雷達波在線測流系統在屯溪水文站的應用

鐘維斌

(黃山水文水資源局，安徽 黃山 245000)

1 屯溪水文站概況

屯溪水文站設立于1950年6月，集水面積為2670km2，屬錢塘江流域新安江水系，是新安江干流的主要控制站，同時也是國家重要站。該站為皖南山區1000～3000km2區域代表站，為防汛抗旱、水資源監測管理保護、水土流失監測與保護、水生態治理、水環境保護等提供服務。

測驗河段順直長度約3.0km，河槽呈U形，河底平均高程為119.0m。左岸為護堤，右岸為景觀帶自然護坡，中低水主槽寬度約200.0m，高水主槽寬度約230.0m；河底水生植物較少，右岸灘地靠岸邊部分有景觀植物。屯溪水文站基下4.1km處建有湖邊水利樞紐工程，正常蓄水位為122.3m。平水期間，流量主要受蓄水、發電影響，測流斷面處水深變化在3.1～3.5m之間，流速較小；洪水期間，受樞紐工程閘門啟閉影響，同等級流量條件下水位變幅較自然條件下減小。

2 雷達波測流系統安裝施測

2.1 系統簡介

屯溪站定點雷達波在線測流系統是非接觸測流系統，由6個測流傳感器、測流控制器、雷達水位計和供電系統組成。雷達波系統測速基于多普勒原理，能定時或人工召測采集流速、水位、風速等數據，并通過GPRS模塊發送到測流平臺，平臺根據流速面積法計算得到流量，不受漂浮物、渾水等條件影響，安全高效，全程跟蹤洪水過程，特別適合高洪流量監測[1]。

2.2 安裝位置及方法

系統設備安裝在屯溪水文站基上86.0m跨河公路橋梁上，測流傳感器探頭對準上游電波流速儀橋測斷面。結合測流斷面地形、水流特性、精度要求和設施等條件，分析代表垂線平均流速與斷面平均流速關系的穩定性，確定能夠控制斷面地形和流速沿河分布的代表垂線位置[2]。

2.3 代表垂線位置分析

2.3.1 斷面流速分布

屯溪水文站電波流速儀橋測斷面處河段順直，高低水無岔流、串溝等情況。河床左部為卵石，洪水期稍有沖淤變化，右部為連片巖石，沖淤變化小。屯溪水文站電波流速儀測流斷面見圖1。

圖1 屯溪水文站電波流速儀測流斷面

以橫坐標為起點距，縱坐標為高程，同時點繪手持電波流速儀測得的各垂線多年平均流速，見圖2。手持電波流速儀測得的斷面流速橫向變化趨勢與斷面河底變化基本一致，說明手持電波流速儀所測流速橫向分布合理。

圖2 屯溪水文站電波流速儀斷面與流速橫向分布套繪圖

2.3.2 代表垂線平均流速與斷面平均流速關系分析

根據屯溪水文站電波流速儀測流斷面圖、電波流速儀斷面與流速橫向分布套繪圖，選取均勻分布在測驗斷面處，且對水深和流速橫向分布能夠較好控制的斷面起點距0、30.0m、82.6m、114.6m、152.6m和187.6m 6條垂線進行分析，并在各個流量級進行流量精簡計算。所得精簡流量與實測流量進行比對，成果見表1，精簡前后最大誤差為3.7%，最小誤差為0，平均誤差為0.2%，說明精簡后垂線代表性較高，能控制斷面流量。6個測流傳感器探頭可安裝在起點距0、30.0m、82.6m、114.6m、152.6m和187.6m大橋上游一側。

表1 測速垂線精簡前后流量誤差

3 分析率定

雷達波在線測流系統斷面與屯溪站測流斷面間距離短、無出入流，但中間有公路橋，對水流分布影響較大，故雷達波在線測流系統比測采用屯溪站轉子式流速儀、走航式ADCP等儀器所測流量與雷達波在線測流系統所測虛流量進行率定分析。

3.1 資料收集

比測資料采用2020年4月3日至7月10日屯溪站實測流量資料，為了使雷達波在線測流系統測量數據與屯溪站實測流量資料時間同步，指標流量選取與屯溪站實測流量平均時間相對應的雷達波在線系統流量Q虛。共收集120份比測資料，屯溪站實測流量變幅為37.3～5210.0m3/s，平均流速變幅為0.058～3.290m/s，比測期間本站流量測次分布均勻，能控制流量變化過程，比測成果見圖3。

圖3 屯溪站實測流量與雷達波虛流量比測成果

3.2 分析范圍

雷達波測流系統基于多普勒測速原理，流速越大，漂浮物越多，反射波越強，系統工作越穩定[3]。

將雷達波虛流量作為橫坐標，各流量對比系數作為縱坐標，點繪成圖(見圖4)。由圖4可以看出，雷達波虛流量小于600m3/s時系數變幅大，雷達波測流系統不穩定。而雷達波虛流量不小于600m3/s時系數基本穩定在0.8～1.0之間，系統所測流量相對可靠，可作為研究分析對象。各流量級對比系數在0.8～1.0之間的占比見表2。

