雷達波在線測流在漁梁水文站的應用

李 佳

(黃山水文水資源局,安徽 屯溪 245000)

山區河流河道坡度大,洪水過程陡漲陡落,流速大、沖刷力強,含沙量大、破壞力強,且漲水段漂浮物佷多,中高水測量阻力大[1-2]。傳統的轉子式測流方法自動化水平低,接觸測流工作效率低,難以適應山區河流水文測驗點多面廣、任務繁重的新形勢;當水位過高時,比降-面積法和浮標法進行流量測驗時精度較差[3-5]。因此選用一種非接觸的測流方式對于山區高洪期的安全監測意義重大。隨著雷達波在線測流系統的普及,相較于傳統測流方式,非接觸的雷達波測流方式操作簡單,自動化程度高,受氣象環境的擾動小,監測精度高,裝置易于維護,更適合山區流域的流速測量,尤其在中高水測流中作用顯著。目前,雷達波在線測流已在各站點推廣使用,但由于山區河流的復雜性,不同站點的使用場景、系數率定情況各不相同。本文結合漁梁水文站獨特的水文特點,對雷達波在線測流成果進行比測分析,為雷達波測流方式的推廣使用提供參考。

1 基本概況

1.1 水文站概況

漁梁水文站設立于1955年7月,位于皖南山區歙縣徽城鎮漁梁街,屬錢塘江水系新安江流域主要支流練江,控制面積為1599km2。漁梁水文站是省級重要水文站、皖南山區1000～2000km2代表站兼新安江水庫入庫站、水利工程服務站,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。漁梁水文站凍結基面與1985國家高程基準差值為109.125m。

1.2 測驗河段概況

測驗河段順直,左右岸均為漿砌塊石護岸。中低水主槽寬度約220m,高水主槽寬度約250m,高低水無岔流、串溝等情況。河床左部為卵石,右部為砂土及卵石,洪水期沖淤變化小。河底水生植物較少,右岸灘地靠岸邊部分有景觀草坪。下游約1.8km處有始建于隋朝的漁梁壩,對中高水起控制作用。

2 雷達波在線測流系統

2.1 安裝施測

漁梁水文站使用的是在線雷達波自動測流S3 SVRⅢ系統(簡稱“雷達波在線測流系統”),屬非接觸測流系統,由6個測流傳感器總成、測流控制器、水位計和太陽能供電系統組成。6個測流傳感器總成固定在橋梁上,定時采集流速和水位數據,根據流速面積法計算得到流量,其不受漂浮物、渾水、惡劣天氣影響,可全程跟蹤洪水過程[6-8]。

測流傳感器總成安裝在漁梁水文站基本斷面上游950m處的太平橋上,測流傳感器探頭對準太平橋上游,結合太平橋上游地形、河道情況、水流特性、精度要求和設施等條件,確定了6條能夠控制斷面地形和流速沿河寬分布的代表垂線位置,分別安裝在起點距25m、58m、93m、128m、165m及198m處,測量測流斷面流速,并同步到雷達波在線測流系統中。考慮到左岸河道較順直,河岸陡峭;右岸橋下游處有大片灘地、園地,容易阻水以及漫灘,流速很小,經過研究,探頭靠近左岸方向安置,見圖1。

圖1 漁梁水文站雷達波在線測流探頭位置

2.2 運行情況

雷達波在線測流系統自2019年8月26日建成使用至今,運行情況良好,可以滿足長時間的測量需求。只有少部分時間系統出現錯誤,是因為非汛期時,水位低、流速小,達不到雷達波在線測流系統測量條件,測量會出現低于起測水位和有效垂線不足的提示,屬正常現象。運行至今,練江發生了幾場較大洪水,尤其是“2020·7·7”洪水達到50年一遇,通過使用雷達波在線測流系統可發現,流量級分布合理,比測成果較為可靠。

3 監測系統率定分析

3.1 適用性范圍分析

雷達波在線測流系統斷面與漁梁水文站測流斷面間距約1km,中間無出入流,但漁梁水文站所處河段屬于山區性河流,河底坡降較大,同時間的水位和通過兩個斷面的流量是不同的,特別是水位變化快時尤為明顯,故在雷達波在線測流系統比測時,應根據水位流速情況進行時間上的延伸。比測方法為對采用漁梁水文站轉子式流速儀和走航式ADCP所測流量與雷達波在線測流系統所測流量進行率定分析。

3.1.1 資料收集

比測資料采用2020年3—10月漁梁水文站實測流量資料,為了使雷達波在線測流系統與漁梁水文站實測流量資料時間同步,指標流量選取與漁梁水文站實測流量平均時間最近的雷達波在線測流系統所測的流量Q虛。共收集52份比測資料,其中流速儀比測資料39份,ADCP比測資料4份,電波流速儀比測資料9份,水位(凍結基面以上)變幅為1.86～9.34m,流量變幅為39.6～5130.0m3/s,平均流速變幅為0.12～3.61m/s,比測期間該站流量測次分布均勻,能控制流量變化過程,比測成果合理有效。

