段新光,褚 旭,許立燕,蘇 赫
(1.北京市密云水庫管理處,北京 101512;2.北京新敏興業(yè)環(huán)境科技發(fā)展有限公司,北京 100043)
非接觸式移動(dòng)雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)(以下簡稱雷達(dá)測流系統(tǒng))已成為水文行業(yè)中一種廣泛使用的新型自動(dòng)化測流設(shè)備。非接觸式雷達(dá)流量測流技術(shù)解決了在洪水水面復(fù)雜環(huán)境無法下水測流的問題,具有其他測流儀器無法比擬的優(yōu)越性。其特點(diǎn)是非接觸式,因此雷達(dá)測流系統(tǒng)整體建設(shè)簡便,便于隨時(shí)維護(hù),少受水毀影響,不受污水腐蝕,保障人員安全,不僅可用于平時(shí)水文測驗(yàn),而且特別適合承擔(dān)汛期急難險(xiǎn)重觀測任務(wù)。
張家墳水文站建站時(shí)間較早,站內(nèi)設(shè)上、中、下3個(gè)監(jiān)測斷面觀測水位,洪水期測流主要利用高架浮標(biāo)、測流纜道測流,枯水期主要是基本水尺斷面測流堰施測。傳統(tǒng)的自動(dòng)化測流方法落后,灘地內(nèi)樹木影響纜道測流,以上因素直接影響到信息數(shù)據(jù)采集的實(shí)效性和準(zhǔn)確性?!?·16”強(qiáng)降雨以及臺(tái)風(fēng)“安比”過境,暴露出張家墳水文站洪水測驗(yàn)自動(dòng)化水平不高的現(xiàn)狀。為了進(jìn)一步做好密云水庫水文工作,實(shí)現(xiàn)張家墳水文站流量自動(dòng)化監(jiān)測,2020 年對張家墳水文站測驗(yàn)河道進(jìn)行了改造,加裝雷達(dá)測流系統(tǒng)[1]。
張家墳水文站位于海河流域潮白河水系白河河道下游、密云水庫入庫口20 km 處,擔(dān)負(fù)著密云水庫入庫水量的觀測任務(wù)。河道具有山高、坡陡、溝深、流急的特點(diǎn),比降較大,屬山區(qū)暴雨洪水,斷面以上流域面積為8 506 km2,是國家一類精度基本水文站,張家墳水文站流域如圖1 所示。該站在1960 年6 月在青石嶺壩下建站,站名為南對峪水文站,1967年5月下遷8 km 在張家墳村建站。該站兩岸河坡陡峻,左岸為巖石,測流河段分主河槽及河灘,主河槽底高程約180.5 m、寬約80 m,右岸灘地高程約182.0 m。該站測流河段屬砂卵石河床,間有細(xì)砂,除洪水期外,常年含沙量較小。該站實(shí)測最大流量為2 600 m3/s,發(fā)生在1998年7月6日,最高水位185.36 m[2]。
圖1 張家墳水文站流域示意
移動(dòng)雷達(dá)測流系統(tǒng)由測站設(shè)備、終端軟件及監(jiān)測中心站三部分組成,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 雷達(dá)測流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
張家墳水文站雷達(dá)測流系統(tǒng)由簡易纜道、雷達(dá)表面流速儀、雷達(dá)運(yùn)行車、行車架、吊箱、系統(tǒng)控制器、雷達(dá)測速控制器、在線充電箱、蓄電池、無線電臺(tái)等組成。
計(jì)算機(jī)與移動(dòng)設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸為GPRS,終端軟件接收測站發(fā)來的測流信息,存入流量測驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。雷達(dá)測流系統(tǒng)內(nèi)部為一個(gè)小型局域網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸由GPRS 完成,與外部數(shù)據(jù)的聯(lián)接通過路由器實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過路由器實(shí)現(xiàn)對本地設(shè)備的遠(yuǎn)程操作及實(shí)時(shí)監(jiān)控,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)測流功能。用戶可通過終端軟件查看測站數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程啟動(dòng)測站測流、遠(yuǎn)程修改測站參數(shù)。
