周家河水文站無線遙控雷達(dá)波測流系統(tǒng)系數(shù)率定分析

鄧云升

（安徽省安慶水文水資源局，安徽 安慶 246000）

針對傳統(tǒng)的河道流量測驗(yàn)方式落后且效率低，難以適應(yīng)當(dāng)前水文測驗(yàn)點(diǎn)面多廣、任務(wù)繁重的新形勢。尤其是周家河水文站位置偏遠(yuǎn)，巡測不便，高洪時漂浮物多，采用傳統(tǒng)設(shè)備入水測流不安全，應(yīng)用無線遙控雷達(dá)波測流系統(tǒng)（以下簡稱雷達(dá)波測流系統(tǒng)）進(jìn)行流量測驗(yàn)十分必要。為此，安徽省安慶水文水資源局在周家河站安裝無線遙控雷達(dá)波測流系統(tǒng)，通過2019 年、2020 年、2021 年三年汛期運(yùn)行，對實(shí)測資料進(jìn)行對比分析，率定出準(zhǔn)確的無線遙控雷達(dá)波測流系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子流速儀的相關(guān)系數(shù)從而獲得準(zhǔn)確的流量顯得極為重要，并且積累一定的雷達(dá)波測流經(jīng)驗(yàn)，對促進(jìn)周家河水文站、安慶水文發(fā)展具有十分重要的意義。

1 測站基本情況

周家河水文站坐落在太湖縣牛鎮(zhèn)鎮(zhèn)羊河村。長江流域皖河水系河名為長河，測驗(yàn)斷面集水面積540 km2。屬國家基本站、中央報汛站，大別山區(qū)500 km2～1000 km2區(qū)域代表站兼花涼亭水庫入庫代表站。

該站測驗(yàn)河段較順直，主流偏左岸，左右兩岸均為高山。左岸為風(fēng)化石陡壁，右岸為花崗巖陡壁，無崩塌現(xiàn)象。斷面上游左岸140 m處有兩小溝匯入，下游約20 m處有急灘控制低水。河床由沙礫卵石組成，上游約800 m和下游700 m處均為彎道，無水草現(xiàn)象，漲水時河道內(nèi)漂浮物較多[1]。

周家河水文站是典型的山區(qū)性河流，洪水主要集中在汛期，洪水過程陡漲陡落，洪峰持續(xù)時間短。斷面上游約10 km處建有獅子口電站，2 km處建有羊河電站。中高水時河道受自然沖淤變化一定時段內(nèi)水位流量關(guān)系相對穩(wěn)定，水電站發(fā)電來水對低水水位影響較大且水位過程多呈鋸齒狀分布，低水水位流量關(guān)系紊亂，全年采用臨時曲線法定線推流。

2 雷達(dá)波測流系統(tǒng)介紹

2.1 儀器簡介

無線遙控雷達(dá)波測流系統(tǒng)由配套軟件、簡易纜道繩索、儀器探頭、測流控制器、雷達(dá)波傳感器、GPRS無線模塊、電源系統(tǒng)等部分組成。

2.2 雷達(dá)波測流系統(tǒng)原理與工作方式

無線遙控雷達(dá)波測流系統(tǒng)通過儀器自身在纜索上精確移動定位起點(diǎn)距，采用以非接觸方式測量水道斷面上若干條垂線表面流速，繼而得到若干條垂線間斷面平均流速，根據(jù)實(shí)測的斷面資料來完成斷面流量的計算與傳輸。

3 比測目的

通過實(shí)測流量資料，比測分析周家河水文站雷達(dá)波在不同水位級施測流量情況，率定雷達(dá)波與轉(zhuǎn)子流速儀系數(shù)，驗(yàn)證雷達(dá)波測流系統(tǒng)能否滿足水文規(guī)范精度要求，解決周家河站高洪測流問題。

4 比測內(nèi)容

4.1 率定分析方法

采用轉(zhuǎn)子式流速儀與無線遙控移動雷達(dá)波測流系統(tǒng)同步施測，按照不同水位級布置施測號數(shù)，測次分布基本均勻合理。以流速儀流量為縱坐標(biāo)，雷達(dá)波虛流量為橫坐標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系圖，并進(jìn)行線性相關(guān)性分析[2]。

4.2 率定分析資料的選取

本次率定所選數(shù)據(jù)為2019 年、2020 年、2021 年汛期多場洪水流速儀流量與雷達(dá)波虛流量，共收集35 份流量資料，舍去7 份資料（因測流過程中水位漲落過快或超出轉(zhuǎn)子流速儀的測驗(yàn)范圍），余下28 份流量無明顯系統(tǒng)偏離，全部參與率定系數(shù)。舍去的突出點(diǎn)原因：①人工觀測水位值與氣泡式水位計水位不同步，當(dāng)水位漲落急劇時，氣泡式水位計水位數(shù)值顯示滯后，誤差大；②部分流量測次受當(dāng)天順、逆風(fēng)及風(fēng)速影響，實(shí)測點(diǎn)水位流量關(guān)系紊亂。

