澇峪口水文站單軌全自動雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)對比分析

靳 君

(西安水文水資源勘測中心，西安 710100)

1 基本情況

1.1 測站流域概況

澇峪口水文站處于黃河流域渭河水系澇河流域干流右岸，是澇河流域中游代表控制站，該站位于西安市扈邑區(qū)澇峪旅游管委會教場村譚廟組，E108°31′55″，N34°01′02″，屬國家基本站點。水文站以上集水面積為347km2，距河口40km。從1944年4月設(shè)立至今已有76年多歷史。測驗河斷基本順直，區(qū)間無支流加入和流出，監(jiān)測斷面水面寬約為100m，斷面形態(tài)呈“U”形。河床由大小卵石組成，沖淤變化不大，上游500m處河道彎曲，下游150m處河道彎曲并擴(kuò)展。低水時左岸出現(xiàn)淺灘，主流偏右岸。屬于不經(jīng)常性沖淤斷面。三個斷面間距50m，基本水尺斷面兼下比降斷面，架設(shè)閉口式鉛魚纜道一座，基下3m處架設(shè)單軌全自動雷達(dá)波在線測流纜道一座。

澇峪口水文站測驗項目有降雨、蒸發(fā)、墑情、水位、流量、泥沙。根據(jù)實測資料結(jié)果得出該站實測最大流量624m3/s(1987.8.3)，實測最小流量0.006m3/s，多年平均徑流量1.087億m3，多年平均降水量802.9mm。多年流量資料顯示，水位流量關(guān)系曲線相對穩(wěn)定。

1.2 單軌全自動雷達(dá)在線測流系統(tǒng)產(chǎn)品介紹

單軌全自動雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)用在河道流速和流量在線監(jiān)測，通過在測流斷面上架設(shè)簡易纜道，測流控制器控制雷達(dá)波測速行車的走航，完成固定垂線的水面流速測驗，根據(jù)實測水位、借用大斷面資料。完成斷面流量的計算及傳輸?？筛鶕?jù)設(shè)定時間自動完成測速垂線點流速測量，測量完成后自動進(jìn)行計算；也可根據(jù)水位漲落幅度設(shè)定，當(dāng)水位漲落幅度超過設(shè)定值時自動完成測速垂線點流速測量，測量完成后自動進(jìn)行流量計算；可實現(xiàn)遠(yuǎn)程流速、流量的在線測量[1]。

雷達(dá)流速測量采用多普勒效應(yīng)原理測流體表面流速。在聲學(xué)領(lǐng)域中，當(dāng)聲源與接收體(即探頭和反射體)之間有相對移動時，回聲的頻率將有所變化，這種頻率的變化稱之為頻移，即多普勒效應(yīng)。當(dāng)雷達(dá)流速儀與水體以相對速度發(fā)生移動時，發(fā)出的和接收的電磁波頻率產(chǎn)生電磁波頻率差，也就是多普勒頻移。通過計算頻率差得到流體表面的流速。

系統(tǒng)組成由測站設(shè)備、服務(wù)器管理軟件及中心水文站軟件3部分構(gòu)成。

1)測站設(shè)備：測站簡易纜道、測流控制器、雷達(dá)流速傳感器、自動行車、水位計、無線通信模塊、太陽能供電系統(tǒng)、附屬傳感器。

2)服務(wù)器管理軟件：服務(wù)器管理軟件接收測站發(fā)來的全部信息，存入流量測驗數(shù)據(jù)庫。移動電腦可裝服務(wù)器管理軟件，通過互聯(lián)網(wǎng)查看測站數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程啟動測站測流、遠(yuǎn)程修改測站參數(shù)。

3)中心水文站軟件：中心水文站人員通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程下載數(shù)據(jù)庫中的測站數(shù)據(jù)，在計算機(jī)上分析處理，生成水文報表。

2 全自動雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)比測資料的收集

2.1 資料選用

根據(jù)澇峪口水文站2017年-2018年實測流量和雷達(dá)流量計在線系統(tǒng)實測流量數(shù)據(jù)，篩選出同一時刻的流量數(shù)據(jù)37次，進(jìn)行比測分析。

2.2 資料一致性分析

依據(jù)流速儀與雷達(dá)流量計同步比測資料，進(jìn)行比測分析。

2.3 資料合理性檢查

測流結(jié)束后檢查測量記錄，輸入計算機(jī)計算，嚴(yán)格執(zhí)行“四隨”工序，比測資料計算正確無誤，通過資料審查驗收，精度較高。

3 全自動雷達(dá)波在線測流系數(shù)分析計算

根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179-93)和《水文資料整編規(guī)范》等相應(yīng)規(guī)范的有關(guān)技術(shù)要求，用流速儀法實測流量與雷達(dá)流量計法實測流量比值。依據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》GB50179-93第4.8.6條流速系數(shù)的確定應(yīng)符合下列規(guī)定：暢流期水面流速系數(shù)應(yīng)由多點法測速資料或其他加測水面流速的資料分析確定。