監(jiān)測中心站人員通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程下載數(shù)據(jù)庫中的測站數(shù)據(jù),雷達(dá)測流系統(tǒng)建立多種數(shù)據(jù)模型,對采集數(shù)據(jù)按照有關(guān)水文測驗(yàn)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算,生成水文報(bào)表,確保數(shù)據(jù)達(dá)到水文資料整編規(guī)范要求,實(shí)現(xiàn)各種上報(bào)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算、填寫、保存等目標(biāo)要求。同時(shí),測量數(shù)據(jù)可以通過電子表格、數(shù)據(jù)庫、文本等多種形式對外交互傳輸。
雷達(dá)測流系統(tǒng)是采用非接觸方式測驗(yàn)水道斷面上若干條垂線的水面流速。該系統(tǒng)使用多普勒效應(yīng)來測量水體表面流速,通過發(fā)射電磁波到目標(biāo)物體上,并測量回波信號(hào)的頻率與波源初始發(fā)出的信號(hào)頻率之間的差異來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)被測目標(biāo)和觀察者之間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí),回波信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生變化,其變化量與目標(biāo)物體與波源的相對速度有關(guān)。若目標(biāo)物體與波源相向運(yùn)動(dòng),則波長變短,頻率增加;反之,若目標(biāo)物體與波源背向運(yùn)動(dòng),則波長變長,頻率降低,如圖3所示。非接觸式移動(dòng)雷達(dá)流量計(jì)利用這種原理監(jiān)測河流表面流速,表面流速可由下式計(jì)算:
圖3 移動(dòng)雷達(dá)波測流原理
式中:v0為表面流速(m/s);u為波速度(m/s);f0為發(fā)射頻率(Hz);fd為多普勒頻率(Hz);θ為雷達(dá)探頭電磁波與水面夾角(°)。
得到表面流速后,雷達(dá)測流系統(tǒng)通過指標(biāo)流速法、對數(shù)法、冪函數(shù)等半理論半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算流量系數(shù)值,由水體表面流速得出斷面水深平均流速,進(jìn)而通過流速-面積法計(jì)算過流斷面流量。
其流量計(jì)算方法與旋漿流速儀一樣,即部分流速乘以部分面積得部分流量,n個(gè)部分流量之和即為斷面流量。其計(jì)算公式如下:
式中:Qf為指標(biāo)流量(m3/s);qi為斷面部分指標(biāo)流量(m3/s)。
雷達(dá)測流系統(tǒng)所測指標(biāo)流量需與人工實(shí)測流量率定流量系數(shù),得到測流斷面實(shí)測流量,用于替代流速儀法及浮標(biāo)法,從而實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)化在線監(jiān)測。其計(jì)算公式如下:
式中:Qc為斷面實(shí)測流量(m3/s);Qf為指標(biāo)流量(m3/s);K為流量系數(shù)。
通過人工實(shí)測流量與移動(dòng)雷達(dá)波實(shí)測流量數(shù)據(jù)比測分析張家墳水文站流量情況,率定流量系數(shù),進(jìn)行誤差分析評(píng)判,檢驗(yàn)系統(tǒng)測流精度能否滿足規(guī)范要求,建立穩(wěn)定的水位-流量關(guān)系,解決張家墳水文站中、高流量測驗(yàn)問題,實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算。
本次比測率定資料選取2021 年4—9 月張家墳水文站實(shí)測流量資料,為使雷達(dá)測流系統(tǒng)實(shí)測流量數(shù)據(jù)與張家墳水文站人工實(shí)測流量數(shù)據(jù)時(shí)間吻合,選取與張家墳水文站人工實(shí)測流量平均時(shí)間相對應(yīng)的雷達(dá)測流系統(tǒng)實(shí)測流量。這里共收集17份實(shí)測流量,對其進(jìn)行比測率定分析。流速儀實(shí)測流量(即人工實(shí)測流量)與雷達(dá)測流系統(tǒng)實(shí)測流量比測結(jié)果,詳見表1。由表1 可知,張家墳水文站實(shí)測流量變幅為2.56~1 030 m3/s,比測期間本站流量測次分布均勻,能控制流量變化過程。
表1 流速儀實(shí)測流量與雷達(dá)測流系統(tǒng)實(shí)測流量比測結(jié)果