圖4 雷達波虛流量與對比系數關系

表2 各虛流量級對比系數在0.8～1.0之間的占比

3.3 系數分析

將雷達波測流系統所測虛流量不小于600m3/s的測次與屯溪站實測流量共76組數據分流量級建立相關關系[4]，以雷達波虛流量Q虛為橫坐標，屯溪站實測流量Q實為縱坐標點繪成圖，見圖5～圖7。由圖5～圖7 可以看出，各流量級相關關系為線性關系，曲線2、曲線3相關系數在0.90以上，相關性較高，而曲線1相關系數為0.73，有一定相關性但關系較差，見表3。

圖5 雷達波虛流量600m3/s≤Q虛<1000m3/s 流量比測相關分析

圖6 雷達波虛流量1000m3/s≤Q虛<2500m3/s 流量比測相關分析

圖7 雷達波虛流量2500m3/s≤Q虛流量比測相關分析

表3 各曲線關系式

4 誤差分析

根據雷達波系統流量Q雷與雷達波系統虛流量Q虛的相關關系式，計算雷達波系統流量Q雷，分析Q雷與實測流量Q實的誤差，相對誤差精度不大于10%的合格率達92.1%[5-6]。

4.1 關系曲線檢驗分析

屯溪站實測流量Q實與雷達波測流系統所測虛流量Q虛符合曲線關系，對3條關系曲線進行三項檢驗，經檢驗計算，成果見表4、表5、表6。符號檢驗、適線檢驗及偏離數值檢驗方面3條曲線均合格；隨機不確定度、系統誤差方面曲線2、曲線3較小，比測精度指標符合《河流流量測驗規范》(GB 50179—2015)的要求，而曲線1偏大，超出規范要求[7]。

表4 曲線1三項檢驗

表5 曲線2三項檢驗

表6 曲線3三項檢驗

4.2 突出點分析

對研究分析測次進行突出點分析，發現影響雷達波測驗穩定性的主要因素為風力風速、雨強、湖邊樞紐調控等。

4.2.1 風力風速影響

選取測驗時有風的測次，對流速與風速進行對比，點繪流速/風速-系數關系圖，見圖8。由圖8可以看出，流速/風速小于1時，即流速小于風速，大多數比測系數不在0.8～1.0之間，風速對雷達波測驗影響較大。反之，流速/風速大于1時，比測系數基本穩定在0.8～1.0之間。

圖8 流速/風速-系數關系

4.2.2 降水影響

選取所有比測時有降水的測次，點繪雨強-系數-流速關系圖，見圖9。由圖9可以看出，雨強大于0.04mm/min且流速小于1.0m/s時，雷達波系統所測虛流量偏大，系數偏小；流速越小雨強越大，所受影響越明顯；當流速足夠大時，雨強對測驗影響減弱。

圖9 雨強-系數-流速關系

4.2.3 水利樞紐調控影響

屯溪站水情穩定性主要受湖邊樞紐調節影響[8-10]。雷達波測流系統僅監測河流表面流速計算流量，閘門調控時不能很好地監測斷面流量變化，此時所測虛流量偏小，系數偏大。

5 成果驗證

5.1 流量過程線對比

選取屯溪站最大7d洪量流量過程線與雷達波流量過程線進行對比，見圖10。流量過程基本一致，但有小部分雷達波流量測次出現跳變情況。分析原因主要是受降雨等因素影響，部分測次垂線信號差不能測得流速，雷達波虛流量偏小；雷達波施測時有游船、飛鳥等物體快速通過，使部分測次垂線流速偏大，雷達波虛流量偏大。

圖10 流量過程對比

5.2 最大徑流量對比

將屯溪站與雷達波測流系統最大1d、最大3d、最大7d徑流量進行對比，結果見表7。相對誤差最大的是最大7d徑流量，為1.1%；最小的是最大3d徑流量，為0。各對比項相對誤差均小于3.0%，說明雷達波測流系統推流精度較高。

表7 徑流量對比

6 結 語

本文對屯溪水文站雷達波在線監測系統的儀器安裝、位置選擇、分析率定、誤差分析等進行了研究，結果表明，比測期間雷達波在線測流系統總體運行良好，系統虛流量不小于1000m3/s時，測量結果符合《河流流量測驗規范》(GB 50179—2015)中浮標法測流精度要求，可以作為屯溪水文站流量測驗方法使用。雖然雷達波測流系統在使用中具有一定局限性，但相對于傳統測流方法來說，不僅可以解決高洪時期漂浮物較多的影響，還可以實現自動、完整、高效的流量測驗，提高了測流成果的時效性，為實現水文現代化、自動化提供了有效技術支撐[11-12]。