關(guān)于小流域河道電波流速儀安裝方法的探討

汪隆德，唐訓(xùn)海

（四川省遂寧水文水資源勘測局，四川 遂寧 629000）

當(dāng)前，隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及新時(shí)期治水思路和水利工作總基調(diào)細(xì)化，水文在防洪減災(zāi)作用已由大江大河逐漸向中小河流方向并重拓展。但中小河流眾多、千差萬別，受各種建站自然條件影響，已成為落實(shí)新時(shí)期治水思路的難題。目前，可用于流量在線監(jiān)測設(shè)備主要有H-ADCP、超聲波時(shí)差法、電波流速儀、側(cè)掃雷達(dá)和高速攝像圖像法等，但對小流域河流而言，多數(shù)設(shè)備都難發(fā)揮作用。

我們通過對任隆水文站的建設(shè)，認(rèn)為電波流速儀是最能滿足生產(chǎn)、安裝最便捷的成熟設(shè)備。

1 電波流速儀原理

電波流速儀是利用雷達(dá)（Radio Detection And Ranging，縮寫RDAR）對被偵測移動物體產(chǎn)生多普勒（Dopple）效應(yīng)原理。工作時(shí)利用持續(xù)不斷發(fā)射無線電波，當(dāng)無線電波在行進(jìn)過程中碰到物體產(chǎn)生反射，而反彈回來電磁波波長會隨著所碰到的物體的移動狀態(tài)而改變，通過對波長的分析計(jì)算，便可得知被測物體與雷達(dá)之間的相對移動速度。若無線電波遇到被測物體為固定不動的，那么反彈回來的電波波長就不會發(fā)生改變。

基于這個(gè)原理，我們可以在被監(jiān)測斷面布設(shè)1 個(gè)或多個(gè)雷達(dá)測速探頭對水面流速變化進(jìn)行監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)對斷面流量的在線監(jiān)測。

2 現(xiàn)階段電波流速儀流量測驗(yàn)應(yīng)用主要方式

目前電波流速儀測流方式眾多，歸結(jié)起來有如下幾種：第一種是基于“指標(biāo)流速法”，在水流比較集中陡坎岸邊（基巖、水工建筑）或橋面上采用懸臂式安裝，通過施測斷面流量率定出指標(biāo)流速系數(shù)。第二種是基于“指標(biāo)流速法”和“水面浮標(biāo)法”，將設(shè)備安裝在水文纜道上，用于高洪測驗(yàn)，若要實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，需將纜道運(yùn)行至已經(jīng)分析的固定垂線位置，但對纜道繩索易產(chǎn)生疲勞。第三種是基于“水面浮標(biāo)法”而單獨(dú)在河道上架設(shè)1 套單軌或雙軌自動巡測電波測流系統(tǒng)，但系統(tǒng)抗風(fēng)能力較差。第四種是利用跨河建筑，如在公路橋上安裝多個(gè)電波流速探頭，實(shí)現(xiàn)全斷面定點(diǎn)監(jiān)測，易受橋墩紊流或阻水影響。

以上四種安裝是當(dāng)前用得最多的，各有千秋，不詳述優(yōu)缺。

3 河段和斷面的選擇

3.1 斷面穩(wěn)定

與其他在線測流方式一樣，電波流速儀也必須靠借用斷面，準(zhǔn)確的過水面積是準(zhǔn)確計(jì)算斷面流量的基礎(chǔ)。因此斷面的穩(wěn)定是應(yīng)用的基本條件。

3.2 流態(tài)相對穩(wěn)定

不論是單點(diǎn)流速法還是多點(diǎn)流速法，電波流速儀所測流速都是對斷面流速具有穩(wěn)定代表性的指標(biāo)流速，盡管這種代表性可能隨水位變化而改變，但在同級水位時(shí)應(yīng)是穩(wěn)定的。只有穩(wěn)定的關(guān)系存在，將所測流速作為指標(biāo)流速才有實(shí)際意義。因此要求河床縱橫斷面都應(yīng)穩(wěn)定，河床糙率、比降應(yīng)不因洪水而有較大改變。

3.3 具有足夠的水面流速

如果我們羅列各種型號電波流速儀的技術(shù)參數(shù)會發(fā)現(xiàn)，其最低理論測速一般可達(dá)厘米級。但當(dāng)天然水面流速真只有厘米級時(shí)，它就缺少了足以對電波反射并帶有多普勒頻偏波的能力。這也是先前我們認(rèn)識不到位時(shí)往往應(yīng)用電波流速儀測流失敗的原因。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，電波流速儀測流要獲得穩(wěn)定的成果，其水面測點(diǎn)流速＞0.3m/s。

