雷達(dá)波流速儀流量測驗(yàn)水面流速系數(shù)分析

歐陽鑫，呂青松

(興國縣長岡水庫工程管理局，江西 興國 342400)

1 雷達(dá)波流速儀及工作流程

雷達(dá)波流速儀由多普勒雷達(dá)波測速傳感器、電機(jī)和電腦芯片區(qū)分器、無線信號傳輸系統(tǒng)、PLC、鋰電池等部分組成。雷達(dá)波流速儀在測速測流過程中主要基于多普勒效應(yīng)，根據(jù)系統(tǒng)所接收到的反射波頻率傳輸量進(jìn)行施測對象運(yùn)動(dòng)速度等變量的計(jì)算。具體而言，雷達(dá)波流速儀測試系統(tǒng)的測流傳感器先將超聲波向待測水面發(fā)出，此后部分超聲波經(jīng)由水面波浪遮擋后反射回來，產(chǎn)生相應(yīng)的多普勒頻率移動(dòng)信息，經(jīng)過系統(tǒng)天線接收后，自動(dòng)測量出發(fā)射信號與反射信號之間的頻率差，將此頻率差值轉(zhuǎn)換為施測水面流速信息。此外，雷達(dá)波流速儀系統(tǒng)所配備的水位傳感器還同時(shí)進(jìn)行著施測流域水位的同步測量，通過水位傳感器的GPRS模塊將待測流域水流流速、水位等數(shù)據(jù)傳輸至測量控制臺(tái)，再由測量控制臺(tái)將水面流速信息實(shí)施轉(zhuǎn)換為斷面流速信息，再通過水位面積法進(jìn)行過水?dāng)嗝婷娣e的實(shí)時(shí)計(jì)算，流速值與過水?dāng)嗝婷娣e值相乘便可得出流量值。

雷達(dá)波測流系統(tǒng)中水面流速測量儀器主要為雷達(dá)波探頭，在測流過程中，纜道控制箱主要依靠計(jì)算機(jī)定時(shí)供電，將雷達(dá)波流速儀懸掛在直徑4.5 mm的簡易鋼絲繩纜道上，并通過無線遙控、配套定位及測流軟件使雙軌簡易纜道帶動(dòng)儀器箱移動(dòng)至斷面垂線處，在計(jì)算機(jī)的控制下由雷達(dá)波探頭以非接觸的方式測流并接收測量數(shù)據(jù)，并采集水位后，基于所收集到的斷面資料及所率定的流量，由計(jì)算機(jī)根據(jù)流速流量計(jì)算模型，借用斷面成果表，進(jìn)行斷面實(shí)測流量值的計(jì)算，再將所得到的流域水文資料傳送至測站信息采集系統(tǒng)，作為流域水文管理的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)保存。

2 流量測驗(yàn)水面流速系數(shù)分析

2.1 試驗(yàn)斷面的確定

為進(jìn)行雷達(dá)波流速儀在水文監(jiān)測中的適用性分析，本文選用江西不同流域內(nèi)具有不同河流特征的長岡水庫水庫、平江和孤江流域進(jìn)行流量測驗(yàn)比測及水面流速系數(shù)分析，并分別在長岡水庫水庫、平江和孤江選定比測斷面，所選擇的比測斷面均與水文站流量測驗(yàn)斷面重、合或接近，無明顯的流態(tài)變化和水位變動(dòng)，同時(shí)，還應(yīng)在試驗(yàn)斷面架設(shè)簡易測流纜道并安裝雷達(dá)波流速儀，以便展開斷面流量和流速的比測試驗(yàn)。本文比測試驗(yàn)所選試驗(yàn)斷面的總體描述詳見表1。

表1 比測試驗(yàn)所選試驗(yàn)測站的總體描述

2.2 雷達(dá)波流速儀水面流速系數(shù)分析

2.2.1 垂線水面流速的相關(guān)性

選用長岡水庫水庫、平江和孤江常用的LS1206B型流速儀與雷達(dá)波流速儀進(jìn)行比測斷面水面流速的比測試驗(yàn)，取得兩種測量儀器下垂線水面流速V雷0.0與V常0.0后，對所取得的水面流速數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，長岡水庫水庫、平江和孤江進(jìn)行比測斷面水面流速試驗(yàn)所選取的30組數(shù)據(jù)內(nèi)有2組數(shù)據(jù)因雷達(dá)波流速儀施測過程中受到上游漂浮物飄移過程的干擾，而流速值出現(xiàn)異常，所以按照舍棄處理，對剩余的28組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。并在一張坐標(biāo)圖內(nèi)點(diǎn)繪長岡水庫水庫、平江和孤江水文站4次、5次比測試驗(yàn)結(jié)果及所測得的V雷0.0與V常0.0值，以進(jìn)行水面流速變動(dòng)趨勢的直觀了解。根據(jù)各測站水面流速情況來看，采用LS1206B型流速儀與雷達(dá)波流速儀所測定的固定垂線水面流速變動(dòng)趨勢基本一致，峰值變動(dòng)也基本反映出比測斷面流速情況。長岡水庫水庫水文站V雷0.0與V常0.0相對誤差均值為0.94%，相關(guān)系數(shù)0.95，平江站V雷0.0與V常0.0相對誤差均值為-4.8%，相關(guān)系數(shù)0.97，孤江水文站V雷0.0與V常0.0相對誤差均值為-4.4%，相關(guān)系數(shù)0.98。通過對各測站垂線水面流速相關(guān)性進(jìn)行回歸分析可知，8條垂線中有5條垂線水面流速相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)取值在0.93～1.00范圍內(nèi)，剩余3條垂線相關(guān)系數(shù)僅為0.78和0.89，但標(biāo)準(zhǔn)誤差取值較小，測定系數(shù)相關(guān)性較高，表明各流域LS1206B型流速儀與雷達(dá)波流速儀所測定的水面流速值較為接近，雷達(dá)波流速儀所測定的水面流速值可以代表和代替LS1206B型流速儀[1]，具體見表2。

