長(zhǎng)潭河站雷達(dá)波流速儀比測(cè)分析

范志軍

（湖南省張家界水文水資源勘測(cè)局湖南張家界427000）

長(zhǎng)潭河站雷達(dá)波流速儀比測(cè)分析

范志軍

（湖南省張家界水文水資源勘測(cè)局湖南張家界427000）

1 測(cè)站基本概況

長(zhǎng)潭河水文站位于慈利縣零陽鎮(zhèn)長(zhǎng)青村，東經(jīng)111°01′，北緯29°08′，屬國(guó)家基本水文站，一類精度站，溇水河控制站，集水面積4913km2，主要測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有：水位、流量、降水量、水溫、泥沙并負(fù)責(zé)管理11個(gè)雨量站。

測(cè)驗(yàn)斷面建站后無變動(dòng)，左岸均為黃土斜坎，右岸為護(hù)坡斜坎，河床由砂卵石組成，斷面呈寬U字形。河段順直長(zhǎng)度1km，基上1100m處有長(zhǎng)潭河水電站，基上36.6km有溇水一級(jí)支流溹水匯入，再往上6km有江埡水電站，長(zhǎng)潭河站距河口距離為7km，基下10km為城關(guān)電站；測(cè)驗(yàn)斷面無漫灘，無缺口，無水草生長(zhǎng)，河道常年不斷流，流量測(cè)驗(yàn)用纜道流速儀法施測(cè)。低枯水時(shí)，在基本水尺斷面上游145m處設(shè)立臨時(shí)測(cè)流斷面，用流速儀法涉水施測(cè)流量。

流量測(cè)次布置，洪水期用實(shí)測(cè)過程布置測(cè)次，平水期按水勢(shì)變化及測(cè)站任務(wù)書中規(guī)定的時(shí)間間隔要求布點(diǎn)。斷面測(cè)量用測(cè)深桿測(cè)深，汛前施測(cè)一次大斷面，汛期每月均施測(cè)水道斷面一次。

長(zhǎng)潭河站屬于山溪性河流，由于受到上游階梯電站的開關(guān)閘的影響，水位～流量關(guān)系受人為因素影響比較紊亂，失去了自然特性，電站開閘時(shí)水位急劇上漲，關(guān)閘時(shí)水位瞬間下降，同時(shí)，電站開閘時(shí)，漂浮物多，常規(guī)流速儀法測(cè)量存在很大困難，無法把握測(cè)流時(shí)機(jī)，高水位常轉(zhuǎn)眼即逝，因此該站在高水測(cè)流時(shí)從右至左再從左至右不間斷進(jìn)行施測(cè)，同時(shí)受漲落率、斷面淤積、回水頂托等因素影響，流量資料整編方法有：臨時(shí)曲線法、連時(shí)序法、連實(shí)測(cè)流量過程線法等。本站水位級(jí)劃分為：高水：

96.13 m以上，中水：92.47～96.13m，低水：92.47m以下，本站歷年實(shí)測(cè)最高洪水位102.92m，最低水位為90.33m，本次比測(cè)最高洪水位98.30m。

2 比測(cè)分析的目的

長(zhǎng)潭河站高洪測(cè)驗(yàn)方案有纜道流速儀法、浮標(biāo)法和比降面積法，由于該站地處山區(qū)，上有電站開閘放水時(shí)河道中遍布漂浮物，且多樹木等大型漂浮物半浮于水中，對(duì)纜道流速儀法施測(cè)造成極大的安全隱患，再加上浮標(biāo)投放室于2011年因慈茶公路修建被毀，現(xiàn)在浮標(biāo)法測(cè)流只能依賴天然浮標(biāo)，往往漲水面布點(diǎn)不均勻。雷達(dá)波流速儀是一種新型的測(cè)量?jī)x器，無需設(shè)備進(jìn)入水體，是一種較為理想的高洪測(cè)驗(yàn)方式。特別是在長(zhǎng)潭河站高洪時(shí)水面漂浮物多且因電站控制歷時(shí)短的情況下，雷達(dá)波流速儀是較理想的選擇。

為確保雷達(dá)波流速儀在長(zhǎng)潭河站的有效使用，發(fā)揮新儀器新設(shè)備的作用，有效提高長(zhǎng)潭河站高洪測(cè)驗(yàn)?zāi)芰?，我站按省局《水文監(jiān)測(cè)管理規(guī)定》具體要求對(duì)雷達(dá)波流速儀進(jìn)行比測(cè)分析。

