非接觸纜道雷達波流量測驗系統(tǒng)在崇陽（二）水文站的應(yīng)用

王力 瞿蘭蘭 張弛

摘要：雷達波流速儀具有測量速度快、可靠性高、安全性強等優(yōu)勢，在水文勘測中得到了廣泛應(yīng)用。為了更好地控制崇陽（二）水文站洪水流量變化過程，并解決其在洪水搶測中存在的問題，通過對傳統(tǒng)流量測驗與雷達波流量測驗的對比分析，對其在流量測驗中的改正系數(shù)進行了率定。流量比測結(jié)果表明：系統(tǒng)誤差不符合相關(guān)規(guī)范要求，建議在未來測驗過程中盡量避開水流出現(xiàn)紊流、水位漲落率大以及風(fēng)速大等情況。

關(guān)鍵詞：雷達波測流;流量系數(shù);比測分析;崇陽（二）水文站;陸水流域

中圖法分類號：P332.4

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081（2020）12-0013-04

雷達波流速儀不受水中含沙量、漂浮物和氣候條件等因素影響，具有測量迅速、可靠性高、安全性強等特點，在水文勘測中應(yīng)用較為廣泛。為了更加完整地控制洪水流量變化過程，在陸水水庫主要控制站崇陽（二）水文站，使用雷達波非接觸流量測驗系統(tǒng)與常規(guī)測流方法進行同步測驗，確定雷達波流量測驗系數(shù)，以期解決該站在洪水搶測中所面臨的困難。

1水文站概況

崇陽（二）水文站是控制陸水水庫上游陸水河水雨的國家基本水文站（見圖1）。流域控制面積2200km²，來水主要源于斷面上游區(qū)間降雨，屬典型的山溪性小河控制站。測驗河段順直長度約800m，主槽寬約170m，斷面呈“U”形，較為穩(wěn)定，測站控制良好。主泓居中，流速分布與主泓相應(yīng)，高水時主泓略有擺動。斷面上游700m處有徑流式電站;下游約4km為高堤河與大市河匯合后注入陸水河的人口。水位在51.6m以下時起點距50m以下為死水，水位在59.5m以上時右岸出現(xiàn)漫灘。當不受下游水庫頂托時，水位-流量關(guān)系曲線一般為單一線;當頂托較為明顯時，水位-流量關(guān)系曲線簇左偏并形成繩套。

2非接觸流量測驗系統(tǒng)概述

非接觸流量測驗系統(tǒng)是根據(jù)中小河流水流急、漂浮物多、河水陡漲陡落等特點而設(shè)計的流量測報系統(tǒng)。此次比測在崇陽（二）水文站安裝一套在線遙控多探頭雷達波數(shù)字測流系統(tǒng)，傳感器安裝于纜道行車下方5m處，采用太陽能供電，通過通信電臺與站房內(nèi)設(shè)備通信。測驗包含了固定在纜道上的前端設(shè)備和后方的通信電臺、測流軟件兩大部分，其中前端設(shè)備包含RG30傳感器、RTU、鋰電池、充電控制器、太陽能板、通信電臺，見圖2。

纜道式非接觸測流系統(tǒng)由雷達波測流儀、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和測流軟件等組成。雷達波測流儀和數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)在非工作時段處于低功耗休眠狀態(tài);測流軟件在工作時啟動測流，可在1s內(nèi)自動喚醒前方設(shè)備，開始逐垂線采集流速并傳輸。采集結(jié)束后，測流軟件通過人工錄入的水位或自動提取水位進行流量計算成果輸出。測量結(jié)束后，前方設(shè)備進入低功耗休眠狀態(tài)。

纜道式非接觸測流系統(tǒng)利用無線遙控、纜道定位和測流軟件，通過在電腦上遠程操作，完成固定垂線的水面流速測驗。測流斷面的實測流量為固定垂線的水面流速、過水斷面面積和流量系數(shù)的乘積。該方法可替代傳統(tǒng)流速儀法及浮標法，從而實現(xiàn)流量的在線監(jiān)測。因此，需要率定表面流速系數(shù)（即流量系數(shù)）才能使用該方法進行流量測驗。

3流量比測

3.1比測目的

崇陽（二）水文站處于陡漲陡落的山區(qū)河流，水位變化急劇，峰頂持續(xù)時間極短，高水時漂浮物多，對流速儀施測有一定的影響，且該站受上游電站開關(guān)閘和下游陸水水庫高水頂托影響，難以通過流量測驗掌握實際水文情況。為了分析全自動雷達波在線纜道測流系統(tǒng)（以下簡稱“雷達波系統(tǒng)”）所測流量與該斷面穩(wěn)定流量的相關(guān)關(guān)系，充分發(fā)揮其無人值守、實時監(jiān)測的優(yōu)勢，采用LS25轉(zhuǎn)子式流速儀與雷達波系統(tǒng)測流進行比測，對比分析兩者流量測驗成果。