4.3 率定過程

選取周家河站流量合理的28 份同步比測資料，計算測次相對應(yīng)的對比系數(shù)，建立線性相關(guān)圖。率定系數(shù)過程見表1～表3、圖1～圖3。

圖1 雷達(dá)波測流在線系統(tǒng)示意圖

表1 周家河站2019年轉(zhuǎn)子流速儀與雷達(dá)波比測數(shù)據(jù)

圖2 周家河站2019年纜道與雷達(dá)波數(shù)據(jù)線性關(guān)系圖

表2 周家河站2020年纜道與雷達(dá)波比測數(shù)據(jù)

圖3 周家河站2020年纜道與雷達(dá)波數(shù)據(jù)線性關(guān)系圖

表3 周家河站2021年纜道與雷達(dá)波比測數(shù)據(jù)

圖4 周家河站2021年纜道與雷達(dá)波數(shù)據(jù)線性關(guān)系圖

4.4 率定系數(shù)誤差分析

從上述圖表統(tǒng)計分析得出：兩者相關(guān)流量系數(shù)范圍在0.60～0.71。采用線性相關(guān)法確定2019年、2020年、2021年連續(xù)三年線性關(guān)系分別為0.6809、0.6863、0.6887，R2分別為0.9960、0.9983、0.9978 全為顯性相關(guān)，采用算術(shù)平均法取兩位小數(shù)為0.69作為流量系數(shù)，再過點(diǎn)群中心繪制水位流量關(guān)系線，后通過水文測驗(yàn)中三項(xiàng)檢驗(yàn)（見表4）。

表4 周家河站流速儀與雷達(dá)波流量比測關(guān)系曲線檢驗(yàn)表

周家河站采用流量系數(shù)為0.69，進(jìn)行三項(xiàng)檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)、系統(tǒng)誤差檢驗(yàn)，結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)差為2.2%，隨機(jī)不確定度為4.4%，系統(tǒng)誤差為-0.7%，參照二類站定線精度要求，所有指標(biāo)均符合水文規(guī)范要求。

5 率定分析結(jié)論

該站雷達(dá)波流量系數(shù)選取0.69合理性較好，符合水文規(guī)范要求。雷達(dá)波虛流量與流速儀流量的線性相關(guān)公式為y=0.69x（y為流速儀流量，x為為雷達(dá)波虛流量）。

從上述圖表中可以看出，系數(shù)跳動變化較大（0.60～0.71不等），主要是因?yàn)椋?/p>

1）水位低時，河水水質(zhì)相對較好且流速較小，反射波相對較弱存在一定測驗(yàn)誤差。

2）雷達(dá)波測流系統(tǒng)施測水面流速，受到順、逆風(fēng)影響。順風(fēng)施測，流速偏大；逆風(fēng)施測，流速偏小，所測得流量都有較大誤差。所以，大風(fēng)天氣不適宜采用雷達(dá)波測流，減少風(fēng)力因素對測驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響[3]。

根據(jù)以上比測結(jié)果，雷達(dá)波的系數(shù)根據(jù)水位級使用。根據(jù)《周家河站測洪方案》水位級劃分，當(dāng)水位≥98.00 m 時為高水期；當(dāng)水位在95.50 m～98.00 m時為中水期；當(dāng)水位在94.30 m～95.50 m時為低水期；當(dāng)水位≤94.30 m時為枯水期。因此，當(dāng)水位≥95.50 m時，周家河站可采用雷達(dá)波測流。

6 結(jié)語

雷達(dá)波測流系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子流速儀系數(shù)率定為0.69，線性相關(guān)關(guān)系顯著，精度滿足水文資料整編要求，解放周家河水文站水文生產(chǎn)力。

該測流系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①自動化程度高，提高水文資料整編效率。②攜帶、安裝方便，隨裝隨測，維護(hù)成本少。③操作人員安全，全天候、測流不受風(fēng)雨雷電和停電限制。④雷達(dá)波測流系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是非接觸式測驗(yàn)，避免漂浮物和高泥沙影響，很好的替代浮標(biāo)法測流，減少勞動成本。

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該儀器美中仍有不足：①儀器自身運(yùn)行內(nèi)存不大，高洪時測流時間相應(yīng)縮短到30秒以下才能正常運(yùn)行，不符合水文測驗(yàn)規(guī)范的要求。②配套軟件易崩潰、穩(wěn)定性差，雷達(dá)波行車超過100 m時，信號傳輸差。③雷達(dá)波測驗(yàn)成果中數(shù)據(jù)的部分進(jìn)位不符合水文規(guī)范的要求，需要完善。④流量易受風(fēng)速影響，實(shí)測流量點(diǎn)分布離散。

該儀器在周家河水文站的成功應(yīng)用，為山區(qū)性水位陡漲陡落河流提供了技術(shù)支撐和經(jīng)驗(yàn)儲備，對促進(jìn)安慶水文的發(fā)展具有重要的意義。