手持電波流速儀在黃山地區(qū)中高水流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用研究

李立州 程

(黃山水文水資源局，安徽 屯溪 245000)

1 研究背景

黃山市地處皖南山區(qū)，轄區(qū)內(nèi)有新安江、長(zhǎng)江、鄱陽(yáng)湖三大流域。山區(qū)河流因其地勢(shì)原因，洪水期間水位暴漲猛落，水位和流量均變幅大，持續(xù)時(shí)間短。在有限的洪水歷時(shí)里測(cè)得并掌握水文資料顯得尤為重要。隨著測(cè)驗(yàn)環(huán)境的長(zhǎng)期變化和對(duì)水文測(cè)驗(yàn)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀、浮標(biāo)和比降-面積測(cè)流法已難以適用山區(qū)中高水的測(cè)驗(yàn)條件，聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，簡(jiǎn)稱(chēng)：ADCP)、手持電波流速儀等儀器脫穎而出，并得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

汛期對(duì)洪水的搶測(cè)，尤其是中小河流站點(diǎn)，測(cè)驗(yàn)人員和儀器的流動(dòng)性都比較大，往往會(huì)出現(xiàn)多部?jī)x器在同一個(gè)站使用或同一部?jī)x器在多個(gè)站點(diǎn)使用的情況。過(guò)去用電波流速儀測(cè)流時(shí)采用系數(shù)大多為出廠值、借用已有站系數(shù)或參考其他方法率定的水面流速系數(shù)。但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這些方法受操作人員經(jīng)驗(yàn)影響較大，成果穩(wěn)定性差且誤差較大，難以滿足定線推流要求。若想使手持電波流速儀在黃山地區(qū)中高水測(cè)流中得到較好應(yīng)用，生產(chǎn)應(yīng)用中還須分析探尋不同儀器型號(hào)、不同斷面下的比測(cè)系數(shù)規(guī)律。

2 研究目的與方法

手持電波流速儀體積小易攜帶、操作便捷、使用安全性高，對(duì)測(cè)驗(yàn)環(huán)境要求低，更適合于山區(qū)河流的野外測(cè)驗(yàn)，且山區(qū)洪水期間漂浮物越多，儀器反射波越強(qiáng)，在洪水測(cè)驗(yàn)中越占優(yōu)勢(shì)。但由于手持電波流速儀在黃山地區(qū)的使用經(jīng)驗(yàn)較少，未有足夠的數(shù)據(jù)分析其應(yīng)用系數(shù)是否受測(cè)驗(yàn)斷面或儀器軟硬件等因素影響。手持電波流速儀系數(shù)的選用直接影響河道斷面流量測(cè)驗(yàn)成果，在傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)方法難以實(shí)施的情況下，分析出準(zhǔn)確的電波流速儀系數(shù)，可使電波流速儀得到更好更精準(zhǔn)的應(yīng)用，也可以解決山溪性河流中高水測(cè)驗(yàn)這一大難題。

根據(jù)2019年和2020年手持電波流速儀與轉(zhuǎn)子式流速儀和走航式ADCP在祁門(mén)、新亭、休寧水文站的應(yīng)用情況，將各水文站基于同一水位下電波流速儀和走航式ADCP、轉(zhuǎn)子式流速儀的測(cè)驗(yàn)成果進(jìn)行整理與分析比較，建立相關(guān)關(guān)系并進(jìn)行誤差分析，以分析電波流速儀系數(shù)的使用情況。

3 測(cè)驗(yàn)概況

祁門(mén)水文站：地處鄱陽(yáng)湖流域饒河水系大洪水上游，集水面積382km2，2020年實(shí)測(cè)最高水位116.61m，相應(yīng)流量1500m3/s。本站測(cè)驗(yàn)河段順直，主槽河床質(zhì)為卵石和巖石，斷面無(wú)較大沖淤變化，右岸為自然斜坡，岸頂是省道公路，左岸為人工岸，岸頂是農(nóng)田及居民房屋。高水受下游彎道控制，水位流量關(guān)系呈單一線和臨時(shí)曲線型。高水時(shí)主要采用纜道流速儀法、比降面積法和電波流速儀法3種測(cè)洪方案。但前兩種方法局限性大，洪水時(shí)河道內(nèi)大型漂浮物多，用纜道流速儀測(cè)流鉛魚(yú)入水時(shí)間長(zhǎng)，危險(xiǎn)性較大；比降面積法因水流浪大，會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)誤差增大。近兩年也曾在合適的測(cè)流時(shí)機(jī)選用走航式ADCP測(cè)流。