相關(guān)系數(shù)是用以反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo),按積差方法計(jì)算,同樣以兩變量與各自平均值的離差為基礎(chǔ),通過2 個(gè)離差相乘來反映兩變量之間相關(guān)程度,一般可按三級(jí)劃分:|r|<0.4 為低度線性相關(guān);0.4≤|r|<0.7 為顯著性相關(guān);0.7≤|r|<1為高度線性相關(guān)[3]。其計(jì)算公式為:
式中:r為相關(guān)系數(shù);n為序列長度;x為實(shí)測流量(m3/s);y為指標(biāo)流量(m3/s)。
以斷面人工實(shí)測流量為縱坐標(biāo)、移動(dòng)雷達(dá)波實(shí)測流量為橫坐標(biāo)建立兩者關(guān)系,如圖4所示,并進(jìn)行線性相關(guān)性分析。從圖4 可以看出,R2=0.998 5,兩者相關(guān)關(guān)系顯著,且包含了高、中、低流量級(jí)。
圖4 人工實(shí)測流量與移動(dòng)雷達(dá)波實(shí)測流量相關(guān)關(guān)系
利用采樣標(biāo)本對單次比測流量系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和算術(shù)平均值計(jì)算,結(jié)果詳見表2。
表2 張家墳水文站移動(dòng)雷達(dá)波流量系數(shù)統(tǒng)計(jì)
綜合平均流量系數(shù)計(jì)算公式如下:
式中:Kf為綜合平均流量系數(shù);ki為第i單次流量系數(shù);n為樣本個(gè)數(shù)。
經(jīng)計(jì)算,得Kf為0.99。以觀測水位為橫坐標(biāo)、比測流量系數(shù)為縱坐標(biāo),繪制兩者關(guān)系,并采用Kf=0.99過點(diǎn)群中心繪制相關(guān)線,如圖5所示。從圖5可以看出,水位與流量系數(shù)點(diǎn)距呈帶狀分布,相對于點(diǎn)群中心線略顯散亂,其中偏離值在±5%以內(nèi)的有8個(gè),占樣本總量的47%;在±10%以內(nèi)的有14個(gè),占樣本總量的82%。通過計(jì)算分析,得流量系數(shù)直線方程為y=-1.479x+184.23。為了今后更好地使用雷達(dá)測流系統(tǒng),還需要對流量系數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)分析。
圖5 水位-流量系數(shù)相關(guān)關(guān)系
根據(jù)《水文巡測規(guī)范》(SL195-2015)和《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》(GB50179-2015)要求,一類精度河道站系統(tǒng)誤差允許在1%以內(nèi)、隨機(jī)不確定度允許在10%~12%以內(nèi),考慮到雷達(dá)測流系統(tǒng)測量值為水面流速,隨機(jī)不確定度可增大2%~4%。張家墳水文站屬一類精度河道站,根據(jù)人工實(shí)測流量與移動(dòng)雷達(dá)波實(shí)測流量的相關(guān)關(guān)系式,計(jì)算出斷面實(shí)測流量Qc,對17 個(gè)流量測點(diǎn)斷面移動(dòng)雷達(dá)波實(shí)測流量Qf與人工實(shí)測流量Q的誤差進(jìn)行合格率分析計(jì)算,結(jié)果如下:相對誤差精度≤10%合格率達(dá)到82.4%,系統(tǒng)誤差為0.95%,隨機(jī)不確定度為13%,移動(dòng)雷達(dá)波實(shí)測流量與人工實(shí)測流量的系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度均在限差范圍內(nèi),且包含了年內(nèi)汛期、非汛期不同水位級(jí)情況的監(jiān)測結(jié)果,移動(dòng)雷達(dá)波實(shí)測流量精度達(dá)到定線精度且滿足相關(guān)規(guī)范要求。移動(dòng)雷達(dá)波實(shí)測流量與人工實(shí)測流量誤差分析統(tǒng)計(jì),詳見表3。
表3 移動(dòng)雷達(dá)波實(shí)測流量與人工實(shí)測流量誤差分析統(tǒng)計(jì)
根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》(SL/T247-2020)要求,規(guī)定臨界值的大小與顯著水平a有關(guān)。符號(hào)檢驗(yàn)時(shí),a值采用0.25;適線檢驗(yàn)時(shí),a值采用0.05 或0.10;偏離檢驗(yàn)時(shí),a值采用0.10[4]。臨界值U1-a/2、U1-a的取值,詳見表4。
表4 臨界值U1-a/2、U1-a
取流量系數(shù)K=0.99,進(jìn)行三線檢驗(yàn),結(jié)果如下:符號(hào)檢驗(yàn)u=0.24,小于1.15;適線檢驗(yàn)u=0.25,小于1.64;偏離檢驗(yàn)t=0.63,小于1.75,所有結(jié)果均合理。 張家墳水文站Qf-Qi關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果,詳見表5。
