雷達(dá)波在線測(cè)流在漁梁水文站的應(yīng)用

李 佳

(黃山水文水資源局,安徽 屯溪 245000)

山區(qū)河流河道坡度大,洪水過(guò)程陡漲陡落,流速大、沖刷力強(qiáng),含沙量大、破壞力強(qiáng),且漲水段漂浮物佷多,中高水測(cè)量阻力大[1-2]。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式測(cè)流方法自動(dòng)化水平低,接觸測(cè)流工作效率低,難以適應(yīng)山區(qū)河流水文測(cè)驗(yàn)點(diǎn)多面廣、任務(wù)繁重的新形勢(shì);當(dāng)水位過(guò)高時(shí),比降-面積法和浮標(biāo)法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)時(shí)精度較差[3-5]。因此選用一種非接觸的測(cè)流方式對(duì)于山區(qū)高洪期的安全監(jiān)測(cè)意義重大。隨著雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)的普及,相較于傳統(tǒng)測(cè)流方式,非接觸的雷達(dá)波測(cè)流方式操作簡(jiǎn)單,自動(dòng)化程度高,受氣象環(huán)境的擾動(dòng)小,監(jiān)測(cè)精度高,裝置易于維護(hù),更適合山區(qū)流域的流速測(cè)量,尤其在中高水測(cè)流中作用顯著。目前,雷達(dá)波在線測(cè)流已在各站點(diǎn)推廣使用,但由于山區(qū)河流的復(fù)雜性,不同站點(diǎn)的使用場(chǎng)景、系數(shù)率定情況各不相同。本文結(jié)合漁梁水文站獨(dú)特的水文特點(diǎn),對(duì)雷達(dá)波在線測(cè)流成果進(jìn)行比測(cè)分析,為雷達(dá)波測(cè)流方式的推廣使用提供參考。

1 基本概況

1.1 水文站概況

漁梁水文站設(shè)立于1955年7月,位于皖南山區(qū)歙縣徽城鎮(zhèn)漁梁街,屬錢(qián)塘江水系新安江流域主要支流練江,控制面積為1599km2。漁梁水文站是省級(jí)重要水文站、皖南山區(qū)1000～2000km2代表站兼新安江水庫(kù)入庫(kù)站、水利工程服務(wù)站,為防汛抗旱、水資源監(jiān)測(cè)管理保護(hù)、水土流失監(jiān)測(cè)與保護(hù)、水生態(tài)治理、水環(huán)境保護(hù)等提供服務(wù)。漁梁水文站凍結(jié)基面與1985國(guó)家高程基準(zhǔn)差值為109.125m。

1.2 測(cè)驗(yàn)河段概況

測(cè)驗(yàn)河段順直,左右岸均為漿砌塊石護(hù)岸。中低水主槽寬度約220m,高水主槽寬度約250m,高低水無(wú)岔流、串溝等情況。河床左部為卵石,右部為砂土及卵石,洪水期沖淤變化小。河底水生植物較少,右岸灘地靠岸邊部分有景觀草坪。下游約1.8km處有始建于隋朝的漁梁壩,對(duì)中高水起控制作用。

2 雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)

2.1 安裝施測(cè)

漁梁水文站使用的是在線雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流S3 SVRⅢ系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)”),屬非接觸測(cè)流系統(tǒng),由6個(gè)測(cè)流傳感器總成、測(cè)流控制器、水位計(jì)和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)組成。6個(gè)測(cè)流傳感器總成固定在橋梁上,定時(shí)采集流速和水位數(shù)據(jù),根據(jù)流速面積法計(jì)算得到流量,其不受漂浮物、渾水、惡劣天氣影響,可全程跟蹤洪水過(guò)程[6-8]。

測(cè)流傳感器總成安裝在漁梁水文站基本斷面上游950m處的太平橋上,測(cè)流傳感器探頭對(duì)準(zhǔn)太平橋上游,結(jié)合太平橋上游地形、河道情況、水流特性、精度要求和設(shè)施等條件,確定了6條能夠控制斷面地形和流速沿河寬分布的代表垂線位置,分別安裝在起點(diǎn)距25m、58m、93m、128m、165m及198m處,測(cè)量測(cè)流斷面流速,并同步到雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)中?？紤]到左岸河道較順直,河岸陡峭;右岸橋下游處有大片灘地、園地,容易阻水以及漫灘,流速很小,經(jīng)過(guò)研究,探頭靠近左岸方向安置,見(jiàn)圖1。

圖1 漁梁水文站雷達(dá)波在線測(cè)流探頭位置

2.2 運(yùn)行情況

雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)自2019年8月26日建成使用至今,運(yùn)行情況良好,可以滿足長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量需求。只有少部分時(shí)間系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤,是因?yàn)榉茄雌跁r(shí),水位低、流速小,達(dá)不到雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)測(cè)量條件,測(cè)量會(huì)出現(xiàn)低于起測(cè)水位和有效垂線不足的提示,屬正?，F(xiàn)象。運(yùn)行至今,練江發(fā)生了幾場(chǎng)較大洪水,尤其是“2020·7·7”洪水達(dá)到50年一遇,通過(guò)使用雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn),流量級(jí)分布合理,比測(cè)成果較為可靠。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)率定分析