表2 LS1206B型流速儀與雷達(dá)波流速儀水面流速值的比較

2.2.2 水面流速系數(shù)的確定

用LS1206B型流速儀所測得的水面流速和雙塔堡水庫水文站、高崖站和九條嶺水文站相對水深0.6 m測點(diǎn)的流速進(jìn)行相關(guān)性分析，可得雙塔堡水庫水文站、高崖站和九條嶺水文站在低水期水面流速系數(shù)分別為0.79、0.83和0.77(具體見表3)，在比測期間，考慮到斷面以上降水較少，無大規(guī)模洪水，試驗(yàn)值主要表現(xiàn)為低水值，而中高水位水面流速系數(shù)只能待后期出現(xiàn)大規(guī)模洪水情況下再進(jìn)行比測試驗(yàn)[2]。

表3 雷達(dá)波流速儀所測得的三測站在低水期水面流速系數(shù)

3 流量誤差分析

在本文所進(jìn)行的流量比測試驗(yàn)中，長岡水庫水庫、平江和孤江水文站過水?dāng)嗝婷娣e都通過現(xiàn)有過河纜道測流，測深垂線的布置也主要根據(jù)河床起伏及轉(zhuǎn)折變化。在比測過程中，因各測站水位無較大變動(dòng)，所以斷面沖淤也基本保持穩(wěn)定。而對于洪水期間的流量比測試驗(yàn)，若無法充分運(yùn)用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行斷面實(shí)測，則應(yīng)通過借用斷面的方式進(jìn)行對比分析。即在汛期開始前，先進(jìn)行所監(jiān)測河段的大斷面測量，并以此為基礎(chǔ)根據(jù)洪水期內(nèi)河道面積進(jìn)行洪水流量推求，待洪水期過后進(jìn)行斷面遭受洪水沖刷程度的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確推求洪水流量。

就長岡水庫水庫、平江和孤江水文站比測試驗(yàn)而言，選用15次該測站電動(dòng)纜道施測流量，并用LS1206B流速儀進(jìn)行水面系數(shù)計(jì)算，再用雷達(dá)波流速儀所測得的水面流速系數(shù)乘以所確定出的水面系數(shù)，便可得到雷達(dá)波流速儀施測流量。通過分析雙塔堡水庫水文站水位～流量關(guān)系及對雷達(dá)波流速儀所測得流量的誤差統(tǒng)計(jì)，可得出50%、75%和95%累計(jì)頻率下流量誤差分別為2.7%、7.4%和9.2%，流量誤差均值為0.6，具體見表4。而其余兩個(gè)測站因流量測次過少，而無法滿足統(tǒng)計(jì)分析的要求，所以無法得出具體分析結(jié)論。

表4 雙塔堡水庫水文站雷達(dá)波流速儀流量測驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《河道流量測驗(yàn)規(guī)范》，本文所進(jìn)行的流域不同測站常規(guī)流速儀和雷達(dá)波流速儀比測試驗(yàn)結(jié)果符合該測驗(yàn)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[3]，說明雷達(dá)波流速儀可用于該測站低水期流量測驗(yàn)。

4 結(jié)語

本文通過對長岡水庫水庫、平江和孤江雷達(dá)波流速儀水面流速系數(shù)的比測分析得出，在水位幅度變化不大且含沙量較小的低水位區(qū)域，雷達(dá)波流速儀與長岡水庫水庫、平江和孤江水文站常用流速儀水面流速相關(guān)系數(shù)分別為0.98、0.95和0.99；三個(gè)測站水面流速系數(shù)分別為0.79、0.83和0.77，水面流速系數(shù)的取得為測站雷達(dá)波流速儀與常用流速儀水面流速相關(guān)系數(shù)分析提供了數(shù)據(jù)支撐。此外，以長岡水庫水庫、平江和孤江水文站水面流速系數(shù)0.79為斷面流速計(jì)算依據(jù)，進(jìn)行實(shí)測流量和雷達(dá)波流速儀所測流量誤差的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，在50%、75%和95%的累計(jì)頻率下，實(shí)測流量誤差為2.7%、7.4%和9.2%，滿足相關(guān)規(guī)范要求，也反證了比測結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過對雙塔堡水庫水文站雷達(dá)波流速儀流量測驗(yàn)斷面比測的分析發(fā)現(xiàn)，固定垂線的水面流速V雷0.0與V常0.0有較好的相關(guān)性，雷達(dá)波流速儀在該測站的應(yīng)用完全滿足常規(guī)河段中低水流量測驗(yàn)精度的要求。