郭 藝，胡莉君，蔣四維

（長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局,湖北 襄陽 441022）

1 基本情況

向家坪水文站位于陜西省旬陽縣白柳鎮(zhèn),距河口12 km是漢江支流旬河基本控制站,屬國家二類精度站,集水面積6448 km2。建于1955年7 月。主要觀測項目有水位、流量、降水量、含沙量等,該站洪水主要受上游暴雨影響,洪水主要集中在5 月～10 月。受上游干、支流水利工程影響,含沙量大為減少,洪水呈典型的山區(qū)河流特征,水位暴漲暴落,變幅大,中、高水時水位-流量關系歷年趨勢基本一致,呈臨時曲線或繩套；測驗河段順直長約2 km,河槽呈U 型,右岸臨山,左岸為土坡,河床系礫石、卵石組成,有沖淤變化。

雷達流量計測驗斷面位于距向家坪水文站下游約2.9 km 白柳大橋上,布置含5 個探頭的雷達水位計的雷達波測流系統(tǒng),2019年11 月至2020年5 月由于電瓶供電不足,數據未能正常采集,疫情過后接市電供電,于2020年05 月11 日開始正常采集數據。比測主要采用ADCP 走航式在橋下游施測,與采集的雷達流量計成果進行分析,率定相關關系,同時建立雷達流量計與向家坪站本站流量的相關關系。雷達流量計現(xiàn)場見圖1。

圖1 雷達流量計現(xiàn)場圖

圖2 雷達測速示意圖

圖3 斷面垂線流速分布圖

2 雷達波測流原理

2.1 基本原理

雷達波流速儀測速的原理是應用多普勒效應（即移動物體對所接收的電磁波有頻移的效應),根據接收到的反射波頻移量計算得出被測物體的運動速度。使用雷達波流速儀測量流速時儀器不需接觸水體,即可測得水體表面運動速度（水面流速),屬非接觸式測量。測速時儀器固定在岸上或橋上,工作時雷達波流速儀發(fā)射的微波射到被測水體的水面上,一部分微波般水體吸收,一部分微波被水面波浪的迎波面反射回來,產生多普勒頻移信息被儀器天線接收。據此測出反射信號和發(fā)射信號的頻率差,計算出水面流速。雷達波流速儀的特點是測量速度快,適合在洪水期使用。由于測速時不受水面漂浮物、水質、水流狀態(tài)的影響,而且流速愈大,漂浮物愈多,反射波愈強,有利于雷達波流速儀工作。

在實際應用中,雷達測流儀位于水面上方,以一定的俯角向水面發(fā)射雷達波,并接收從水面返回的雷達波信號,根據雷達波反射特性和多普勒測速特性,回波信號的頻率變化與水面流速成正比關系,傳感器通過檢測頻率變化得到水面流速。計算公式如下 ：

式中：V 為水面流速；f0為發(fā)射聲波頻率；fD為多普勒頻移量（頻率差)；C 為電波在空氣中傳播速度；θ 為發(fā)射波與水流方向的夾角,是俯角和方位角的合成。

2.2 流量計算方法

流量采用流速面積法計算。根據當前水位,從斷面數據分析水邊的起點距。找到左右水邊后,計算斷面部分面積,各小斷面面積流量求和。

均勻部分面積法=Q1+Q2+ Qn+…+Qn+1

Qn=（部分面積*部分流速）×K（浮標系數即表面系數）

Kb、Ke（水邊系數即岸邊系數）

3 參數設置

雷達波系統(tǒng)可遠程設置、讀取參數,左右岸系數為0.85,水面系數設置為1.0,見圖4～圖7。

圖4 基本參數設置

圖5 斷面成果

圖6 探頭點流速

圖7 數據讀取

4 雷達流量計成果分析

4.1 向家坪站水位流量過程關系比對

選擇2021年向家坪站04 月水位、流量過程與雷達流量計采集到的數據過程對照見圖8～圖9。

圖8 向家坪站4 月水位過程線比對圖

圖9 向家坪站4 月流量過程線圖

4.2 向家坪瞬時流量關系比對

選擇2021年04 月水位相對平穩(wěn)時建立向家坪ADCP 流量與雷達流量關系,從向家坪測流斷面到雷達測流斷面水流傳播時間約20 分鐘左右,共統(tǒng)計瞬時水位流量64 次,流量從24.3 m3/s 到2090 m3/s,水位從低到高排列,相關關系具體見表1。洪水期237.20 m 以上向家坪與雷達瞬時流量相關關系見圖10?？菟?37.20 m 以下向家坪與雷達瞬時流量相關關系見圖11。

表1 向家坪ADCP 與雷達流量計流量關系表

圖10 向家坪與雷達流量關系圖

圖11 向家坪與雷達枯水流量關系圖

4.3 與走航式ADCP 相關關系分析

通過在橋下游采用走航式ADCP 同步雷達流量計（測流斷面在橋上游）施測,測流斷面和位置見圖12、圖13,ADCP共計施測19 次流量,分析ADCP 與雷達流量計流量的相關關系見表2。

表2 ADCP 與雷達流量計流量關系表

圖12 雷達測流斷面

圖13 ADCP 測流位置

根據向家坪與雷達流量關系y=-2E-08 x3+0.0001 x2+0.6807 x+15.531,及枯水時關系y=-0.0004 x2+0.8519 x+2.1387,采用瞬時雷達虛流量計算雷達實流量與ADCP 同時施測流量比較,系統(tǒng)誤差0.71%,隨即不確定度3.0%。

4.4 點流速分析

由于雷達探頭發(fā)射斷面位于旬河張灣大橋上游,比測時沿橋的上游架設懸索纜道搭載ADCP ,人工拖拽ADCP 至雷達流量計各探頭發(fā)射位置,每個探頭位置ADCP 施測10 分鐘,并計算出相應探頭對應的垂線平均流速,雷達流速與走航式ADCP 垂線平均流速比測統(tǒng)計表及、相關圖見表3、圖14。

表3 雷達流量計與走航式ADCP 比測統(tǒng)計表

圖14 雷達流速與走航式ADCP 垂線平均流速相關圖

分析發(fā)現(xiàn),1 號、2 號探頭測點雷達流速與ADCP 垂線平均流速相關度較差,3 號、4 號、5 號探頭測點雷達流速與ADCP 垂線平均流速相關度較高,主要原因是1 號、2 號探頭位置對應的河道水深較淺,流場略顯紊亂,流速偏小,所以相關性差。3 號、4 號、5 號探頭河道水深較深,流場順暢,處于主泓位置流速略大,所以相關性好。具體到流量垂線加權計算時1 號、2 號雷達流速權重系為0.70,3 號、4 號、5 號探頭雷達流速權重系1.00 較為適宜。

5 結論

通過以上分析,當流量（13.3 m3/s～493 m3/s）時,雷達流量計采集數據成果與向家坪站流量高度相關,通過進一步比測分析可用于日常測驗,以優(yōu)化向家坪站流量測驗任務。高水關系需收集更大流量級比測資料進一步分析。