RG-30型雷達(dá)波流速儀在后峽水文站適用性分析

詹 戈

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實(shí)驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源研究與管理日益被重視起來(lái)，水資源的高效利用成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)的水文測(cè)試方法以及測(cè)量?jī)x器，已經(jīng)很難滿足現(xiàn)在對(duì)于水文研究自動(dòng)化和信息化的要求，而目前采用的新時(shí)代水文研究方法，諸如水文要素自動(dòng)監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)葴y(cè)量系統(tǒng)，為水資源管理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了可靠的保證，為水文研究的快速發(fā)展提供了有力的工具。

1 區(qū)域概況

后峽水文站是烏魯木齊河上游控制站，天山北坡徑流試驗(yàn)基地，集水面積381 km2，河道長(zhǎng)度33.9 km。經(jīng)水文站試驗(yàn)，河段順直、水流集中、斷面穩(wěn)定，可滿足高、中、低水位水文試驗(yàn)要求。斷面以上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水文信息能否準(zhǔn)確測(cè)量和傳輸，直接影響烏魯木齊市的防洪指揮，因此其地理位置十分重要。但后峽水文站作為區(qū)域代表性站，降水豐富，山洪頻發(fā)，交通不便，人工流量監(jiān)測(cè)難度較大[1]。

烏魯木齊河流域位于天山北坡中部，海拔4 479 m以上，西接屯河系，東接板房溝河支流。河流自南向北，隨支流匯入烏拉泊水庫(kù)，全長(zhǎng)214 km，總流域面積4 684 km2[2]。該河水來(lái)源于冰雪融水、降雨和地下水混合供給。河流徑流形成區(qū)多位于中山帶以上，河流沿斜坡發(fā)育，坡度大，流量短。汛期突發(fā)性洪水通常是由突發(fā)性暴雨或暴雨引起的。最大洪峰流量可達(dá)到河流流量的3～10倍，二次洪水總量甚至可以達(dá)到年徑流量的10%～25%[2-3]。由于洪水變化較大，很難及時(shí)準(zhǔn)確地估計(jì)其洪峰和洪量，這對(duì)烏拉泊水庫(kù)下游的防洪工程和防洪措施構(gòu)成了威脅，尤其是對(duì)烏魯木齊市的安全造成了特別嚴(yán)重的后果。

2 雷達(dá)波流速儀簡(jiǎn)介

2.1 信息簡(jiǎn)介

雷達(dá)波流速儀是利用雷達(dá)波的多普勒效應(yīng)，以非接觸方式測(cè)量水流表面速度的儀器。雷達(dá)波流速儀在我國(guó)不同的河流和環(huán)境中都進(jìn)行了流量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果和指標(biāo)均符合水文試驗(yàn)規(guī)范的要求。本研究站采用RG-30雷達(dá)波流速儀用于監(jiān)測(cè)研究。RG-30雷達(dá)波流速儀是基于面積速度法原理。雷達(dá)波傳輸?shù)椒蔷鶆蛄髅鏁r(shí)，后向散射會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移[4]。RG-30雷達(dá)波流速儀主要功能是使用雷達(dá)探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河流水面流速?？梢詫?shí)現(xiàn)單一測(cè)點(diǎn)和多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流的表面流速的監(jiān)測(cè)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)率定就可以推算出河流斷面平均流速。對(duì)于山區(qū)性河流基本穩(wěn)定的斷面，以斷面平均流速結(jié)合某一水位下的水道斷面就可以計(jì)算出實(shí)時(shí)流量，便可得到實(shí)時(shí)河道流量，對(duì)洪水預(yù)報(bào)和資料累計(jì)起到重要作用。

本水文站采用包含RG-30型雷達(dá)波流速儀在內(nèi)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以完成流量信息采集(水位、風(fēng)向、采集速度等)、處理計(jì)算、信息存儲(chǔ)與傳輸?shù)纫幌盗泄δ躘5]。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)結(jié)合了計(jì)算機(jī)處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)茸詣?dòng)化手段，將常規(guī)的人工監(jiān)測(cè)水文要素轉(zhuǎn)化為信息應(yīng)用的數(shù)字化、自動(dòng)化過(guò)程。

無(wú)線遙控雷達(dá)波數(shù)字流量測(cè)量系統(tǒng)由雷達(dá)波測(cè)速探頭、無(wú)線信號(hào)傳輸裝置、流量測(cè)量軟件、簡(jiǎn)易索道等部分組成。由岸上計(jì)算機(jī)控制的雷達(dá)波流速儀可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通道定位、自動(dòng)測(cè)速和自動(dòng)返回等一系列功能。該測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，操作方便，測(cè)試持續(xù)時(shí)間短，可在現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2.2 斷面流量計(jì)算原理

2.2.1 表面流速橫向分布

根據(jù)水力學(xué)中垂直速度水平分布理論，假設(shè)不同垂線的表面速度與水深成正比(假設(shè)試驗(yàn)段不存在滯水回流等特殊水力現(xiàn)象)。第m條垂線的表面流速計(jì)算公式：

(1)