3.1 雷達(dá)流量計系數(shù)分析方法

3.1.1 均值法

用雷達(dá)流量計測到的水面流速代替垂線平均流速計算出虛流量，再與旋槳流速儀測出的流量相比較，計算出各測次的系數(shù)，再計算出系數(shù)平均值，即為所求雷達(dá)流量計系數(shù)，雷達(dá)流量計系數(shù)計算見表1。

計算公式如下：

(1)

(2)

分析計算結(jié)果見表1。

表1 澇峪口(三)站雷達(dá)流量計系數(shù)計算表

根據(jù)2017年—2018年37次比測資料，經(jīng)分析計算雷達(dá)流量計系數(shù)為0.72。

3.1.2 回歸方程法

依據(jù)2017年-2018年比測資料，采用回歸方程法計算雷達(dá)流量計系數(shù)，回歸方程為y=0.76x，相關(guān)系數(shù)為0.76，相關(guān)關(guān)系為0.98。其相關(guān)點據(jù)比較密集，分布成一帶狀。見圖1。

3.1.3 雷達(dá)流量計系數(shù)的確定

通過對澇峪口站雷達(dá)流量計比測資料進(jìn)行分析，分別采用均值法和回歸方程法進(jìn)行分析計算，均值法系數(shù)為0.73；回歸方程法系數(shù)為0.76，兩種分析方法結(jié)果相近，綜合兩種分析計算結(jié)果，雷達(dá)流量計系數(shù)確定為0.74。

3.2 全自動雷達(dá)波在線測流系數(shù)評定

3.2.1 相關(guān)曲線的三項檢驗

對建立的相關(guān)曲線進(jìn)行三項檢驗，即符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值的合理性檢驗，符號檢驗顯著性水平α選用0.25，適線檢驗顯著性水平α選用0.10，偏離數(shù)值顯著性水平α選用0.20。經(jīng)計算相關(guān)曲線的標(biāo)準(zhǔn)差為9.15，隨機(jī)不確定度為18.3，系統(tǒng)誤差為2.2，檢驗結(jié)果滿足中華人民國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL247-1999《水文資料整編規(guī)范》2.3-2.4要求。標(biāo)準(zhǔn)差計算見表2。

表2 澇峪口(三)站雷達(dá)流量計系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差計算表

續(xù)表2 澇峪口(三)站雷達(dá)流量計系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差計算表

3.2.2 全自動雷達(dá)波在線測流系數(shù)質(zhì)量評定

澇峪口站雷達(dá)流量計系數(shù)確定為0.74，利用該站2017年-2018年比測資料進(jìn)行合理性檢驗，檢驗結(jié)果基本滿足規(guī)范要求。

最大誤差16.45%，最小誤差0.02%，誤差<10%，合格率為70.0%。檢驗分析結(jié)果表明，雷達(dá)流量計性能比較穩(wěn)定，操作方便，測量精度高，可以代替浮標(biāo)法進(jìn)行中高水流量測驗。測驗質(zhì)量滿足水文規(guī)范要求，該儀器可作為水文站的流量在線監(jiān)測設(shè)備[2]。

采用系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度來進(jìn)行誤差評價，計算公式如下：

式中：Qi為雷達(dá)流量計虛流量；Qci為斷面流量。

雷達(dá)流量計系數(shù)誤差統(tǒng)計，見表3。

表3 澇峪口(三)站雷達(dá)流量計系數(shù)誤差計算表

續(xù)表3 澇峪口(三)站雷達(dá)流量計系數(shù)誤差計算表

根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》GB50179-93第4.1.4條規(guī)定，二類精度站單次流量測驗允許誤差中高水位及總隨機(jī)不確定度<12%，系統(tǒng)誤差在1-2%內(nèi)，本次分析比測成果均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

通過澇峪口水文站全自動雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)與纜道流速儀測驗相比，全自動雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)具有不受大洪水水面、水內(nèi)漂浮物、水質(zhì)流態(tài)等影響，縮短測驗歷時、操作簡單、連續(xù)性強(qiáng)、安全指數(shù)高等特點，它不但可以測出河流斷面水面流速，而且可以通過軟件處理，進(jìn)行流量資料整編，可取得較高精度的流量成果，同時，其網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，設(shè)備電池連續(xù)工作時間常等功能的優(yōu)點正是當(dāng)前水文發(fā)展的新要求、新方向，解決偏遠(yuǎn)水文測站的落后測驗方式，解放了勞動力；其定時測報、變幅加測等功能的靈活設(shè)置，讓無人值守的水文測驗?zāi)Ｊ匠蔀榭赡?，真正實現(xiàn)全自動監(jiān)測[3]。