特高頻雷達在界河水文實時監(jiān)控過程中的應(yīng)用

張弘

（遼寧省丹東水文局，遼寧丹東118000）

1 研究方法

1.1 研究對象

所選測驗河段為界河干流河段，水量豐沛，同時由于多徑流匯入歷史上有發(fā)生較大洪水的水文記錄；年內(nèi)降雨量分布不均，主汛期集中在6—9月；河道比降逐漸減小，平均比降為0.9‰，挾沙能力較弱，并且兩岸植被覆蓋較好，河流含沙量較?。缓佣雾樦?，河床主要由砂石、卵石組成，測驗斷面年際間及汛前、汛后變化不大，主槽穩(wěn)定，左右擺動情況較小。

多年來，該河段采取過傳統(tǒng)鉛魚船測，但由于單次測驗過程的繁瑣，實用性顯然不能滿足現(xiàn)階段水文監(jiān)測需求；后又改為ADCP 走航式測量，但考慮高洪水文作業(yè)的安全性和界河作業(yè)的國際影響，引進特高頻雷達實時監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2 研究方向

特高頻雷達實時監(jiān)測系統(tǒng)（RiverSondeTM）是一種與河流無直接接觸的河流監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了用于監(jiān)測沿海海洋涌流的海洋探測器技術(shù)，是目前唯一用于表面涌流測量，具有良好記錄的系統(tǒng)，并因其測量精確和易于使用立于涌流測量技術(shù)的前沿。

特高頻雷達實時監(jiān)測系統(tǒng)是安裝于河岸之上、與河面無直接接觸的河水速度監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)自動地收集、處理并儲存河面數(shù)據(jù)。應(yīng)用計算機界面，這些數(shù)據(jù)可以以表格或圖表的形式表現(xiàn)出來，也可傳輸用于遠程歸檔或處理。

此次研究分兩部分進行：一是在中低洪水情形下對比ADCP 走航式測量數(shù)據(jù)與特高頻雷達實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，確定相關(guān)系數(shù)；二是在中高洪水情形下，通過定點投放新型GPS浮標，比對浮標流速與特高頻雷達覆蓋相應(yīng)點的實時流速，分析特高頻雷達數(shù)據(jù)準確性。

1.3 數(shù)據(jù)比對

1）ADCP 與特高頻雷達實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比。采用機動測船拖拽ADCP 實測流量，均勻布設(shè)流量測次，利用日本拓普康免棱鏡全站儀測量固定水邊起點距。同時實時監(jiān)測測流斷面的水位，以及非接觸式RiverSondeTM 原始測量數(shù)據(jù)截取，保證數(shù)據(jù)同步。此次實驗自2017年8月3日10 時開始，至8月5日1 時結(jié)束，共實測流量7次，水位變幅2.42 m，各水位級流量測次均有分布。對比結(jié)果如表1，走航ADCP 與RiverSondeTM 實測流量如圖1。

從圖1 可知，各時間段速率變化趨勢一致，代表了河流表面速度橫向分布變化。各測量垂線數(shù)據(jù)與實際情況相符，代表性較好。

通過繪制ADCP 實測流量與非接觸式River-SondeTM 實測流量相關(guān)圖，確立直線回歸方程y=0.84x+14.3，相關(guān)度R2=0.993,兩者相關(guān)關(guān)系密切。說明非接觸式RiverSondeTM 測量效果滿足河道流量測驗要求。

表1 相同水位級走航ADCP 與非接觸雷達測量數(shù)據(jù)對比

圖1 走航ADCP 與RiverSondeTM 實測流量圖

2）新型GPS 浮標與特高頻雷達實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比。漂流浮標用船只投放，投放點離雷達天線沿江距離為大約1000 m，漂至天線另一面距離1000 m 處撈起。共5 只浮標用來做比對實驗，浮標離江岸的距離從幾十米到幾百米不等。浮標的GPS 位置每秒自動紀錄，浮標的南北，東西流速分量利用100 s 內(nèi)的數(shù)據(jù)點通過最小二乘方求得：

圖2 漂流浮標與RiverSondeTM 流速對比

實驗數(shù)據(jù)的對比從浮標的位置信息開始，每30 s 的數(shù)據(jù)由上述計算式計算出速度。根據(jù)浮標在此位置的時間而確定用哪一個徑向流速的文件，在徑向流速的文件中找出離此位置10 m 內(nèi)的所有徑向流速矢量，將這些流速矢量反投影到平行江岸線的方向，再取平均值。通過繪制流速差值圖3，發(fā)現(xiàn)浮標所測流速值與特高頻雷達實時監(jiān)測系統(tǒng)所測值吻合良好，流速差在5%～8%。

圖3 漂流浮標與RiverSondeTM 流速差值

2 結(jié)論

1）特高頻雷達實時監(jiān)測系統(tǒng)能及時地測出河流流量等數(shù)據(jù)，不僅保證水文測報的實時性和準確性，在保障高洪安全作業(yè)方面也有突出體現(xiàn)。

2）在洪水過程中特高頻雷達實時監(jiān)測系統(tǒng)采集的流速能很好地反應(yīng)現(xiàn)實實際，采用穩(wěn)定河段實測大斷面數(shù)據(jù)進行的流量計算數(shù)據(jù)準確率較高。

3）在不同水文測驗斷面，要充分考慮河流特性、水位變幅等測驗條件，合理配置參數(shù)和比測方案，提高儀器的測驗性能和工作效率。