張若野

（安徽安慶水文水資源局,安徽 安慶 246000）

1 測(cè)流概況

1.1 測(cè)站特性

東至（二）水文站位于安徽省池州市東至縣堯渡鎮(zhèn)樟樹(shù)村。東至（二）水文站于1958年6 月設(shè)立,原名為至德站,1972年改稱東至站,2001年1 月由堯渡鎮(zhèn)金家湖村下遷4 km 至堯渡鎮(zhèn)汪廟村,改稱東至（二）站,控制面積由原451 km2變?yōu)?58 km2。為皖南山區(qū)200 km2~500 km2代表站,國(guó)家基本站、省級(jí)重要站、二類精度站,具有防汛抗旱、水資源管理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、墑情監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)等功能。工作任務(wù)包括降水、蒸發(fā)、水位、流量、水質(zhì)、墑情、水文調(diào)查等。

本站測(cè)驗(yàn)河段較順直,河床為巖石組成,穩(wěn)定無(wú)分流,基本水尺斷面為梯形,水面寬變幅100 m~180 m。測(cè)驗(yàn)斷面左岸為206 國(guó)道,右岸為護(hù)城堤?；舅邤嗝嫔嫌?42 m 處有一公路橋,高水期間河道漂浮物過(guò)多或纜道不能正常運(yùn)行時(shí),采用在公路橋上電波流速儀施測(cè)流量；上游3.0 km 處有一蓄水發(fā)電站,蓄水壩壩頂高20.03 m。下游3.8 km 處有一橡膠充氣壩,對(duì)測(cè)站起低水控制作用。

1.2 雷達(dá)安裝位置

側(cè)掃雷達(dá)在本站的安裝地點(diǎn)為岸邊,水泥澆筑基礎(chǔ),見(jiàn)圖1,供電方式為交流220 V 轉(zhuǎn)直流12 V,安裝位置的高程為22 m。

2 比測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

此次比測(cè)使用數(shù)據(jù)來(lái)源于2021年3 月1 日13 時(shí)~2022年8 月25 日15 時(shí)期間側(cè)掃雷達(dá)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)初步分析

側(cè)掃雷達(dá)數(shù)據(jù)于2021年3 月1 日13 時(shí)~2022年8 月25 日15 時(shí)期間,在202年3 月17 日 13:08,水位為17.83 m,出現(xiàn)最大流量,最大流量為1175 m3/s,對(duì)應(yīng)平均流速為2.67 m/s,在2021年8 月8 日 16∶30，水位為14.4 m，出現(xiàn)最小流量為3.06 m3/s，對(duì)應(yīng)平均流速為0.23 m/s,雷達(dá)在測(cè)流期間水位動(dòng)態(tài)范圍見(jiàn)圖2。

圖2 水位動(dòng)態(tài)范圍圖

2.3 數(shù)據(jù)完整度

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)完整率為實(shí)際接收數(shù)據(jù)數(shù)量與預(yù)期數(shù)據(jù)接收數(shù)量的比值,表示了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是否完整。本次側(cè)掃雷達(dá)數(shù)據(jù)提供了10 min 平均值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),每10 min 包含20 個(gè)測(cè)距段,各測(cè)距段的數(shù)據(jù)量、完整率見(jiàn)表1。

探測(cè)距離/m 實(shí)際數(shù)據(jù)量/個(gè) 預(yù)期數(shù)據(jù)量/個(gè) 完整率/%12 69443 76764 90.46 22 69443 76764 90.46 32 69443 76764 90.46 42 69443 76764 90.46 52 69443 76764 90.46 62 69443 76764 90.46 72 69443 76764 90.46 82 69443 76764 90.46 92 69443 76764 90.46 102 69443 76764 90.46 112 69443 76764 90.46 122 69443 76764 90.46 132 69443 76764 90.46 142 69443 76764 90.46 152 69443 76764 90.46 162 69443 76764 90.46 172 69443 76764 90.46 182 69443 76764 90.46 192 69443 76764 90.46 202 69443 76764 90.46

2.4 數(shù)據(jù)缺測(cè)說(shuō)明

側(cè)掃雷達(dá)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到外部環(huán)境（水文站斷電、人工調(diào)試）以及內(nèi)部環(huán)境（路由傳輸）等影響,導(dǎo)致雷達(dá)出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,東至站共缺失7321 組數(shù)據(jù),均非單一時(shí)段缺失數(shù)據(jù),為傳輸不穩(wěn)定導(dǎo)致以及斷電所致。

