多點(diǎn)雷達(dá)波流量在線監(jiān)測在水文站的應(yīng)用

嵇海祥，李仲仁，梅 宏，韓寶豆

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.安徽省蕪湖水文水資源局，安徽 蕪湖 241003)

1 基本情況

寧國水文站位于寧國市中東津河左岸，距河口(匯入水陽江)2.6km，流域面積1335km2，為皖南山區(qū)1000～2000km2代表站，國家級基本站和省級重要水文站。主要監(jiān)測中東津河的水情變化情況。歷史最高水位為49.87m(2019年8月11日)，最大流量為3730m3/s(2019年8月11日)。

水文站測驗(yàn)河段較順直，左岸為標(biāo)準(zhǔn)堤防，右岸有山體控制，右岸護(hù)坡為竹林，對流量測驗(yàn)有一定影響。低枯水時，右岸有近60m長灘地。河床由卵石組成，2016年經(jīng)過斷面整治后，斷面趨于穩(wěn)定，無明顯沖淤變化。斷面上游約300m處有西津辦事處潘村金橋大橋一座，上游約5.4km處有中津河匯入，下游100m處有排灌站一座，下游2.6km處匯入水陽江。站點(diǎn)大斷面如圖1所示。

圖1 寧國水文站大斷面圖

2 多點(diǎn)雷達(dá)在線流量監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 雷達(dá)波測流原理

RQ30作為定點(diǎn)式雷達(dá)測流系統(tǒng)[1]的一種，其測流原理如圖2所示，其設(shè)備包括一體化嵌入系統(tǒng)裝置，嵌入系統(tǒng)內(nèi)置SIMK(simulation of k)模型和預(yù)先設(shè)置的斷面及邊界數(shù)據(jù)，將傳感器采集得到的實(shí)時水位以及多個雷達(dá)流速采集到的表面流速作為輸入，通過SIMK模型算法輸出實(shí)時流量，從而獲得流量的在線監(jiān)測[5]。SIMK模型是利用水力學(xué)原理，結(jié)合河道斷面特性以熵作為基本概念去求解河道橫斷面的流速分布方程，通過概率密度函數(shù)和熵函數(shù)求解并確定整個斷面的流速分布[5]。

圖2 多雷達(dá)測流原理圖

建立模型后，將剖面形狀、糙率、測量點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)作為參數(shù)輸入模型內(nèi)，模型經(jīng)過斷面流場分布的模擬，利用監(jiān)測的實(shí)時水位以及大斷面數(shù)據(jù)推求出過水?dāng)嗝婷娣e，利用監(jiān)測的多點(diǎn)表面流速推算出對應(yīng)點(diǎn)相應(yīng)斷面的平均流速，最終獲得單點(diǎn)對應(yīng)過水?dāng)嗝娴乃矔r流量[6]。其流量的計算方法同流速儀測流原理類似，即先通過部分流速乘以部分面積求得斷面的局部流量，然后將各局部斷面流量疊加求出整個斷面流量。公式如下：

(1)

式中，Qf—所測斷面流量，m3/s；Ai—部分?jǐn)嗝婷娣e，m2；Vi—部分平均流速，m/s；qi—部分?jǐn)嗝媪髁?，m3/s。

2.2 在寧國水文站的應(yīng)用

多點(diǎn)雷達(dá)在線流量系統(tǒng)安裝在寧國水文站基本測流斷面上游200m處金橋大橋上，安裝方式采用橋上安裝，傳感器垂直面向上游來水方向，現(xiàn)場布設(shè)1(RQ30D型)+2(RG30D型)共計3個非接觸式傳感器控制斷面，傳感器之間通過通信線纜連接，測站將實(shí)時采集的水位流速流量等信息每5min實(shí)時傳輸?shù)街行恼緮?shù)據(jù)服務(wù)平臺。

3 成果分析

寧國水文站多點(diǎn)雷達(dá)在線流量監(jiān)測系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后已正常運(yùn)行近1年，期間水文站共實(shí)測流量28次，采用走航式ADCP施測2次，其余均采用纜道流速儀施測。為鑒定在線流量監(jiān)測成果是否可用，將水文站實(shí)測流量整編成果與該測流時段內(nèi)在線流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行比測分析[7]，其一分析在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，其二分析在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性[8]，并按SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》[10]要求進(jìn)行成果的三項檢驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 三項檢驗(yàn)成果計算表