3 雷達(dá)波流速儀的介紹

3.1 儀器簡(jiǎn)介

雷達(dá)波流速儀測(cè)流設(shè)備采用美國(guó)ACI公司多普勒雷達(dá)波測(cè)速傳感器，以非接觸方式測(cè)量水流表面流速，借助水文站現(xiàn)有纜道設(shè)施，故稱為纜道雷達(dá)波流速儀，其型號(hào)為SOMMER RG-30。主要是測(cè)量測(cè)流垂線水面流速，并配套中文專業(yè)測(cè)流軟件，通過借用斷面資料來計(jì)算斷面流量。室外設(shè)備有多普勒雷達(dá)波流速傳感器、無線控制模塊及防水天線、鋰電池及充電器，室內(nèi)設(shè)備主要有：無線收發(fā)器及天線、測(cè)流軟件、設(shè)備檢測(cè)軟件等。

3.2 軟件的主要功能

（1）設(shè)置測(cè)流斷面和測(cè)流垂線，并能自動(dòng)繪制河道斷面圖。

（2）設(shè)置左右岸邊系數(shù)和浮標(biāo)系數(shù)及水位流速系數(shù)及報(bào)表參數(shù)。

（3）計(jì)算流速平均歷時(shí)。

（4）設(shè)置測(cè)量點(diǎn)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)，自動(dòng)計(jì)算平均流速。

（5）接收流速數(shù)據(jù)和輸入水位數(shù)據(jù)，計(jì)算流量并生成流量計(jì)算表。

（6）輸入水尺讀數(shù)自動(dòng)計(jì)算水位，水位比降，糙率。

（7）自動(dòng)計(jì)算左水邊岸邊距與右水邊岸邊距。

（8）報(bào)表以標(biāo)準(zhǔn)Excel格式顯示，方便用戶打印，傳遞。

（9）往期報(bào)表查詢及流速查詢。

（10）能夠根據(jù)測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)定位浮標(biāo)位置并顯示當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)的起點(diǎn)距。

（11）能提示并自動(dòng)跳到下一個(gè)起點(diǎn)距大一點(diǎn)的測(cè)量點(diǎn)，也可以反方向自動(dòng)跳到下一個(gè)起點(diǎn)距小一點(diǎn)的測(cè)量點(diǎn)。

（12）具有數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)功能。

（13）具有自動(dòng)測(cè)量模式與人工測(cè)量模式。

（14）自動(dòng)從現(xiàn)有水位系統(tǒng)中提取水位，并計(jì)算出流量。

3.3 設(shè)備測(cè)流原理和工作方式

借助水文纜道，當(dāng)行車至第一條測(cè)速垂線后，流速探頭即根據(jù)計(jì)算機(jī)指令采集水面流速數(shù)據(jù)。依次測(cè)量每條垂線，結(jié)合大斷面資料計(jì)算出斷面面積和斷面流量。測(cè)流軟件在完成流速測(cè)量后，自動(dòng)進(jìn)行流量計(jì)算，生成流量測(cè)驗(yàn)成果表。雷達(dá)波水面流速系數(shù)的確定是流量精度的關(guān)鍵，需專門進(jìn)行比測(cè)率定。

4 比測(cè)分析

4.1 比測(cè)儀器

根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-93）和《水文資料整編規(guī)范》等相應(yīng)規(guī)范的有關(guān)技術(shù)要求，用轉(zhuǎn)子式流速儀與雷達(dá)波流速儀進(jìn)行了流量的對(duì)比試驗(yàn)，轉(zhuǎn)子式流速儀型號(hào)分別為為：LS（25-1）050279、LS（25-1）090684、LS（25-1）040442。

