群中心繪制水位流量關(guān)系線，后通過(guò)水文測(cè)驗(yàn)中三項(xiàng)檢驗(yàn)（見(jiàn)表4）。

表4 周家河站流速儀與雷達(dá)波流量比測(cè)關(guān)系曲線檢驗(yàn)表

周家河站采用流量系數(shù)為0.69，進(jìn)行三項(xiàng)檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)、系統(tǒng)誤差檢驗(yàn)，結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)差為2.2%，隨機(jī)不確定度為4.4%，系統(tǒng)誤差為-0.7%，參照二類站定線精度要求，所有指標(biāo)均符合水文規(guī)范要求。

5 率定分析結(jié)論

該站雷達(dá)波流量系數(shù)選取0.69合理性較好，符合水文規(guī)范要求。雷達(dá)波虛流量與流速儀流量的線性相關(guān)公式為y=0.69x（y為流速儀流量，x為為雷達(dá)波虛流量）。

從上述圖表中可以看出，系數(shù)跳動(dòng)變化較大（0.60～0.71不等），主要是因?yàn)椋?/p>

1）水位低時(shí)，河水水質(zhì)相對(duì)較好且流速較小，反射波相對(duì)較弱存在一定測(cè)驗(yàn)誤差。

2）雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)水面流速，受到順、逆風(fēng)影響。順風(fēng)施測(cè)，流速偏大；逆風(fēng)施測(cè)，流速偏小，所測(cè)得流量都有較大誤差。所以，大風(fēng)天氣不適宜采用雷達(dá)波測(cè)流，減少風(fēng)力因素對(duì)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響[3]。

根據(jù)以上比測(cè)結(jié)果，雷達(dá)波的系數(shù)根據(jù)水位級(jí)使用。根據(jù)《周家河站測(cè)洪方案》水位級(jí)劃分，當(dāng)水位≥98.00 m 時(shí)為高水期；當(dāng)水位在95.50 m～98.00 m時(shí)為中水期；當(dāng)水位在94.30 m～95.50 m時(shí)為低水期；當(dāng)水位≤94.30 m時(shí)為枯水期。因此，當(dāng)水位≥95.50 m時(shí)，周家河站可采用雷達(dá)波測(cè)流。

6 結(jié)語(yǔ)

雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子流速儀系數(shù)率定為0.69，線性相關(guān)關(guān)系顯著，精度滿足水文資料整編要求，解放周家河水文站水文生產(chǎn)力。

該測(cè)流系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①自動(dòng)化程度高，提高水文資料整編效率。②攜帶、安裝方便，隨裝隨測(cè)，維護(hù)成本少。③操作人員安全，全天候、測(cè)流不受風(fēng)雨雷電和停電限制。④雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是非接觸式測(cè)驗(yàn)，避免漂浮物和高泥沙影響，很好的替代浮標(biāo)法測(cè)流，減少勞動(dòng)成本。

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該儀器美中仍有不足：①儀器自身運(yùn)行內(nèi)存不大，高洪時(shí)測(cè)流時(shí)間相應(yīng)縮短到30秒以下才能正常運(yùn)行，不符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范的要求。②配套軟件易崩潰、穩(wěn)定性差，雷達(dá)波行車(chē)超過(guò)100 m時(shí)，信號(hào)傳輸差。③雷達(dá)波測(cè)驗(yàn)成果中數(shù)據(jù)的部分進(jìn)位不符合水文規(guī)范的要求，需要完善。④流量易受風(fēng)速影響，實(shí)測(cè)流量點(diǎn)分布離散。

該儀器在周家河水文站的成功應(yīng)用，為山區(qū)性水位陡漲陡落河流提供了技術(shù)支撐和經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備，對(duì)促進(jìn)安慶水文的發(fā)展具有重要的意義。