藍山水文站全自動雷達波在線纜道測流系統流量系數率定分析

廖旦英

（永州水文水資源勘測局藍山水文站 永州市 425800）

1 基本情況

1.1 測站、河流情況

藍山水文站位于舜水河右岸，地處藍山縣塔峰鎮東村，東經 112°19′，北緯 24°55′，系舂陵水支流舜水區域代表站，集水面積254 km2。于2004年1月1日設立并進行雨量、水位觀測，同年7月1日正式進行流量測驗。測驗項目有：降水、水位、水質、流量。流量為二類精度站。

該測驗河段順直長約1 500 m，河床系卵石夾沙組成。基上150m處有一座鋼筋混凝土質大橋—富民橋，基下280 m處也有一座鋼筋混凝土質大橋—東門口橋。該河段下游無明顯的彎道，基本水尺斷面下游50 m處有一急灘，坡降最大，可形成天然的河槽控制，下游東門口大橋在中高水時可形成控制斷面。中、高水時主槽寬59.5m，河流水流集中。經測量，斷面流速橫向分布與縱向分布均屬正常。該站測驗河段兩岸均為已徹好防洪堤，經調查測繪，大洪水時左、右岸均不漫灘。斷面呈“U”型，水流方向與基本斷面垂直，上游（4～25）km 有新田灣河、團園河、東山河、橋頭河、沙坪河、橫江等河匯合口。河床有沖淤，不穩定。

上游50 km處為高塘坪水電站，系從瀟水引水，通過渠道引水至舜水流域發電，該電站壩高49.1 m，庫容933萬m3，所控集水面積19.8 km2，受電站開關閘的影響，流量測驗難以掌握，對藍山水文站斷面水位流量關系稍有影響，但影響較小。上游有幾處阻水壩用于農田灌溉及水廠供水，對藍山站水位流量關系沒有影響。下游20 km處有滴水龍水庫，壩高10.8m，庫容170萬m3，為純發電站，對藍山站測驗無影響。

藍山水文站水位分級為：高水270.00 m以上，中水（269.28～269.99）m，低水（269.05～269.27）m，枯水269.05 m以下。實測歷史最高洪水位271.65 m（凍結基面），流量570 m3/s,發生日期為2013年8月16日,最低水位 268.45 m（凍結基面)，相應流量0.485 m3/s，實測水位變幅3.20 m。

1.2 全自動雷達波在線纜道測流系統 S3 SVRⅣ

1.2.1 產品概述

全自動雷達波在線纜道測流系統是傳感器型非接觸測流系統。由簡易纜道、雷達流速傳感器、自動行車、測流控制器、太陽能供電系統和水位計組成。懸掛于簡易纜道上的自動行車，攜帶雷達波流速傳感器，每天定時沿纜道行走并停留在逐條測流垂線位置上，測量垂線表明流速，測完所有垂線后，自動返回停泊點，進行充電。所測速和水位數據通過無線模塊發送到測流控制器，經過計算得到流量。所有數據經GPRS模塊發送到測流平臺，無需人工操作，方便快捷，省時省力。

1.2.2 全自動雷達波在線纜道測流系統 S3 SVRⅣ技術參數

測速范圍：（0.2～18）m/s； 測速精度： ±0.05 m/s；測速計時：精度 1 s，分辨率 0.1 s；測速歷時：（0～99.9）s；波束寬度： 12°；發射功率：50 mW；微波頻率：Ka波段； 有效測程：（0～100）m； 工作方式：手動、全自動遙測；有效測程：（0～100）m；行車速度： ≤60 m/min；故障反應：出現故障后自動返回停泊點；無線通信：通信距離1 000 m；行車定位精度：±1‰；供電狀況：24 V鋰電池，連續運行3 h以上；無線模塊：電臺475 MHz；適用環境：全天候，雷雨天可正常測流。

2 比測目的和內容

藍山水文站屬于陡漲陡落的山區河流，漲落快，水位變化急劇，峰頂持續時間極短，高水時漂浮物多，對流速儀施測有一定的影響，且受上游電站開關閘影響，流量測驗難以掌握。于2016年4月底配備了全自動雷達波在線纜道測流系統 一套。為了分析全自動雷達波在線纜道測流系統所測流量與該斷面穩定流量的相關關系，充分發揮該系統無人值守、實時監測的優勢，采用LS（25-1）轉子式流速儀與全自動雷達波在線纜道測流系統同時進行流量測驗的成果進行對比分析。