下面作者就遂寧市任隆水文站電波流速儀在線監(jiān)測設(shè)計(jì)和安裝作一個(gè)回顧性的探討。

表1

圖1

表2 任隆水文站河段設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

4 任隆水文站

4.1 地理位置

位于蓬溪縣任隆鎮(zhèn)寨子壩村，集鎮(zhèn)所在地。東經(jīng)105°45′35″，北緯 30°32′15″。交通通訊較發(fā)達(dá)，集鎮(zhèn)地面高程320.00m～322.00m，一般都低于321.00m。

4.2 水文特征

荷葉溪屬涪江一級支流，流域面積207km2，站點(diǎn)位置以上河長20.9km，集水面積64.8km2，流域平均坡降3.53‰，距河口26km。流域坡面較陡，匯流短，陡漲陡落。

4.3 河道特征

擬選河段順直長度約60m，兩岸頂寬25.5m。左右岸均為條石堡坎，左坡比1:7.25；右坡比1:5.85。河床由礫巖、淤泥、浮土構(gòu)成，河道上下各有一個(gè)反向彎道，下游橋面高程與集鎮(zhèn)街道高程基本一致，約320.75m。

4.4 斷面資料

任隆水文站大斷面資料（見表1 和圖1）。

4.5 洪水計(jì)算及資料來源：（1）蓬溪?dú)庀笳?957～2009年實(shí)測最大24 小時(shí)暴雨資料。（2）借用鄰近中小流域吉安河（李子溪）設(shè)立的趙家祠水文站。

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用暴雨洪水推理公式法，并用趙家祠水文站歷史資料進(jìn)行復(fù)核，結(jié)論如表2、表3：

表3 設(shè)計(jì)洪水位成果表

因集鎮(zhèn)堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇，堤頂高程為320.64m（右岸）。當(dāng)發(fā)生超10 年洪水時(shí)，洪水會漫過堤防，形成內(nèi)澇。

4.6 現(xiàn)狀分析

基于任隆水文站擬選位置和周邊環(huán)境及邊界條件，若利用上下游路橋安裝固定電波流速儀，經(jīng)勘查有如下問題：（1）上游橋：橋面高程322.65m，能滿足P=2%洪水測洪和設(shè)備安裝，但橋建在“∽”彎道中間，水流紊亂，不滿足《河道流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-2015）中對測驗(yàn)河段選擇規(guī)定。（2）下游橋：橋面高程321.12m，中央有一橋墩，此橋也建在河道向右轉(zhuǎn)臨界段上，水流紊亂。當(dāng)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，橋的底部距水面較近，易阻塞，形成壅水，水位流量關(guān)系差。（3）場鎮(zhèn)外河道：通過衛(wèi)星影像地圖搜索順直可選河道，經(jīng)實(shí)地踏勘，能布設(shè)水文測驗(yàn)設(shè)施設(shè)備的順直河段極少，且兩岸樹木茂密，屬基本農(nóng)田耕地，無堤防設(shè)施，洪水期間漫灘較遠(yuǎn)。

鑒于以上原因，采用自建過河設(shè)施實(shí)施建站測驗(yàn)。

圖2

4.7 設(shè)計(jì)