表5 張家墳水文站Qf-Qi關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果
為了充分證明雷達(dá)測流系統(tǒng)能夠較好地適用于河流站點(diǎn)測流,本文利用本次比測率定結(jié)果,選取了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行論證。當(dāng)水面系數(shù)采用0.99 時(shí),水位與斷面實(shí)測流量關(guān)系線擬合較好,與人工測流的流量比較接近,如圖6所示。
圖6 張家墳水文站水位-斷面實(shí)測流量關(guān)系曲線
在比測運(yùn)行期間,雷達(dá)測流系統(tǒng)總體運(yùn)行良好,但也存在一定的局限性。
(1)比測中發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行雷達(dá)流量計(jì)測流時(shí),風(fēng)力風(fēng)向會(huì)對測流精度產(chǎn)生一定程度的影響。在測量水面流速時(shí),若測流時(shí)水面有風(fēng),則順風(fēng)會(huì)導(dǎo)致水面流速增大,逆風(fēng)會(huì)導(dǎo)致水面流速減小。
(2)該儀器流速測量范圍為0.2~18 m/s 且為非接觸式測流,故在低枯水期及結(jié)冰期,儀器不適用。
(3)在高洪期,水位變化過快,由于河道比較寬、測流歷時(shí)長,雷達(dá)測流系統(tǒng)與流速儀施測時(shí)間及水位變幅不一致,導(dǎo)致計(jì)算流量差異較大的情況,需在流速儀施測前中后期進(jìn)行雷達(dá)測流系統(tǒng)施測,取其平均值與流速儀流量進(jìn)行比測。
(4)張家墳水文站雷達(dá)測流系統(tǒng)纜道跨度大,鋼絲繩受溫度影響隨之較大,熱脹冷縮顯著。為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,應(yīng)根據(jù)溫度變化及時(shí)調(diào)整鋼絲繩垂度。
通過對張家墳水文站流量數(shù)據(jù)比測率定分析,得出以下結(jié)論。
(1)比測流量兩者相關(guān)關(guān)系顯著,且包含了高、中、低流量級(jí)。
(2)水位與流量系數(shù)點(diǎn)距呈帶狀分布,直線方程為y=-1.479x+184.23,相對于點(diǎn)群中心線略顯散亂,其中偏離值在±5%以內(nèi)的有8 個(gè),占樣本總量的47%;在±10%以內(nèi)的有14 個(gè),占樣本總量的82%;水位與斷面實(shí)測流量關(guān)系線擬合較好,與人工測流的流量比較接近。
(3)對17個(gè)流量測點(diǎn)斷面實(shí)測流量Qc與人工實(shí)測流量Q的誤差進(jìn)行合格率分析計(jì)算,雷達(dá)測流系統(tǒng)測量的水面流速經(jīng)率定后推算的斷面流量精度較高[5],相對誤差精度≤10%合格率達(dá)到82.4% ,系統(tǒng)誤差為0.95%,隨機(jī)不確定度為13%,水位-流量關(guān)系曲線定線精度符合《水文資料整編規(guī)范》(SL/T247-2020)要求。
綜上,張家墳水文站雷達(dá)測流系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)研制遵循中國水利電力出版社《水文測驗(yàn)使用手冊》規(guī)定,測量精度達(dá)到水文行業(yè)部頒標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《水文測量規(guī)范》(SL58-2014)和《水文纜道測驗(yàn)規(guī)范》(SL443-2009)要求。該系統(tǒng)是集測、報(bào)、整、算為一體的全自動(dòng)遠(yuǎn)程測流系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)無人值守水文纜道遠(yuǎn)程測流的目標(biāo),降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度,排除了職工勞動(dòng)不安全隱患,提高了工作效率。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、操作簡便,并能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中測流,可以為張家墳水文站實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化、自動(dòng)化提供有效技術(shù)支撐。