甘棠江電波流速儀比測分析

劉春杰

（桂林水文中心站，廣西 桂林 541200）

靈川水文站流量測驗依靠走航式ADCP在斷面下游300 m的靈川三橋施測，存在費時、費力和安全隱患問題。根據便攜式電波流速儀應急橋測洪水有關技術要求，在靈川三橋應用便攜式電波流速儀進行流速關系比測率定的目的是分析便攜式電波流速儀測量的流速與走航式ADCP施測的流速的相關關系，以獲得各水位級電波流速儀流速系數，通過比測分析，（掌握便攜式電波流速儀在靈川水文站應用的系數，在應急等特殊情況下直接測驗流量）穩定性、準確性和適用性等，摸索便攜式電波流速儀在靈川水文站進行流量測驗的可行性，以實現靈川水文站流量應急監測“單兵作戰”模式。

1 測站概況

1.1 測站河段概況

靈川水文站位于廣西桂林市靈川縣三橋上游300 m，是漓江右岸一級支流甘棠江的主要控制水文站，站址距河口距離10 km，集水面積672 km2，主要測驗項目有水位、降水、流量。測驗河段順直，基本斷面呈“U”形，上游700 m處有一浮橋，下游300 m有靈川三橋大橋，該處為有一急灘，作為低水控制水流湍急。斷面上游17 km 有青獅潭水庫，集水面積474 km2，為多年調節水庫，對斷面的來水時程分配有較大的調節作用。洪水歷時一般為30～70 h，洪峰歷時為1～2 h左右，水位流量關系基本呈單一曲線。

1.2 水文特征

根據實測及歷史調查資料，靈川水文站歷年最高水位162.96 m，最大流速3.10 m/s，最大流量1430 m3/s，均出現在2017年8月14日。

按國家現行標準《河流流量測驗規范》（GB50179-2015）規定，靈川水文站為二類測驗精度水文站，高、中、低水位級劃分如下：高水為162.00 m 以上；中水為159.50～162.00 m；低水為159.50 m以下，以上水位均采用1985國家高程基準。

2 測驗情況

2.1 電波流速儀原理

便攜式電波流速儀SVR 是一種手持式表面測速雷達，參照均勻浮標法，在橋上利用便攜式電波流速儀測定多條垂線的水面流速（見圖1），按照流速面積法計算斷面虛流量Q0，乘以斷面平均水面流速系數K1，得到斷面流量Q，即Q=Q0×K1。

圖1 電波流速儀測速示意圖

2.2 測驗斷面布設

便攜式電波流速儀測流斷面位于靈川三橋上游，自左岸至右岸與橋呈水平6°，橋上觀測點到臨時斷面平均距離34.40 m，確定9 條測速垂線，監測斷面示意圖見圖2。

圖2 靈川三橋監測斷面示意圖

2.3 流速測驗方法

準備好便攜式電波流速儀主機、三角架、無線WiFi、便攜平板電腦、配套最新Windows操作系統和測流軟件，到達測流橋上標識的固定位置，將電波流速儀安裝在三腳架上，檢查儀器電壓、傾角，將水平角設置為零度、測量單位選擇為m/s。在橋上架好電波流速儀，打開平板電腦，啟動測流軟件，連接WiFi，并將儀器對準水流方向。

2.4 流量測驗成果分析

比測采用德卡托便攜式電波流速儀與瑞智走航式ADCP 在靈川三橋同步進行流量測驗，橋上布設垂線9條，比測從2017年5月23日開始至2018年8月17日結束，測次布設在高、中、低水位級，共比測10 份流量，其中比測最高水位為162.85 m，比測最低水位為158.65 m，實測最大流量1330 m3/s，實測最小流量15.0 m3/s，經過比測最大流量系數0.869，最小流量系數0.223，根據不同水位級得出不同流量系數，實測流量與虛擬流量比測成果為單一曲線，結果見圖3和表1。

圖3 虛擬流量與ADCP流量關系圖

表1 ADCP與電波流速儀虛擬流量系數分析計算表

通過虛擬流量與實測流量回歸方程相關系數達到0.9 981，建立水位與系數的關系圖（見圖4），經過人工修訂水位系數方程y=0.0 143x3-6.9 797x2+1 131.8 075x-61 175.883，分別計算每個水位級相關系數分別在0.21～0.85之間，中、高水以后系數較為穩定基本在0.85 左右，具體查看水位系數關系圖4及電波流速儀水位系數查算表2。

圖4 水位系數關系圖

選取10份實測資料進行分析，在低水使用電波流速儀測速時流速小于儀器允許誤差，我們舍去低水2份資料，第4和第5份資料在實測對比時由于受外部環境下雨和汽車過馬路的影響舍去突出點2份資料，我們只采用6份流量進行檢驗，隨機不確定度為6.90%＜18.0%，見實測與線上流量檢驗表3。

表2 電波流速儀水位級系數查算表

表3 實測與線上流量檢驗表

通過以上實測與線上流量分析，隨機不確定度在允許范圍內，但為了簡化測速方案分別試算2 條和5條測速垂線成果，選取以斷面起點距為61、81 m的2條測速垂線試算，隨機不確定度為22.2%，已超出允許范圍；選取以斷面起點距為21、41、61、81、101 m 的5 條測速垂線試算，隨機不確定度為12.1%；在以下3個測速方案中5條和實測資料都在允許范圍內，但為簡化測速垂線以5 條測速垂線為最佳測速方案（見表4）。

表4 靈川水文站電波流速儀測速優化方案取舍

3 結論

靈川水文站采用2017-2018年兩年實測電波流速資料進行對比分析。通過在甘棠江靈川縣城（三橋）布設的固定電波流速儀斷面，使用ADCP走航式與電波流速儀在不同水位級進行同時比測，經過分析虛擬流量與實測流量相關系數達0.9 981，找出水位與系數相關關系，計算水位與系數表。簡化垂線數最終選取5 條垂線為最佳測洪方案，通過以上兩項分析成果得出，靈川水文站電波流速儀系數分析成果可靠實用，在大洪水應急監測時可作為最佳測洪方案，但由于資料甚少，在今后工作中需增加比測資料，再次進行分析和檢驗。