安順場(chǎng)水文站在線雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)比測(cè)分析

(四川雅安水文水資源勘測(cè)局，四川 雅安，62500)

1 測(cè)站基本概況

安順場(chǎng)水文站位于四川省雅安市石棉縣安順鄉(xiāng)安順村松林河右岸，東經(jīng)102°17′，北緯29°17′。于1960年3月設(shè)立，集水面積1452km2。主要作用為流域洪水預(yù)警預(yù)報(bào)、資料收集及流域特性分析研究。站址處距大渡河約500m，為國(guó)家基本水文站。流量測(cè)驗(yàn)精度為三類精度站，主要測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、降水量、含沙量。其中含沙量于2017年經(jīng)上級(jí)批準(zhǔn)取消日常測(cè)驗(yàn)。本站有一雨量站：新樂(lè)站，在本站上游約10km處。

測(cè)流斷面與基本水尺斷面重合，斷面呈U型，河寬為52.0m，河床由砂卵石組成。右岸為站房堡坎，左岸原為農(nóng)田，2015年縣水務(wù)局修建為防洪堤。基本水尺斷面下游約80m處為松林河河口電站引水處，枯期用堆石壩攔河抬水發(fā)電，抬水期間基本水尺斷面水位受回水影響，洪水期間逐漸沖垮堆石壩后恢復(fù)到自然水位，枯季又影響，2015年下游河口電站堆石壩沖毀后未再維修抬水發(fā)電。基本水尺斷面較之前變化較小。基本水尺斷面采用測(cè)深桿測(cè)量，每年汛前汛末各施測(cè)大斷面一次，汛期按測(cè)站任務(wù)書每月施測(cè)一次，大洪水后及時(shí)施測(cè)水淹部分。流量測(cè)次的布設(shè)：洪水期按洪水漲落過(guò)程布置測(cè)次，平枯水期按水位變化及測(cè)站任務(wù)書要求布設(shè)測(cè)點(diǎn)。

安順場(chǎng)水文站地處四川盆地與青藏高原過(guò)渡連接地帶，汛期主要受高壓低槽影響，降水集中、強(qiáng)度大，山高坡陡匯流時(shí)間短，洪水歷時(shí)短，水位呈暴漲暴落趨勢(shì)，屬典型的山溪性河流類型。流域內(nèi)山高谷深，地表巖石為灰?guī)r，巖石陡立，河谷兩岸和山坡地帶分布有沖溝，崩塌坡積物，出露巖體較破碎，且風(fēng)化嚴(yán)重，加之山高坡陡，遇暴雨、山洪暴發(fā)，常常發(fā)生滑坡、崩塌及泥石流。再加上本站上游電站較多，規(guī)模以上中小電站依次為：洪一、洪二、洪三、大金坪、松源等水電站。但其庫(kù)容較小，調(diào)節(jié)能力差，汛期蓄滿便泄對(duì)本站水位影響較大。特別是上游支溝發(fā)生暴雨、特大暴雨所引發(fā)的山洪泥石流時(shí)，上游電站全部開(kāi)閘泄流，造成水位從起漲到洪峰歷時(shí)短，并且河道中漂木滾石較多，導(dǎo)致峰前測(cè)流布點(diǎn)困難。本站受漲落率、斷面沖淤、變動(dòng)回水等因素影響，水位-流量關(guān)系多為多線型，流量資料整編采用臨時(shí)曲線法，其中2017年由于斷面控制較好，4月份之后為單一曲線。

2 在線雷達(dá)波流速儀介紹

2.1 儀器簡(jiǎn)介

全自動(dòng)在線雷達(dá)波流速儀測(cè)流設(shè)備采用從美國(guó)進(jìn)口的多普勒雷達(dá)波測(cè)速傳感器，型號(hào)為S3 SVRIV。以非接觸方式測(cè)量水流表面流速，然后將所測(cè)流速和水位數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到測(cè)流控制器，通過(guò)系統(tǒng)流量測(cè)驗(yàn)軟件平臺(tái)，借助斷面數(shù)據(jù)，用測(cè)到的水面垂線數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出斷面流量，并實(shí)時(shí)上報(bào)。除雷達(dá)波流速儀外，全自動(dòng)在線雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)還包括簡(jiǎn)易纜道、自動(dòng)行車、測(cè)流控制器、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)和水位計(jì)等組成部分。