3.1.2 可靠性分析與適用范圍

雷達波在線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,雷達波在線測量系統工作越穩定[9]。反之,雨強較大或流速很小時,雷達波在線測流系統測流結果不可靠。漁梁水文站平均流速、水位與雷達波測流比測系數見圖2、圖3。由圖2可知,平均流速小于0.50m/s、大于3.00m/s時,系數點極其分散。由圖3可知,當漁梁水文站基本斷面水位低于3.00m時,流速小,雷達波測流結果不可靠。漁梁水文站水位在8.30m時,相應雷達波在線測流系統測流斷面水位為9.30m,洪水逐漸淹沒橋孔,橋梁阻水作用明顯,過橋孔的洪水水流形態發生改變。當斷面流速分布和流向均發生改變時,由于雷達波系統探頭位置固定,所測水面流速與垂線流速、斷面流量不成關系。因此,8.30m水位以上雷達波在線測流系統不再適用。當水位介于3.00～8.30m時,系數相對穩定,雷達波測流結果相對可靠。橋梁在一定程度上限制了雷達波的測流范圍。

圖2 漁梁水文站平均流速與雷達波測流比測系數

圖3 漁梁水文站水位與雷達波測流比測系數

3.2 系數率定

結合測點情況,對3.00～5.00m和5.00～8.30m水位進行分段分析,對雷達波在線測流系統所測虛流量(橫坐標)與流速儀、電波流速儀、ADCP、比降面積法等測驗方法所測實流量(縱坐標)建立相關關系,見圖4、圖5。由圖4、圖5可知,兩者相關系數均在0.9970以上,相關性強,其中3.00～5.00m水位率定系數為0.9315,5.00～8.30m水位率定系數為0.9503。

圖4 實測流量與雷達波虛流量對比分析(3.00m≤z≤5.00m)

圖5 實測流量與雷達波虛流量對比分析(5.00m＜z≤8.30m)

3.3 誤差分析

根據系數率定成果計算雷達波系統所測成果,與實測流量進行比對分析,誤差情況見表1。相對誤差均小于10%,系數率定成果可靠,滿足規范要求[9]。

表1 實測流量與雷達波流測流量比測誤差情況

4 適用性校核

4.1 系數再率定

已率定的系數所用資料為2020年實測資料,為了對率定系數進行校核,利用2021年資料進行系數再率定。2021年汛前對雷達波在線測流系統斷面進行了測量,斷面面積沖淤變化小。此次率定的數據采用2021年5月16日至6月28日漁梁水文站實測流量資料,共收集17份比測資料,水位變幅為3.16～4.19m,比測期間該站流量測次分布均勻,能控制流量變化過程,比測成果見表2。對數據進行分析,建立相關關系,見圖6。本次比測數據水位變幅在3.16～4.19m,系數為0.9334,與首次比測水位在3.00～5.00m的系數一致,系數率定成果可靠。

圖6 漁梁水文站實測流量與雷達波虛流量對比分析

表2 漁梁水文站實測流量與雷達波測流流量比測成果

4.2 系數適用性驗證

將率定后的系數用于分析2021年的數據,檢查成果可靠性與適用性。截至2021年9月1日,取最大洪峰段數據進行系數校核,使用雷達波虛流量乘相應系數后的水位-流量關系與實測水位-流量關系線進行對比,結果見圖7。通過對比可以看出,實測水位-流量關系與雷達波水位-流量關系基本一致,系數率定成果適用。

圖7 實測水位-流量關系與雷達波水位-流量關系對比分析

5 結 語

漁梁水文站位于山區河流區域,山區河流的站點一般會選擇在橋梁上安裝定點式雷達波在線測流系統,優點是易固定、費用少且便于安裝,但當橋梁兩端出現漫灘時,雷達波測流的數據就失去了參考和應用意義,因此雷達波測量裝置在安裝位置和方法的選取上尤為重要。本文對雷達波測量裝置在漁梁水文站的使用情況進行了長期監測和率定分析,結合成果分析:當漁梁水文站基本水位在3.00～8.30m范圍內時,雷達波在線測流系統測量的數據成果參考性較強;當漁梁水文站水位低于3.00m時,流速偏小,超過雷達波在線測流系統使用范圍,成果不可用;當水位超過8.30m時,水面將漫過太平橋橋孔,流速分布、流向發生改變,水流特性變化使雷達波在線測流系統測量數據不能作為參考和應用。雷達波的瞬時測量值存在變化,考慮到雷達波在線測流系統的自動化、高效化,可以將雷達波測流方法作為備用測驗手段。本文結合漁梁水文站水文特點總結出的使用雷達波測流裝置的使用方法和適用條件,可為其他類似的山區河流水文站提供參考。■