（1）構(gòu)造柱設(shè)計(jì)。構(gòu)造柱基礎(chǔ)嵌入基巖深度≥0.5m，平面布設(shè)為“大方腳”型，右岸2200mm×3200mm（順?biāo)?500mm，左岸 2700mm×3200mm（順?biāo)?000mm，兩岸構(gòu)造柱高度均為3850mm。為便于雨量器和北斗衛(wèi)星天線和太陽能電池板的安裝，特對右岸構(gòu)造柱頂部平臺進(jìn)行加寬設(shè)計(jì)，面積為1200mm（順?biāo)?000mm。（2）鋼架梁設(shè)計(jì)。架梁結(jié)構(gòu)（400mm×400mm）×23600mm，材料采用等邊角鋼L30mm×30mm×4mm，共分3 段，高碳鋼螺栓聯(lián)結(jié)。為確保鋼架梁不因自重而發(fā)生應(yīng)力曲變，在架梁上方增設(shè)一根DN140mm×δ8mm 無縫鋼管弧形拱梁（R=4400mm），用拱梁懸吊架梁，懸吊采用Φ20 鍍鋅元鋼，聯(lián)結(jié)采用可調(diào)收“花籃螺栓”，保證鋼架梁穩(wěn)定。（3）監(jiān)測設(shè)備設(shè)計(jì)。流量監(jiān)測基于“水面浮標(biāo)法”，因此在架梁上等距安裝4 套固定電波流速儀（錐形雷達(dá)：SV-3 型，標(biāo)稱測速范圍：0.20～18.00m/s，頻率：Ka 波段 34.7GHz，功率 50MW，發(fā)射角 12°）和 1 套雷達(dá)水位計(jì)（距右岸起點(diǎn)距0.0 點(diǎn)13.0m），4 套固定電波流速儀發(fā)射頭全部面向下游正對流線，發(fā)射波中心線與水平夾角4°。安裝點(diǎn)距0.0m 點(diǎn)分別為 4.25m、9.45m、14.25m、18.25m，安裝高程均為323.00m。右岸構(gòu)造柱頂部分別安裝有翻斗雨量計(jì)1 臺，一體化北斗衛(wèi)星天線1 只和80w 單晶硅太陽能電池板1 塊。（4）簡易手搖纜道設(shè)計(jì)。為便于對固定電波流速儀所測水面系數(shù)率定和校核工作，在兩岸構(gòu)造柱下游方向增設(shè)1 套簡易手搖纜道用于牽引走航式ADCP 進(jìn)行率定。（5）儀器房設(shè)計(jì)。因建設(shè)條件限制，無法修筑專門儀器房，但受城市地面箱變啟示，設(shè)計(jì)箱變儀器房，幾何尺寸為1600mm×1000mm×1900mm 坡屋面頂，箱變基礎(chǔ)距地面600mm，為磚砌，內(nèi)空外實(shí)，承重板為砼現(xiàn)澆，預(yù)留通訊電纜進(jìn)出孔，確保線路安全。（6）其他設(shè)施設(shè)計(jì)。水尺、水準(zhǔn)點(diǎn)、避雷等均按大綱完成設(shè)計(jì)（略）。

圖3

4.8 設(shè)計(jì)成果展示

表4 任隆水文站建站以來歷次洪峰水位及比測資料

圖4

如圖 2、圖 3 所示。

4.9 資料分析

項(xiàng)目于2018 年4 月底完成建設(shè)運(yùn)行至今，其中2019.10～2020.06 為河道改造施工期，系統(tǒng)停運(yùn)。迄今有8 次低水過程，ADCP 巡測 4 次，詳見表 4。

為探討電波流速儀在線流量技術(shù)，我們采用巡測時(shí)電波流速儀生成流量與ADCP 實(shí)測流量同步對比分析，結(jié)果如圖4。

式中：Q實(shí)代表 ADCP 流量；Q虛代表固定式電波流速儀按照“水面浮標(biāo)法”生成流量，R2代表兩數(shù)據(jù)系列的相關(guān)性。

從分析可看成，兩數(shù)據(jù)系列符合全相關(guān)特點(diǎn)。如果以走航式ADCP 流量Q實(shí)為假定真值，即固定式電波流速儀Q虛對真值流量趨勢做到了完全忠實(shí)的反映。Q虛與Q實(shí)在比測水位級范圍內(nèi)呈直線關(guān)系，如果不考慮截距 0.3105，則Q虛大于Q實(shí)，這說明水面流速大于斷面平均流速，符合斷面水流分布物理規(guī)律且比值也符合經(jīng)驗(yàn)值。截距可認(rèn)為是兩種截然不同傳感方式所產(chǎn)生的差，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，流速越低這種差越明顯，鑒于電波流速儀主要應(yīng)用于水面流速＞0.3m/s，而對于以防洪為目的的站不會帶來不可接受的影響。

當(dāng)然由于比測次數(shù)太少，上述結(jié)論是否準(zhǔn)確還需下一步的比測和分析給以證實(shí)。但初步證實(shí)了所選斷面控制較好的判斷。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)雖是2014 年12 月為遂寧市中小河流水文站建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，針對受建站條件限制而實(shí)施的因地制宜辦法，對解決今后類似問題提供參考，特別是對流域面積在200km2以下易發(fā)山區(qū)性河流或水資源監(jiān)測河道、生態(tài)流量監(jiān)測河道、人工明渠等可以借鑒，若條件允許也可以采用鋼架支柱。

同時(shí)，從初步分析成果可以得出如下結(jié)論：根據(jù)測驗(yàn)條件選擇一種或多種適合的測驗(yàn)儀器和測驗(yàn)方法，可最大程度發(fā)揮現(xiàn)代測流設(shè)備效能，實(shí)現(xiàn)無人值守在線監(jiān)測，為水文自動測報(bào)奠定基礎(chǔ)。另外，我們也可以得出如下結(jié)論：現(xiàn)代測流站點(diǎn)的選擇、設(shè)計(jì)和建設(shè)應(yīng)從硬件（如本站的過河設(shè)施、采用的儀器）、軟件（流量生成的方法、比測率定手段）等多方綜合考慮，就可實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的。