3.2比測方式和結(jié)果

（1）比測斷面為崇陽（二）水文站流速儀測流斷面。

（2）比測儀器采用雷達波系統(tǒng)和LS25轉(zhuǎn)子式流速儀。

（3）比測方法。2017～2018年對崇陽（二）水文站采用纜道流速儀測流，流量常規(guī)測驗方法見表1。在轉(zhuǎn)子式流速儀測速的同時，雷達波系統(tǒng)同步施測，在線監(jiān)測探頭安裝于行車下方。雷達波系統(tǒng)虛流量利用流速儀斷面水深和流速進行計算。

（4）比測次數(shù)。2017～2018年各級水位共進行了35次流量比測，每次測有5～8線，即測速比測次數(shù)約210次。在34次流量比測中，實測最大流量2590m³/s，相應(yīng)水位58.74m;實測最小流量126m³/s，相應(yīng)水位51.39m，水位變幅7.35m。流量比測包括了所有水位級，原始分析資料準確、可靠，比測成果合理。

（5）誤差分析。測驗中發(fā)現(xiàn)，當水流出現(xiàn)紊流時，雷達波系統(tǒng)施測不到流速，應(yīng)查明原因，消除影響后方可使用。當水位變化急劇時，由于所需測流時間差異，水位變幅不一致，可能導(dǎo)致該系統(tǒng)所測流量與流速儀施測結(jié)果差異大。對于低速水流，風(fēng)速的影響也極大，因此測量結(jié)果可能無法反映實際流速。

3.3流量比測數(shù)據(jù)分析

（1）分析方法。同一水位下，LS25轉(zhuǎn)子式流速儀所測流量為縱坐標、雷達波系統(tǒng)同步所測流量為橫坐標，點繪關(guān)系圖，對比分析后得出關(guān)系式。

（2）相關(guān)系數(shù)分析。通過采用LS25轉(zhuǎn)子式流速儀實測流量與雷達波系統(tǒng)實測流量進行曲線擬合，通過數(shù)據(jù)分析，將流量分成不同流量級。當流量小于2000m³/s時，綜合相關(guān)系數(shù)R²=0.9892，LS25轉(zhuǎn)子式流速儀實測流量與雷達波系統(tǒng)實測流量為線型函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為y=0.8161x，線型關(guān)系見圖3。當流量大于2000m³/s時，綜合相關(guān)系數(shù)R²=0.9029，關(guān)系式為y=0.7449x，線型關(guān)系見圖4。

（3）關(guān)系線檢驗。從分析成果可見，比測中有34次轉(zhuǎn)子式流速儀與雷達波系統(tǒng)實測流量大致符合線型函數(shù)關(guān)系，可用于崇陽（二）水文站雷達波系統(tǒng)流量系數(shù)率定分析。根據(jù)GB 50179-2015《河流流量測驗規(guī)范》要求，在測站正式投入使用前，各種方法所使用的儀器應(yīng)與流速儀進行比測，并應(yīng)符合以下條件：比測隨機不確定度不應(yīng)超過6%，系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過士1%。經(jīng)檢驗計算，隨機不確定度為10.8%，系統(tǒng)誤差（P（平））為0.97%，不符合GB50179-2015《河流流量測驗規(guī)范》要求，檢驗成果詳見表2。

4結(jié)論

（1）雷達波系統(tǒng)實測流量與LS25轉(zhuǎn)子式流速儀實測流量關(guān)系大致符合線型函數(shù)關(guān)系，但比測隨機不確定度為10.8%，系統(tǒng)誤差為0.97%，不符合《河流流量測驗規(guī)范》要求。

（2）當水流出現(xiàn)紊流時雷達波系統(tǒng)施測不到流速，應(yīng)查明原因，盡快消除影響;當水位變化急劇時，由于所需測流時間上的差異，雷達波系統(tǒng)測得的流量與流速儀測得的流量差異較大，水位變幅不一致。對于低速水流，風(fēng)速的影響也極大，因此測量結(jié)果無法準確反映實際速度。誤差分析結(jié)果表明：為將纜道雷達波測流系統(tǒng)受到外界因素影響降到最小，建議在未來測驗過程中盡量避開紊流、水位漲落大以及風(fēng)速大等情況。

（3）雷達測流虛流量為100～2000m³/s，綜合相關(guān)系數(shù)為0.9892;2000m³/s及以上虛流量的綜合相關(guān)系數(shù)為0.9029，故不可直接將其應(yīng)用于非接觸流量測驗系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。建議該測流方式僅在日常流量測驗中使用，適時增加比測次數(shù)，增加比測樣本，以滿足不同水位級分析資料需求。

（編輯：李曉濛）