2.2 主要參數(shù)指標(biāo)

測(cè)速范圍：0.2m/s～18m/s；

測(cè)速精度：±0.05m/s；

測(cè)速計(jì)時(shí)：精度1s，分辨率0.1s；

測(cè)速歷時(shí)：0～99.9s；

波速寬度：12°；

發(fā)射功率：50mW；

微波頻率：Ka波段；

有效測(cè)程：0～100m；

行車速度：≤60m/s；

故障反應(yīng)：出現(xiàn)故障后自動(dòng)返回停泊點(diǎn)；

無(wú)線通信：通信距離1000m；

行車定位精度：±1‰；

供電狀況：24V鋰電池，連續(xù)工作3h以上；

無(wú)線模塊：電臺(tái)475MHz；

適應(yīng)環(huán)境：全天候、雷雨天可正常測(cè)流。

2.3 在線雷達(dá)波測(cè)流

2.3.1 安裝說(shuō)明

在線雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由簡(jiǎn)易纜道、無(wú)線遙控雷達(dá)波測(cè)流儀(自動(dòng)行車上)、測(cè)流控制器、水位計(jì)、GPRS無(wú)線模塊及太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等組成。懸掛于簡(jiǎn)易纜道上的無(wú)線遙控雷達(dá)波測(cè)流儀沿纜道行走，并停留在逐條垂線位置，測(cè)量垂線表面流速，測(cè)完所有垂線后自動(dòng)返回停泊點(diǎn)，由太陽(yáng)能板為其充電。

在測(cè)流控制器上預(yù)設(shè)測(cè)站參數(shù)，包括大斷面數(shù)據(jù)、測(cè)流垂線、水面流速系數(shù)、岸邊系數(shù)、測(cè)速歷時(shí)等測(cè)流參數(shù)。

系統(tǒng)按以下四種方式啟動(dòng)測(cè)流，計(jì)算當(dāng)前流量：

(1)根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔定時(shí)測(cè)流，通過(guò)電腦設(shè)置段次測(cè)流，每天1次到48次定時(shí)自動(dòng)運(yùn)行施測(cè)流量；

(2)根據(jù)預(yù)設(shè)的水位變率啟動(dòng)測(cè)流，設(shè)置漲退水幅度(如0.1m或0.2m等)加測(cè)流量，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置好的漲幅達(dá)到后自動(dòng)施測(cè)流量；

(3)從遠(yuǎn)程服務(wù)器啟動(dòng)測(cè)流，可通過(guò)電腦或手機(jī)端軟件啟動(dòng)測(cè)流；

(4)現(xiàn)場(chǎng)操作測(cè)流控制器啟動(dòng)測(cè)流。

2.3.2 在線雷達(dá)波流速儀測(cè)流原理和工作方式

當(dāng)在線雷達(dá)波流速儀達(dá)到預(yù)設(shè)測(cè)流時(shí)間或接到招測(cè)命令時(shí)，測(cè)流控制器啟動(dòng)測(cè)流命令，在線雷達(dá)波流速儀在行車的驅(qū)動(dòng)下到達(dá)第一根測(cè)速垂線，水位計(jì)開(kāi)始施測(cè)河道水位，流速探頭開(kāi)始施測(cè)垂線水面流速，然后每根測(cè)速垂線都重復(fù)相同的工作，直至最后一根測(cè)速垂線測(cè)量完成。通過(guò)流量測(cè)驗(yàn)軟件平臺(tái)根據(jù)已經(jīng)預(yù)設(shè)好的斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算出斷面面積與斷面流量，自動(dòng)生成流量測(cè)驗(yàn)成果表，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)。

3 在線雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)的比測(cè)分析

為響應(yīng)水文體制改革，全面實(shí)行巡測(cè)方案及為中小河流水文站測(cè)驗(yàn)方式改革作試點(diǎn)研究，雅安局在2017年經(jīng)考察研究后，在安順場(chǎng)水文站建成全自動(dòng)在線雷達(dá)波流速測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高度的自動(dòng)化、智能化，無(wú)需進(jìn)入水體，對(duì)于高洪時(shí)多漂木、大流速、陡漲陡落的山溪性河流來(lái)說(shuō)是一種較為理想的測(cè)驗(yàn)方式。