3 測(cè)掃雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

3.1 流量計(jì)算方法說(shuō)明

側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)軟件利用流速面積法進(jìn)行斷面流量的計(jì)算,依據(jù)布拉格散射和多普勒原理得到各距離段表面流速分布,加上已知的河流橫截面及根據(jù)測(cè)站自記水位計(jì)查得相應(yīng)水位,從而算出河流流量。側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)的默認(rèn)水面系數(shù)設(shè)置為“1”。采用《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》均勻浮標(biāo)法的流量計(jì)算方法,把實(shí)測(cè)表面流速當(dāng)做浮標(biāo)流速,逐條測(cè)段累加：部分平均流速、部分面積、部分流量。斷面流量的計(jì)算方法與流速儀法測(cè)流計(jì)算方法相同。具體計(jì)算公式如下。

式中：Q為雷達(dá)流量；

3.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)篩選

2021年3 月1 日13 時(shí)~2022年8 月25 日15 時(shí) 期 間,側(cè)掃雷達(dá)有效數(shù)據(jù)共69443 條,無(wú)效數(shù)據(jù)7321 條（因設(shè)備調(diào)試,狀態(tài)調(diào)整,斷電等原因）,數(shù)據(jù)到達(dá)率為90.46%。另外,統(tǒng)計(jì)同一時(shí)間段不同探測(cè)距離信號(hào)強(qiáng)度,依據(jù)河流斷面最深處信噪比為參考,信號(hào)強(qiáng)度小于80%數(shù)據(jù),應(yīng)給予剔除,剔除后數(shù)據(jù)占比為91.49%。信號(hào)強(qiáng)度分布見(jiàn)圖3。

3.3 雷達(dá)數(shù)據(jù)成果

3.3.1 過(guò)流面積分析

選用2021年3 月1 日13 時(shí)~ 2022年8 月25 日15 時(shí)期間共69443 組自動(dòng)測(cè)流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),繪制水位過(guò)流面積見(jiàn)圖4,可以看出,Z~A 關(guān)系曲線近似于一條直線。

3.3.2 流量成果

本報(bào) 告 選用2021年3 月1 日13 時(shí)~2022年8 月25 日15 時(shí)期間共69443 組數(shù)據(jù)繪制雷達(dá)流量散點(diǎn)圖,見(jiàn)圖5。從水位流量散點(diǎn)圖可以分析出,低水下因受橡膠壩蓄水頂托影響,流量分布較為離散,洪峰時(shí)出現(xiàn)繩套型水位流量關(guān)系曲線。

3.3.3 流速成果

考慮到流量計(jì)算結(jié)果受流速的影響,需進(jìn)一步對(duì)流速分布及可信度進(jìn)行分析,從大斷面圖可以看出,左岸（近端）,右岸（遠(yuǎn)端）為防洪堤,見(jiàn)圖6。從圖7 雷達(dá)流速分布圖可以看出,在近半年的水位最大流速出現(xiàn)在80 m 處,參考大斷面圖可以看出,該條河流的最深處大約在40 m~140 m 左右,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。

圖6 大斷面圖

圖7 雷達(dá)流速分布圖

參照雷達(dá)水位流量散點(diǎn)圖,對(duì)水位流速關(guān)系進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖8,從圖中可以看出,流速水位關(guān)系基本與流量水位關(guān)系一致,符合實(shí)際情況。

圖8 水位流速散點(diǎn)圖

4 比測(cè)數(shù)據(jù)分析

選取人工測(cè)流時(shí)段雷達(dá)流量均值比對(duì),采取回歸方法進(jìn)行率定,建立兩種測(cè)驗(yàn)方法的流量相關(guān)關(guān)系,繪制流量關(guān)系曲線,最終確定待率定測(cè)流系統(tǒng)相關(guān)方程式（系數(shù)）,以達(dá)到推求流量過(guò)程的目的[1]。

側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)的水面系數(shù)設(shè)置為“1”。采用《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》均勻浮標(biāo)法的流量計(jì)算方法,把實(shí)測(cè)表面流速當(dāng)做浮標(biāo)流速,逐條測(cè)段累加,包括部分平均流速、部分面積、部分流量。斷面流量的計(jì)算方法與流速儀法測(cè)流計(jì)算方法相同。

具體比測(cè)方法：根據(jù)測(cè)站每次測(cè)驗(yàn)的起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間,選取對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)側(cè)掃雷達(dá)所有測(cè)次的流量均值進(jìn)行比測(cè)。利用線性回歸分析方法建立流量關(guān)系模型,通過(guò)比較各模型可決系數(shù)（R2）,判斷最優(yōu)雷達(dá)虛流量與斷面流量關(guān)系方程式（系數(shù)）,最終根據(jù)水文整編資料規(guī)范相關(guān)要求,以人工測(cè)得流量作為真實(shí)值,計(jì)算率定后雷達(dá)流量得系統(tǒng)誤差以及隨機(jī)不確定度,檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途取?/p>