4.2 比測(cè)方法

纜道雷達(dá)波流速儀與轉(zhuǎn)子式流速儀同步進(jìn)行測(cè)流，當(dāng)纜道運(yùn)行到測(cè)速垂線第一線時(shí)，雷達(dá)波與流速儀同時(shí)開始施測(cè)，測(cè)點(diǎn)施測(cè)時(shí)間同步，如流速儀測(cè)點(diǎn)施測(cè)時(shí)間為60s、100s時(shí)，雷達(dá)波同時(shí)采用60s、100s。測(cè)次分布在93.27m以上的不同水位級(jí)。轉(zhuǎn)子式流速儀根據(jù)實(shí)際情況分別采用水面一點(diǎn)法、兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法施測(cè)斷面平均流速，但是由于雷達(dá)波是20s采集一次數(shù)據(jù)，且第一個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)舍去，在水位變化顯著的時(shí)候，流速儀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)時(shí)間為30s時(shí)雷達(dá)波不能施測(cè)到數(shù)據(jù)，或部分測(cè)點(diǎn)接收接收的流速為零，影響比測(cè)結(jié)果，施測(cè)時(shí)間為30s的比測(cè)結(jié)果不參與分析。

4.3 分析方法及步驟

4.3.1 雷達(dá)波水面系數(shù)的確定

用雷達(dá)波流速儀測(cè)到的水面流速代替垂線平均流速計(jì)算出虛流量，再與轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)出的流量相比較，計(jì)算出各測(cè)次的系數(shù)，再計(jì)算出系數(shù)平均值，即為所求水面流速系數(shù)。計(jì)算公式如下：

4.3.2 水面系數(shù)的分析計(jì)算

雷達(dá)波各測(cè)次水面系數(shù)Ki及平均水面系數(shù)K0.0計(jì)算如表1。

表1 雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)分析計(jì)算表

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，取雷達(dá)波流速儀水面流速系數(shù)k0.0=0.88參與分析。

4.3.3 誤差分析計(jì)算

采用系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度來進(jìn)行誤差評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

標(biāo)準(zhǔn)差：Se=

隨機(jī)不確定度：X′Q=2Se

式中：Q——轉(zhuǎn)子式流速儀流量

Qi——雷達(dá)波施測(cè)流量

誤差統(tǒng)計(jì)表如表2。

表2 誤差分析計(jì)算表

隨機(jī)不確定度：X′Q=2Se=2×4.57%=9.14%

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》SL247-2012第3.3.2第1、2條規(guī)定，一類精度站系統(tǒng)誤差不超過±1%，隨機(jī)不確定度不超過8%，采用雷達(dá)波測(cè)流隨機(jī)不確定度可增大2%。本次分析系統(tǒng)誤差與隨機(jī)不確定度都在允許范圍內(nèi)，滿足水文資料整編等相關(guān)規(guī)范的精度指標(biāo)要求，誤差對(duì)比見表3。

表3 不同系數(shù)誤差對(duì)照表

從表3中可以看出，k0.0=0.88為最優(yōu)系數(shù)。

5 存在問題

長(zhǎng)潭河站歷史最高水位102.92m（1993.7.23），近三年以來實(shí)測(cè)最高水位98.41m（2013.6.6），水位在98.41m以上的沒有收集到比測(cè)資料；雷達(dá)波流速儀20s采集一次數(shù)據(jù)，且第一個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)舍棄，當(dāng)漲落率大，流速儀施測(cè)時(shí)間為30s時(shí)，雷達(dá)波接收不到流速數(shù)據(jù)，部分比測(cè)成果因不合理而舍棄；雷達(dá)波測(cè)流軟件在測(cè)流前要先設(shè)置好垂線位置，測(cè)流過程中不能更改，部分資料因垂線轉(zhuǎn)移不合理在測(cè)流過程中修改雷達(dá)波測(cè)流軟件中的最后一線垂線位置，導(dǎo)致測(cè)流結(jié)束后不能計(jì)算出結(jié)果而廢棄該次比測(cè)成果。

6 結(jié)論

通過比測(cè)對(duì)比分析，長(zhǎng)潭河站雷達(dá)波流速儀比測(cè)分析成果誤差滿足規(guī)范要求。雖然軟件設(shè)置存在瑕疵，稍作修改，是一種理想的測(cè)驗(yàn)方式，能夠在特殊水情下（漂浮物多）和大雨、黑夜等惡劣自然環(huán)境中穩(wěn)定地工作，是解決長(zhǎng)潭河站高洪流量測(cè)驗(yàn)的可靠設(shè)備，可有效提高長(zhǎng)潭河站高洪測(cè)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

P335

A

1004-7344（2016）28-0154-02

2016-9-18

范志軍（1982-），男，助理工程師，本科，主要從事水文測(cè)驗(yàn)工作。