為了讓在線雷達(dá)波流速儀早日投入使用，實(shí)現(xiàn)安順場(chǎng)水文站的水位流量自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)及更好地為防汛部門預(yù)警預(yù)報(bào)洪水信息，現(xiàn)對(duì)在線雷達(dá)波流速儀進(jìn)行比測(cè)分析。

3.1 比測(cè)分析的儀器與方法

3.1.1 比測(cè)儀器

根據(jù)《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)和《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)等相應(yīng)規(guī)范的有關(guān)技術(shù)要求，采用轉(zhuǎn)子式流速儀與在線雷達(dá)波流速儀進(jìn)行比測(cè)分析。轉(zhuǎn)子式流速儀型號(hào)為L(zhǎng)S25-1型。

3.1.2 比測(cè)方法

由于施測(cè)流量時(shí)轉(zhuǎn)子式流速儀大部分時(shí)間未與在線雷達(dá)波流速儀同時(shí)施測(cè)。故采取分別擬合各自的水位流量關(guān)系曲線，利用同水位節(jié)點(diǎn)相關(guān)。前提是轉(zhuǎn)子式流速儀和在線雷達(dá)波流速儀的水位流量關(guān)系曲線各自都能滿足《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的定線誤差。

3.2 比測(cè)資料系列選用

本次比測(cè)資料選用2017年轉(zhuǎn)子式流速儀與在線雷達(dá)波流速儀實(shí)測(cè)資料，其中轉(zhuǎn)子式流速儀施測(cè)34份，在線雷達(dá)波流速儀施測(cè)53份，轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測(cè)最低水位891.11m，最高水位892.50m，在線雷達(dá)波流速儀實(shí)測(cè)最低水位891.11m，最高水位892.59m。比測(cè)水位級(jí)在891.10m到892.60m之間。

3.3 在線雷達(dá)流速儀水面系數(shù)的比測(cè)分析

3.3.1 轉(zhuǎn)子流速儀水位流量關(guān)系及三線檢驗(yàn)

轉(zhuǎn)子式流速儀施測(cè)的流量擬合為單一的水位流量關(guān)系曲線，水位流量關(guān)系如表1所示，并對(duì)其進(jìn)行了三線檢驗(yàn)，檢驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

表1安順場(chǎng)轉(zhuǎn)子流速儀水位流量關(guān)系

表2安順場(chǎng)轉(zhuǎn)子流速儀三線檢驗(yàn)成果

由公式及表2可得，系統(tǒng)誤差為

(1)符號(hào)檢驗(yàn)為

式中：u——統(tǒng)計(jì)量；

n——測(cè)點(diǎn)總數(shù)(樣本個(gè)數(shù))；

k——正號(hào)個(gè)數(shù)。

(2)適線檢驗(yàn)為

式中：u——統(tǒng)計(jì)量；

n——測(cè)點(diǎn)總數(shù)(樣本個(gè)數(shù))；

k——變換符號(hào)次數(shù)。

(3)離數(shù)值檢驗(yàn)為

n——測(cè)點(diǎn)總數(shù)(樣本個(gè)數(shù))；

pi——測(cè)點(diǎn)與關(guān)系曲線的相對(duì)偏離值。

由《水文資料整編規(guī)范》(SL247-2012)第3.4.5條規(guī)定并查臨界值表3.4.1-1及3.4.1-2，符號(hào)檢驗(yàn)顯著水平α=0.25，u(1-α/2)=1.15；適線檢驗(yàn)α=0.05～0.10，u(1-α)=1.64；偏離數(shù)值檢驗(yàn)α=0.10～0.20，t(1-α/2)=1.7；由計(jì)算結(jié)果可知三種檢驗(yàn)結(jié)果均小于查表臨界值，故定線合理。

3.3.2 在線雷達(dá)波水位流量關(guān)系及三線檢驗(yàn)

在線雷達(dá)波流速儀施測(cè)的流量擬合的也為一單一的水位流量關(guān)系曲線，水位流量關(guān)系如表3所示，三線檢驗(yàn)成果見(jiàn)表4。

