S3-SVR雷達(dá)流量計在南寬坪水文站流量測驗中的應(yīng)用分析

徐建平

（陜西省商洛水文水資源勘測局 陜西 商洛 726000）

1 南寬坪測站基本概況

南寬坪水文站設(shè)立于1959年1月，位于陜西省山陽縣境內(nèi)，東經(jīng)109°54′北緯33°18′，為漢江左岸一級支流金錢河干流控制站，控制面積3936km2，距河口96.7km。觀測項目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、水質(zhì)等內(nèi)容。

南寬坪水文站測驗斷面由沙礫石組成，沖淤變化很小較穩(wěn)定，多年水位流量關(guān)系線較好，中高水基本為單一線。

圖1 南寬坪水文站大斷面圖

南寬坪水文站斷面基本穩(wěn)定，15年來沒有大的沖刷，左岸是人工河堤，右岸為河灘地，再向右就是大山。

南寬坪站水位流量基本穩(wěn)定。1984年遷移到該斷面后，水位流量中高水基本是一條曲線，只有小水時呈現(xiàn)分叉。歷年水位流量關(guān)系線基本就是2、3條，最多不超過4條。

為搶測洪峰，縮短測驗歷時，增加測驗安全性，提高測驗精度，2013年南寬坪水文站引進了S3-SVR型纜道雷達(dá)流量計測流設(shè)備。

S3-SVR型纜道雷達(dá)流量計工作原理：S3-SVR型纜道雷達(dá)流量計是采用接觸式測流手段，利用多普勒原理處理水面回波，測得水面流速的設(shè)備。其測流原理是：借用已測的測驗斷面圖，依據(jù)當(dāng)時水位，獲得過水面積，利用水面流速與垂線平均流速的關(guān)系，計算所得斷面通過的流量。

雷達(dá)流量計技術(shù)指標(biāo)：

測速原理：多普勒雷達(dá)

測速范圍：0.20m/s～18.00m/s

測速精度：±0.05m/s

測速歷時：0～99.9 s

適用環(huán)境：全天候，雨天可正常測流

圖2 2013年水位流量關(guān)系線

2 雷達(dá)流量計系數(shù)對比試驗

為確保引進的新測流設(shè)備性能可靠，在不同水位級測得的流速精度都能達(dá)到規(guī)范要求，逐步代替流速儀測流的傳統(tǒng)方法，對引進的S3-SVR型纜道雷達(dá)流量計進行對比試驗分析。

受測站的地理環(huán)境、流速、含沙量等因素的影響，無法確定雷達(dá)流量計是否適合于該站水流特性。為了保證雷達(dá)流量計的測驗精度，使測驗資料可靠性有所保證，筆者在本站進行了雷達(dá)流量計系數(shù)的對比試驗，并進行了分析。

2.1 對比試驗分析的方法

在不同水位級用旋漿流速儀施測斷面垂線流速的同時，用S3-SVR型雷達(dá)流量計在同一位置施測水面流速，分別計算流速儀法施測的流量和S3-SVR型雷達(dá)流量計施測的流量，建立相關(guān)關(guān)系，分析線性關(guān)系，確定相關(guān)系數(shù)。

表1 南寬坪站雷達(dá)流量計水面系數(shù)計算表

圖3 雷達(dá)流速儀系數(shù)關(guān)系線

2.2 對比試驗

南寬坪水文站S3-SVR型雷達(dá)流量計系數(shù)試驗，同時用流速儀和S3-SVR型雷達(dá)流量計施測流量。2013年5月至2014年10月共試驗43次，水位變幅為491.99m～496.60m，流量變幅為 3.50m3/s～1270m3/s。其中有8次誤差較大，經(jīng)分析原因：對比測驗不規(guī)范，以及水草、雷電、風(fēng)、雨干擾所致，產(chǎn)生偽數(shù)據(jù)，屬偶然誤差，予以剔除。對其余35次進行分析。雷達(dá)流量計虛流量成果對比表，見表1。

3 回歸計算分析

3.1 回歸計算

將流速儀法實測斷面流量與S3-SVR型雷達(dá)流量計法實測斷面虛流量進行比較，點繪流速儀斷面流量與用雷達(dá)流量計實測斷面虛流量關(guān)系圖，采取回歸計算得到公式：Y=0.85X。