新亭水文站：地處錢(qián)塘江流域新安江水系峽溪，集水面積184km2，實(shí)測(cè)最高水位168.27m，發(fā)生于1973年，相應(yīng)流量1310m3/s。中高水受下游彎道控制，測(cè)驗(yàn)河段順直，中高水主槽寬約60m。主槽由卵石組成，右岸灘地由砂卵石組成。水位流量關(guān)系多呈單一線和臨時(shí)曲線型。測(cè)洪主要采用纜道流速儀法、浮標(biāo)法和電波流速儀法。但因?yàn)檎緝?nèi)纜道改造后架設(shè)偏高，高水時(shí)流速儀入水受水流沖擊常出現(xiàn)鉛魚(yú)躍出水面的現(xiàn)象，現(xiàn)在纜道流速儀已難以測(cè)到中高水的流速。浮標(biāo)法受條件限制上下測(cè)流斷面不過(guò)100m，且岸邊竹子生長(zhǎng)也影響浮標(biāo)觀測(cè)。

休寧水文站：屬錢(qián)塘江流域新安江水系橫江干流，匯入新安江，集水面積869km2，實(shí)測(cè)最高水位140.81m，相應(yīng)流量2900m3/s，出現(xiàn)于2020年，水位流量關(guān)系比較穩(wěn)定。高水受下游彎道控制，斷面主槽河床質(zhì)為卵石和巖石，右岸為自然斜坡，左岸為漿砌塊石防洪護(hù)岸，河底有水草，沖淤變化小。休寧站為新建中小河流防汛專(zhuān)用水文站，沒(méi)有架設(shè)纜道，難以率定糙率和浮標(biāo)系數(shù)。

4 手持電波流速儀工作原理與流量計(jì)算

Stalker Ⅱ SVR手持電波流速儀是專(zhuān)業(yè)的水面流速測(cè)速儀器。其通過(guò)遠(yuǎn)距離不接觸水面發(fā)射雷達(dá)波，雷達(dá)波遇到運(yùn)動(dòng)的水面形成回波被接收，繼而通過(guò)智能水面回波頻譜分析算法計(jì)算出水面流速。

通過(guò)計(jì)算部分水面平均流速、部分面積、部分流量從而得到斷面虛流量，由于水面平均流速不能代表斷面平均流速，實(shí)際河道斷面流量還需要經(jīng)過(guò)電波流速儀系數(shù)進(jìn)行換算得到。

5 手持電波流速儀系數(shù)分析

2019年和2020年間，祁門(mén)水文站使用過(guò)型號(hào)為SV002116和SV001952的兩臺(tái)電波流速儀；新亭水文站使用過(guò)型號(hào)為SV003505和SV001952的兩臺(tái)電波流速儀；休寧水文站使用了型號(hào)為SV001952的電波流速儀。表1為各水文站比測(cè)資料，范圍覆蓋了100～1000km2流域面積站的中高水多個(gè)水位級(jí)。

5.1 同一水文站使用不同電波流速儀比測(cè)結(jié)果分析

祁門(mén)、新亭水文站分別在中低水時(shí)使用了兩臺(tái)電波流速儀，高水時(shí)兩個(gè)水文站分別只用1臺(tái)電波流速儀，休寧水文站低、中、高水時(shí)用的都是祁門(mén)、新亭水文站中低水時(shí)用的SV001952流速儀。

由表1可知，祁門(mén)水文站在水位111.45～111.95m時(shí)，SV001952流速儀的比測(cè)系數(shù)均值為0.83，系數(shù)波動(dòng)相對(duì)較小。SV002116流速儀比測(cè)系數(shù)均值0.90，變動(dòng)范圍0.81～0.97，系數(shù)波動(dòng)較大。兩臺(tái)儀器測(cè)量結(jié)果相差較大，系數(shù)均值相差5%左右；新亭水文站低水(水位163.00m以下)時(shí)SV001952和SV003505兩臺(tái)儀器測(cè)量結(jié)果相近，比測(cè)系數(shù)均值均為0.81且波動(dòng)較小。

表1 祁門(mén)、新亭和休寧水文站電波流速儀比測(cè)數(shù)據(jù)

續(xù)表

由此可見(jiàn)，同一個(gè)水文站在使用不同的電波流速儀時(shí)，有的比測(cè)系數(shù)差異較大，有的差異較小，比測(cè)系數(shù)穩(wěn)定與否，不僅與水文站測(cè)驗(yàn)環(huán)境有關(guān)，還與儀器性能相關(guān)，電波流速儀在制造過(guò)程中使用的軟硬件或集成度等的不一致性也會(huì)對(duì)測(cè)驗(yàn)成果造成影響。

5.2 同一電波流速儀在不同水文站使用情況

SV001952流速儀在祁門(mén)、新亭、休寧3個(gè)水文站中、低水時(shí)都有使用，比測(cè)系數(shù)的均值分別為0.83、0.81、0.85，差異不大。