表3安順場(chǎng)在線雷達(dá)波水位流量關(guān)系

表4安順場(chǎng)在線雷達(dá)波流速儀三線檢驗(yàn)成果

由公式及表4可得，系統(tǒng)誤差為

(1)符號(hào)檢驗(yàn)為

(2)適線檢驗(yàn)為

(3)偏離數(shù)值檢驗(yàn)為

三線檢驗(yàn)公式中各符號(hào)意義同上(3.3.1)。

由《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)第3.4.5條規(guī)定并查臨界值表3.4.1-1及3.4.1-2，符號(hào)檢驗(yàn)顯著水平α=0.25，u(1-α/2)=1.15；適線檢驗(yàn)α=0.05～0.10，u(1-α)=1.64；偏離數(shù)值檢驗(yàn)α=0.10～0.20，t(1-α/2)=1.68；由計(jì)算結(jié)果可知三種檢驗(yàn)結(jié)果均小于查表臨界值，故定線合理。

3.3.3在線雷達(dá)流速儀水面系數(shù)分析

通過(guò)在線雷達(dá)波流速儀擬合的過(guò)程線的節(jié)點(diǎn)與轉(zhuǎn)子式流速儀擬合的單一線的節(jié)點(diǎn)流量數(shù)據(jù)相比，得出各節(jié)點(diǎn)的系數(shù)，再計(jì)算出系數(shù)的平均值即為在線雷達(dá)波水面系數(shù)(系數(shù)成果見(jiàn)表5)。計(jì)算公式如下：

表5水面系數(shù)分析

式中：Qi——在線雷達(dá)波流速儀流量，m3/s；

Qci——轉(zhuǎn)子式流速儀流量，m3/s；

k0.0——節(jié)點(diǎn)系數(shù)平均值。

3.4 誤差評(píng)價(jià)分析

將比測(cè)的在線雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)，按流速儀施測(cè)流量時(shí)的水位所對(duì)應(yīng)的在線雷達(dá)波流速儀所對(duì)應(yīng)的流量乘以水面系數(shù)，與轉(zhuǎn)子式實(shí)測(cè)流量進(jìn)行誤差分析，采用系統(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：

表6誤差統(tǒng)計(jì)

注：Qi=Q×0.73中0.73為表5分析出的水面系數(shù)。

式中：Qi——在線雷達(dá)波流速儀流量，m3/s；

Qci——轉(zhuǎn)子式流速儀流量，m3/s。

誤差統(tǒng)計(jì)如表6。

由公式及表6可得，系統(tǒng)誤差為：

標(biāo)準(zhǔn)差為：

隨機(jī)不確定度：

根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)第6.1.2條規(guī)定，三類精度站單次流量測(cè)驗(yàn)允許誤差中高水位級(jí)總隨機(jī)不確定度小于8%，系統(tǒng)誤差在±1%以內(nèi)。本次分析結(jié)果滿足規(guī)范要求。故安順場(chǎng)水文站水面流速系數(shù)經(jīng)分析為0.73。

4 結(jié)語(yǔ)

科技的進(jìn)步發(fā)展帶動(dòng)了水文儀器、技術(shù)的更新?lián)Q代，從傳統(tǒng)的手搖纜道到現(xiàn)代的電動(dòng)智能纜道，從費(fèi)時(shí)費(fèi)力、測(cè)驗(yàn)精度較差的高洪浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)到現(xiàn)在高度智能化、自動(dòng)化、測(cè)驗(yàn)精度較高的全自動(dòng)在線纜道測(cè)流，體現(xiàn)了水文由傳統(tǒng)到現(xiàn)代，由人工到智能的發(fā)展趨勢(shì)。全自動(dòng)在線雷達(dá)波流速儀既可在無(wú)人值守的情況下，將完整的洪水過(guò)程測(cè)得出，同時(shí)可及時(shí)地將數(shù)據(jù)發(fā)送至防汛部門，保證了中小河流高洪時(shí)“測(cè)得出，測(cè)得準(zhǔn)，報(bào)得及時(shí)正確”，為國(guó)家防洪提供了可靠的決策依據(jù)。