3.1 水位流量關(guān)系分析

從目前運(yùn)行期間的水位流量過程線(如圖3所示)以及相應(yīng)的水位流量關(guān)系曲線節(jié)點(diǎn)表(見表2)進(jìn)行分析，多點(diǎn)雷達(dá)在線流量監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)水位流量整體漲落關(guān)系良好，水位流量過程平滑，少有跳變，多次洪水過程成果均能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求，儀器工作穩(wěn)定，測流數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

表2 在線監(jiān)測水位流量關(guān)系曲線節(jié)點(diǎn)表

圖3 斷面水位流量過程線

多點(diǎn)雷達(dá)在線流量監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)以實(shí)測流量的時段對應(yīng)的流量取均值后，對水位流量關(guān)系進(jìn)行定線分析。曲線擬合后的系統(tǒng)誤差僅為0.8%，如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)差、隨機(jī)不確定度及三項檢驗(yàn)結(jié)果均合格，滿足一類精度站的資料整編規(guī)范要求。

圖4 在線監(jiān)測水位流量關(guān)系曲線圖

3.2 在線流量與人工流量比測分析

通過在線流量監(jiān)測數(shù)據(jù)與水文站人工實(shí)測流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在低水、中水、高水不同階段，在線流量與實(shí)測流量呈現(xiàn)不同關(guān)系(見表3)。根據(jù)站點(diǎn)實(shí)測大斷面情況進(jìn)行分析，在水位42.45m以上有灘地，過水?dāng)嗝婷娣e增大，其水位流量關(guān)系相關(guān)性不好，故以水位42.45m，流量100m3/s為界分段分析實(shí)測流量與在線流量相關(guān)關(guān)系。在低水狀況下，由于受到雷達(dá)波本身限制，測流范圍在0.3m/s以上，低水測流狀況不好，但在中高水階段測流的精度滿足規(guī)范要求。

表3 在線流量與實(shí)測流量關(guān)系曲線節(jié)點(diǎn)表

通過對I線II線進(jìn)行擬合分析(如圖5—6所示)，流量系數(shù)Nq(基本斷面流量和在線流量的比值)平均值為0.91。其中小于100m3/s的Nq為0.894，大于100m3/s的Nq為0.923，且系數(shù)最小的0.73和0.79的平均流量分別為14.2、20.4m3/s。

圖5 在線流量與實(shí)測流量關(guān)系曲線圖(I線)

3.3 洪水洪量比對分析

同時針對運(yùn)行期間摘錄的洪水場次進(jìn)行了洪量的分析，共選取20個時段。通過對人工測流及在線測流的逐日平均流量表及洪量(見表4)進(jìn)行比較，分析。選取的20次洪量分析，低水位時候精度較低，中高水時候精度較高。

表4 洪量對照表

如圖7所示，在線流量與實(shí)測流量過程線可知，兩種測驗(yàn)方式的流量成果關(guān)系較好，整體來看在高水洪峰流量段時在線流量低于實(shí)測流量，其他時段皆略高于實(shí)測流量。

圖6 在線流量與實(shí)測流量關(guān)系曲線圖(II線)

4 結(jié)論與建議

通過側(cè)掃雷達(dá)表面流速的準(zhǔn)確性分析、實(shí)測流量與在線流量率定分析來研究多雷達(dá)在線流量監(jiān)測系統(tǒng)在寧國水文站河段的適用性。主要結(jié)論與建議如下。

(1)根據(jù)寧國站在線流量監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況分析，多點(diǎn)雷達(dá)波在線流量監(jiān)測系統(tǒng)較為穩(wěn)定；根據(jù)實(shí)測點(diǎn)流量關(guān)系對比分析，在線流量和實(shí)測流量間為線性關(guān)系。經(jīng)過檢驗(yàn)計算，隨機(jī)不確定度8.0%，系統(tǒng)誤差0.8%。滿足水文規(guī)范中一類水文站的精度要求。

(2)鑒于雷達(dá)波測流的特殊性，在進(jìn)行流量率定分析之前應(yīng)進(jìn)行水位分級。以42.45m作為高低水位分級條件所分析得出的流量關(guān)系更加準(zhǔn)確 。

(3)今后將在寧國水文站進(jìn)一步收集不同水位級，特別是高水位級的測點(diǎn)，繼續(xù)研究多雷達(dá)在線流量監(jiān)測系統(tǒng)在各水位級的適用性。