5.3 同一水文站在不同水位級(jí)使用相同電波流速儀情況

建立祁門(mén)、新亭、休寧水文站電波流速儀系數(shù)與水位關(guān)系，見(jiàn)圖1。由圖1可知，3個(gè)水文站的比測(cè)系數(shù)基本在0.80～1.00之間，比測(cè)系數(shù)隨水位級(jí)分布呈兩個(gè)明顯帶狀，且隨著水位升高均有增大的趨勢(shì)。如祁門(mén)按水位112.00m、休寧按水位137.50m為界分成兩個(gè)區(qū)間，并取同區(qū)間的比值系數(shù)均值進(jìn)行比較，可以看出存在規(guī)律。

圖1 祁門(mén)、新亭、休寧水文站電波流速儀系數(shù)與水位關(guān)系

祁門(mén)水文站SV002116流速儀測(cè)量的水位級(jí)為110.60～115.40m，當(dāng)水位在112.00m以下時(shí)，比測(cè)系數(shù)為0.81～0.97，變化較大，比測(cè)系數(shù)均值0.90；水位在112.00m以上時(shí)，比測(cè)系數(shù)基本在0.90以上且變動(dòng)較少，比測(cè)系數(shù)均值0.93。用比測(cè)系數(shù)均值代替單次率定比值成果反推流量并與真值比較，相對(duì)誤差基本在5%以下，少數(shù)點(diǎn)次誤差近10%。

休寧站水位低于137.50m時(shí)，比值系數(shù)均小于0.90，比值系數(shù)均值為0.85；當(dāng)水位高于137.50m時(shí)，比值系數(shù)均大于0.90，比值系數(shù)均值為0.95。用比測(cè)系數(shù)均值代替單次率定比值成果反推流量與真值的相對(duì)誤差基本都在5%以下。

分析其原因是各站在使用手持電波流速儀測(cè)流時(shí)，均是站在橋上向上游水面發(fā)射信號(hào)。由于橋跨結(jié)構(gòu)有一定厚度，會(huì)一定程度阻礙過(guò)水。水位越高時(shí)，洪水淹沒(méi)橋洞面積越大，橋梁阻水、壅水使水流在橋墩附近收縮下沉，大大減小了水面流速，導(dǎo)致電波流速儀法測(cè)算出的流量偏小，比測(cè)系數(shù)普遍偏大。

6 結(jié) 論

經(jīng)以上不同水文站、不同流速儀所測(cè)數(shù)據(jù)比較，得出以下結(jié)論：

a.手持電波流速儀對(duì)黃山地區(qū)河道測(cè)洪有較好的適應(yīng)性，是用于中高水測(cè)驗(yàn)的有效方法。為保證手持電波流速儀測(cè)驗(yàn)成果可靠，切忌盲目使用出廠系數(shù)。

b.中低水時(shí)比測(cè)系數(shù)在0.80～0.85之間，同一電波流速儀在不同的測(cè)驗(yàn)斷面使用，受測(cè)驗(yàn)環(huán)境影響較小，新用站可以借用其他站比值。

c.同一電波流速儀在同一測(cè)站使用時(shí)，比測(cè)系數(shù)在不同的水位級(jí)變化也較大。各站使用的電波流速儀應(yīng)相對(duì)固定，且在不同洪水等級(jí)進(jìn)行多次比測(cè)，分析變化規(guī)律以供使用。當(dāng)水位達(dá)到中高等級(jí)時(shí)，各站的比測(cè)系數(shù)大多在0.90以上，比測(cè)系數(shù)逐漸穩(wěn)定，比測(cè)結(jié)果可以外延使用到高水。

d.中高水時(shí)不同的電波流速儀、不同的測(cè)站比測(cè)系數(shù)變化較大，需分別率定使用。

7 思考與建議

手持電波流速儀在河道斷面流量測(cè)驗(yàn)中，能避開(kāi)水面漂浮物多、含沙量大和水流湍急等測(cè)驗(yàn)難題，操作便捷安全，在野外測(cè)驗(yàn)尤其是搶測(cè)洪水時(shí)是非常合適的測(cè)驗(yàn)設(shè)備，彌補(bǔ)了轉(zhuǎn)子流速儀、比降面積等傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方法的不足，但在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)系數(shù)的采用需謹(jǐn)慎。

測(cè)站在條件允許的情況下，宜使用固定的手持電波流速儀。為及時(shí)獲得洪水測(cè)驗(yàn)成果，測(cè)站應(yīng)在汛前選擇并測(cè)量手持電波流速儀測(cè)驗(yàn)斷面；洪水過(guò)后，也應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)斷面進(jìn)行復(fù)測(cè)，以保證成果準(zhǔn)確。當(dāng)發(fā)生洪水時(shí)，要根據(jù)洪水情況合理分析率定系數(shù)。同時(shí)為了應(yīng)對(duì)儀器損壞等需要換手持電波流速儀的突發(fā)情況，測(cè)站在前期應(yīng)率定出現(xiàn)有的不同電波流速儀在自己測(cè)站的系數(shù)，以保證測(cè)驗(yàn)成果準(zhǔn)確可靠。