3 全自動雷達波在線纜道測流系統比測情況

（1）比測斷面：藍山站流速儀測流斷面。

（2）比測儀器：采用全自動雷達波在線纜道測流系統和LS（25-1）轉子式流速儀。

（3） 比測方法：根據湘水文測［2003］第 34號文，藍山水文站自2004年4月1日起實行流量測驗。方案為采用纜道流速儀測流，流速儀流量測驗方案為9/0.6；垂線數為9線。借用流速儀施測流速，采用流速面積法計算流量。在轉子式流速儀測速的同時，全自動雷達波在線纜道測流系統也同步施測流速。全自動雷達波在線纜道測流系統虛流量采用借用流速儀斷面水深和全自動雷達波在線纜道測流系統所測流速進行計算。

（4）比測次數：在4～8月各級水位共進行了43次流量比測，每次測有9線，即測速比測了387次。漲落率大和風速大時未進行比測；在比測的43次流量中，實測最大流量371 m3/s，相應水位270.65 m,實測最小流量7.76 m3/s，相應水位268.86 m，水位變幅1.79 m，包括了所有水位級。原始分析資料準確、可靠、比測成果合理。

（5）誤差分析：測驗中發現，當水流出現紊流時，全自動雷達波在線纜道測流系統施測不到流速，故應查明原因，消除影響后方可使用；當水位變化急劇時，全自動雷達波在線纜道測流系統所施測的流量與流速儀施測的流量由于所需測流時間上的差異，水位變幅不一致，導致所測流量差異大，故不作為比測資料分析。對于低速水流，風速的影響也極大，因此測量結果可能無法反映實際速度。在比測過程中，為了得到準確的數據，都避開水位變幅急劇和風速大的天氣進行，所比測的43次流量受外界因素影響很小，全自動雷達波在線纜道測流系統與轉子式流速儀流量的誤差符合規范要求。

（6） 實測流量范圍：（7.76～371）m3/s， 比測流量范圍達98%。

4 全自動雷達波在線纜道測流系統系數分析

4.1 分析方法

以同一水位，LS（25-1）轉子式流速儀所測流量為縱坐標、全自動雷達波在線纜道測流系統同步所測流量為橫坐標點繪關系圖，進行對比分析，求出關系式。

4.2 相關系數分析

通過采用LS（25-1）轉子式流速儀實測流量與全自動雷達波在線纜道測流系統實測流量進行曲線擬合，綜合相關系數 R=1.00，LS（25-1）轉子式流速儀實測流量與全自動雷達波在線纜道測流系統實測流量關系為冪函數關系，關系式為y=0.3957 x1.1138。線型關系詳見附圖。

4.3 關系線檢驗

通過3種檢驗分析，從分析成果可見，比測43次的LS（25-1）轉子式流速儀實測流量與全自動雷達波在線纜道測流系統實測流量符合曲線關系，經檢驗計算，隨機不確定度為4.2%,系統誤差為0.2%，滿足規范要求。檢驗成果見表1。

附圖 藍山站LS(25-1)轉子式流速儀流量與雷達波在線測流流量關系圖

5 結論

（1）全自動雷達波在線纜道測流系統實測流量與LS（25-1）轉子式流速儀實測流量關系符合冪函數關系，原始分析資料準確、可靠，比測成果合理。

（2）流量相關關系式采用：全自動雷達波在線纜道測流系統實測流量計算公式為y=0.3957x1.1138，見表 2。

表1 藍山站纜道雷達波在線測流與轉子式流速儀測流比測成果表

續表1

表2 藍山站轉子式流速儀～雷達波在線測流流量關系線檢驗計算表

（3）測驗條件要求：全自動雷達波在線纜道測流系統在出現紊流時，不適合進行流量測驗，對于低速水流，風速的影響也極大，也應避開。

（4）相關關系式的使用。參照《河流流量測驗規范》第4.8.1條，采用全自動雷達波在線纜道測流系統施測時，全自動雷達波在線纜道測流系統流量按下式計算：

式中Q——斷面流量（m3/s）；

Q雷——全自動雷達波在線纜道測流系統所測出的虛流量（m3/s）。