按照《流量測驗規(guī)范》（GBT50179-1993）的規(guī)定，雷達(dá)流量計系數(shù)應(yīng)為流速儀法實測斷面流量與雷達(dá)流量計實測虛流量的比值，計算雷達(dá)流量計系數(shù)為0.85，相關(guān)系數(shù)r=0.9988。資料的線性相關(guān)性比較好。S3-SVR型雷達(dá)流量計系數(shù)與本站試驗的流速儀水面系數(shù)相同，同為0.85，符合常規(guī)。

本相關(guān)分析中，①存在成因關(guān)系。將8次誤差較大的點剔除，不是因為誤差大而剔除，而是本身在試驗中受外因干擾而剔除。②比測資料在35次以上，滿足規(guī)范規(guī)定的比測次數(shù)要求。③相關(guān)關(guān)系較好。

3.2 誤差分析

經(jīng)分析，計算采用回歸分析的系數(shù)誤差偏大，故采用水平系數(shù)平均值0.85。以該系數(shù)乘以雷達(dá)流量計所測斷面流量，與流速儀法計算流量進行比較，并進行誤差計算。誤差小于8%的占試驗次數(shù)82.9%；誤差小于10%的占試驗次數(shù)91.4%；誤差小于12%的占試驗次數(shù)100%，經(jīng)過計算，標(biāo)準(zhǔn)差6.1%，隨機不確定度為12.2%，符合《資料整編規(guī)范》表3.3.2第二條二類精度水文站系統(tǒng)誤差±1，隨機不確定度小于10%，采用ADCP測流的隨機不確定度可增大2%，采用浮標(biāo)法測流定線，隨機不確定度可增大2%～4%變?yōu)?2%～14%之規(guī)定。

4 結(jié)果分析

通過流速儀與S3-SVR型雷達(dá)流量計對比分析，最大相對誤差最大為10.8%，最小為0.3%。經(jīng)回歸分析，S3-SVR型雷達(dá)流量計與流速儀測得流量相關(guān)程度達(dá)0.9988，相關(guān)性好。S3-SVR型雷達(dá)流量計水面流速系數(shù)與流速儀測流水面系數(shù)相同，均為0.85。說明S3-SVR型纜道雷達(dá)波測流設(shè)備（美國ACI公司多普勒雷達(dá)波測速傳感器www.stalkerradar.com），在商洛金錢河南寬坪水文站河道斷面流量測驗中，資料精度能達(dá)到《流量測驗規(guī)范》和《資料整編規(guī)范》要求，該儀器可以作為流量測驗儀器在斷面測流中使用。

針對金錢河河流特性，將S3-SVR型雷達(dá)流量計懸掛在纜道鉛魚上，連續(xù)施測三次，取其平均值作為斷面平均流速，乘以已知的斷面面積，即得斷面流量。通過比測分析發(fā)現(xiàn)，在使用該雷達(dá)流量計時，還應(yīng)做到：

（1）雷達(dá)流量計工作環(huán)境溫度范圍為0℃～45℃。雷達(dá)波流量計測驗時，俯角要保持45°，探頭要平行于纜道，對準(zhǔn)上游某一區(qū)域。出現(xiàn)測速不穩(wěn)定等異常情況時，可適當(dāng)調(diào)整雷達(dá)流量計位置，再繼續(xù)進行測流。

（2）洪水期，水流流速及水面波浪很大時，同點測量結(jié)果相差較大，此時應(yīng)在同點進行多次測流，并去除異常數(shù)據(jù)后，取其平均值作為該點流速。

（3）雷達(dá)流量計距水面0.5m～5.0m時，所測流速基本一致，若超過此距離，應(yīng)盡量調(diào)整，確保測驗質(zhì)量。

（4）測流歷時在30s與99.9s測取結(jié)果一樣，因而測流時間選取30s，即可達(dá)到要求。

5 結(jié)語

為實現(xiàn)流量24小時在線監(jiān)測，以后逐步建立點流速與斷面平均流速關(guān)系，以點流速代表斷面平均流速，從而實現(xiàn)流量在線監(jiān)測目的。即以斷面某一點的水面流速與斷面平均流速的關(guān)系或系數(shù)，代表斷面平均流速。采用固定點測流，實現(xiàn)24小時流量在線，是水文發(fā)展的方向。本比測是實現(xiàn)流量在線監(jiān)測、提高測驗時效性的重要前提。本人對南寬坪水文站的雷達(dá)流量計使用比測分析正是先行一步，為全面推廣雷達(dá)流量計測流探索出路。陜西水利