式中：Vm為第m條垂線的表面流速，Hm為第m條垂線的水深。V測(cè)為測(cè)試點(diǎn)表面流速，H測(cè)為測(cè)試點(diǎn)的水深

2.2.2 斷面平均表面流速

斷面平均表面流速公式如下：

(2)

2.2.3 斷面平均流速

斷面平均流速公式如下：

V均=K×V面

(3)

式中：K為表面流速系數(shù)，釆用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(4)

式中：c為謝才系數(shù)，釆用曼寧公式計(jì)算：

(5)

式中：n為河段糙率，R為水力半徑。

注：考慮斷面滯水回流等特殊水力現(xiàn)象的影響，引入綜合修正系數(shù)η(0<η<1)，對(duì)斷面平均流速進(jìn)行修正，故最終計(jì)算公式為：

V均=η×K×V面

(6)

2.2.4 斷面流量計(jì)算

根據(jù)RG-30型雷達(dá)波流速儀測(cè)出的各代表垂線的區(qū)域水面流速，以及由雷達(dá)水位計(jì)測(cè)得實(shí)時(shí)水位推算出的各代表垂線間的面積，可以推求所需斷面流量，其計(jì)算公式為：

Q=K∑Amv均

(7)

式中：m為測(cè)速垂線數(shù)；K為常數(shù)；Am為測(cè)速垂線間的面積，根據(jù)水位數(shù)據(jù)推算而得；v均為測(cè)速垂線間的平均流速。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

系統(tǒng)設(shè)備安裝在烏魯木齊河上游后峽水文站測(cè)流段，垂線位置需要根據(jù)測(cè)流段的地形、水流特征、流速分布、精度要求和設(shè)施條件確定。為了確定所選垂線的流速具有良好的代表性，選取了不同流速下的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了所選垂線的平均流速與斷面平均流速的關(guān)系如圖1所示。

圖1 垂線平均流速與斷面平均流速關(guān)系圖(單位：m/s)

從圖1中可以看到曲線擬合結(jié)果非常好，R2為0.986，結(jié)果表明，選取的平均垂線速度與各級(jí)斷面平均速度之間關(guān)系穩(wěn)定，具有較好的代表性。

3.1 比測(cè)數(shù)據(jù)成果

采用研究期間獲得的40組水位數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)作為分析樣本。包括最高水位、最低水位、最大流量、最小流量、最大測(cè)點(diǎn)流速、最小測(cè)點(diǎn)流速、最高氣溫、最低氣溫、最大日降水量、最大風(fēng)力等指標(biāo)，涵蓋了臺(tái)站的各種測(cè)試環(huán)境，數(shù)據(jù)具有較好的代表性。

3.2 水位測(cè)驗(yàn)誤差分析

對(duì)雷達(dá)水位計(jì)與人工水尺同步觀測(cè)的40組數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，具體如表1所示。本次研究置信水平為 95%，由表1可以看出，雷達(dá)水位計(jì)水位觀測(cè)精度均符合國(guó)家《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50138—2010)的規(guī)定。

表1 水位比測(cè)數(shù)據(jù)誤差分析統(tǒng)計(jì)

3.3 成果分析

采用2019年度RG-30型雷達(dá)波流速儀設(shè)置的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與鉛魚測(cè)流纜道在不同水位、不同時(shí)段、不同氣象條件下同步測(cè)得的 40組流量成果作為分析資料，建立鉛魚測(cè)流結(jié)果和雷達(dá)測(cè)流結(jié)果的相關(guān)關(guān)系。如圖2所示。

從圖2中可以看到曲線擬合結(jié)果非常好，R2為0.993，表明兩者關(guān)系非常良好。將 2019年不同流量級(jí)別、水流相對(duì)穩(wěn)定條件下的40組實(shí)測(cè)流量資料作為樣本，對(duì)圖中擬合的曲線公式進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果得到如表2所示。均滿足《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范)(GB 50179-2015)要求。

圖2 雷達(dá)實(shí)測(cè)流量與鉛魚實(shí)測(cè)流量關(guān)系圖(單位：m3/s)

表2 流量比測(cè)數(shù)據(jù)誤差分析統(tǒng)計(jì) %

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)RG-30雷達(dá)波流速儀在烏魯木齊河上游后峽水文站流量測(cè)試中的適用性進(jìn)行了分析和研究。通過(guò)對(duì)雷達(dá)波流速儀測(cè)量數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)鉛魚測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比，并通過(guò)相關(guān)性分析，得出根據(jù)RG-30雷達(dá)波流速儀構(gòu)建的新型測(cè)量系統(tǒng)具有較強(qiáng)的快速測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程傳輸功能，一定程度上能夠滿足水文預(yù)報(bào)方法自動(dòng)化和信息化的要求，滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水文信息快速獲取的需求。通過(guò)傳統(tǒng)測(cè)量方式與新型雷達(dá)波測(cè)速儀比測(cè)，結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求，可用于烏魯木齊河上游后峽水文站水位流量的測(cè)量和報(bào)告，并可在相似自然條件的水文站場(chǎng)推廣應(yīng)用，同時(shí)為相關(guān)城市的暴雨防洪、水資源管理和河流水文監(jiān)測(cè)提供了一定的技術(shù)支持。