4.1 人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)選取

（1）資料收集的時(shí)間范圍

從2021年5 月10 日00∶00 至2022年8 月17 日9∶00。

（2）資料收集的水位、流量及代表性

考慮到測(cè)站存在頂托回水情形,雷達(dá)在低流量,低流速測(cè)驗(yàn)誤差較大,達(dá)不到比測(cè)要求,選用人工實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)大于50 m3/s 進(jìn)行比對(duì)分析,共計(jì)53 組。

4.2 雷達(dá)比測(cè)數(shù)據(jù)選取

1）資料收集的時(shí)間范圍。從2021年3 月1 日13∶00 至2021年8 月25 日15∶00。

2）資料收集的水位、流量及代表性。全部69443 組雷達(dá)實(shí)測(cè)測(cè)流數(shù)據(jù),涵蓋低、中、高水位。

4.3 比測(cè)分析

選取人工實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)時(shí)間側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流均值,兩者比測(cè)系統(tǒng)誤差為26.49%。從圖9、圖10 可以明顯看出,雷達(dá)測(cè)得流量與人工測(cè)得流量整體趨勢(shì)吻合,但是雷達(dá)測(cè)得流量偏大,因?yàn)槔走_(dá)測(cè)得為表面流速,與實(shí)際情況相符。雷達(dá)測(cè)得虛流量需進(jìn)一步率定。

圖9 水位流量散點(diǎn)圖（率定前）

圖10 流量對(duì)比折線圖（率定前）

4.3.1 雷達(dá)成果數(shù)據(jù)關(guān)系率定

考慮到側(cè)掃雷達(dá)實(shí)測(cè)虛流量為河流表面流量,相較斷面流量偏大,故需對(duì)側(cè)掃雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步率定。取東至站人工測(cè)得斷面流量與對(duì)應(yīng)雷達(dá)虛流量建立線性回歸關(guān)系模型,率定結(jié)果見(jiàn)圖11。從率定結(jié)果可以得出,雷達(dá)和人工實(shí)測(cè)率定系數(shù)為Q率定= 0.8111Q雷達(dá)-4.007,擬合度為0.998,兩者相關(guān)性較高。雷達(dá)與人工水位流量散點(diǎn)和折線圖見(jiàn)圖12、圖13,可以看雷達(dá)率定以后,與人工實(shí)測(cè)基本吻合,相對(duì)誤差穩(wěn)定在5%左右。

圖11 水位流量擬合圖

圖12 水位流量散點(diǎn)圖（率定后）

圖13 流量對(duì)比折線圖（率定后）

4.3.2 誤差評(píng)價(jià)

根據(jù)中華人民共和國(guó)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》2.4 章節(jié)中關(guān)系曲線檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[2],對(duì)側(cè)掃雷達(dá)關(guān)系曲線分別做符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn)。計(jì)算其與東至站實(shí)測(cè)流量的相對(duì)誤差,用系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度來(lái)進(jìn)行誤差評(píng)價(jià),計(jì)算公式如下：

隨機(jī)不確定度：X'Q=2Se

式中：Qi為側(cè)掃雷達(dá)率定流量；Qci為東至站實(shí)測(cè)流量。

根據(jù)以上所繪制的關(guān)系曲線,依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》進(jìn)行曲線檢驗(yàn),二類精度站單一曲線法系統(tǒng)誤差在±1%以內(nèi),隨機(jī)不確定度在10%以內(nèi)[3]。雷達(dá)系統(tǒng)誤差0.17%,標(biāo)準(zhǔn)差4.53%,隨機(jī)不確定度9.05%,雷達(dá)測(cè)得為表面流速,可參照浮標(biāo)法測(cè)流定線,隨機(jī)不確定度可增大2%~4%,滿足二類精度站要求。

5 結(jié)論

本文使用2021年3 月~2022年8 月期間雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比測(cè),得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）系數(shù)率定成果。基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)比測(cè),以人工實(shí)測(cè)為真值,同對(duì)應(yīng)時(shí)段側(cè)掃雷達(dá)流量均值比測(cè),在流量大于50 m3/s以上時(shí),擬合出關(guān)系線方程為：Q率定=0.8111 Q雷達(dá)-4.007,其中,Q率定為雷達(dá)率定流量,Q雷達(dá)為雷達(dá)虛流量。

2）三項(xiàng)檢驗(yàn)。雷達(dá)比測(cè)系統(tǒng)誤差0.17%,標(biāo)準(zhǔn)差4.53%,隨機(jī)不確定度9.05%,雷達(dá)測(cè)得為表面流速,可參照浮標(biāo)法測(cè)流定線,隨機(jī)不確定度可增大2%~4%,滿足二類精度站要求。