3.1 適用性范圍分析

雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)斷面與漁梁水文站測(cè)流斷面間距約1km,中間無(wú)出入流,但漁梁水文站所處河段屬于山區(qū)性河流,河底坡降較大,同時(shí)間的水位和通過(guò)兩個(gè)斷面的流量是不同的,特別是水位變化快時(shí)尤為明顯,故在雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)比測(cè)時(shí),應(yīng)根據(jù)水位流速情況進(jìn)行時(shí)間上的延伸。比測(cè)方法為對(duì)采用漁梁水文站轉(zhuǎn)子式流速儀和走航式ADCP所測(cè)流量與雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)流量進(jìn)行率定分析。

3.1.1 資料收集

比測(cè)資料采用2020年3—10月漁梁水文站實(shí)測(cè)流量資料,為了使雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)與漁梁水文站實(shí)測(cè)流量資料時(shí)間同步,指標(biāo)流量選取與漁梁水文站實(shí)測(cè)流量平均時(shí)間最近的雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)的流量Q虛。共收集52份比測(cè)資料,其中流速儀比測(cè)資料39份,ADCP比測(cè)資料4份,電波流速儀比測(cè)資料9份,水位(凍結(jié)基面以上)變幅為1.86～9.34m,流量變幅為39.6～5130.0m3/s,平均流速變幅為0.12～3.61m/s,比測(cè)期間該站流量測(cè)次分布均勻,能控制流量變化過(guò)程,比測(cè)成果合理有效。

3.1.2 可靠性分析與適用范圍

雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)基于多普勒測(cè)速原理,流速越大,漂浮物越多,反射波越強(qiáng),雷達(dá)波在線測(cè)量系統(tǒng)工作越穩(wěn)定[9]。反之,雨強(qiáng)較大或流速很小時(shí),雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)測(cè)流結(jié)果不可靠。漁梁水文站平均流速、水位與雷達(dá)波測(cè)流比測(cè)系數(shù)見(jiàn)圖2、圖3。由圖2可知,平均流速小于0.50m/s、大于3.00m/s時(shí),系數(shù)點(diǎn)極其分散。由圖3可知,當(dāng)漁梁水文站基本斷面水位低于3.00m時(shí),流速小,雷達(dá)波測(cè)流結(jié)果不可靠。漁梁水文站水位在8.30m時(shí),相應(yīng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)測(cè)流斷面水位為9.30m,洪水逐漸淹沒(méi)橋孔,橋梁阻水作用明顯,過(guò)橋孔的洪水水流形態(tài)發(fā)生改變。當(dāng)斷面流速分布和流向均發(fā)生改變時(shí),由于雷達(dá)波系統(tǒng)探頭位置固定,所測(cè)水面流速與垂線流速、斷面流量不成關(guān)系。因此,8.30m水位以上雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)不再適用。當(dāng)水位介于3.00～8.30m時(shí),系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定,雷達(dá)波測(cè)流結(jié)果相對(duì)可靠。橋梁在一定程度上限制了雷達(dá)波的測(cè)流范圍。

圖2 漁梁水文站平均流速與雷達(dá)波測(cè)流比測(cè)系數(shù)

圖3 漁梁水文站水位與雷達(dá)波測(cè)流比測(cè)系數(shù)

3.2 系數(shù)率定

結(jié)合測(cè)點(diǎn)情況,對(duì)3.00～5.00m和5.00～8.30m水位進(jìn)行分段分析,對(duì)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)虛流量(橫坐標(biāo))與流速儀、電波流速儀、ADCP、比降面積法等測(cè)驗(yàn)方法所測(cè)實(shí)流量(縱坐標(biāo))建立相關(guān)關(guān)系,見(jiàn)圖4、圖5。由圖4、圖5可知,兩者相關(guān)系數(shù)均在0.9970以上,相關(guān)性強(qiáng),其中3.00～5.00m水位率定系數(shù)為0.9315,5.00～8.30m水位率定系數(shù)為0.9503。

圖4 實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)波虛流量對(duì)比分析(3.00m≤z≤5.00m)

圖5 實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)波虛流量對(duì)比分析(5.00m＜z≤8.30m)

3.3 誤差分析

根據(jù)系數(shù)率定成果計(jì)算雷達(dá)波系統(tǒng)所測(cè)成果,與實(shí)測(cè)流量進(jìn)行比對(duì)分析,誤差情況見(jiàn)表1。相對(duì)誤差均小于10%,系數(shù)率定成果可靠,滿足規(guī)范要求[9]。

表1 實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)波流測(cè)流量比測(cè)誤差情況

4 適用性校核

4.1 系數(shù)再率定

已率定的系數(shù)所用資料為2020年實(shí)測(cè)資料,為了對(duì)率定系數(shù)進(jìn)行校核,利用2021年資料進(jìn)行系數(shù)再率定。2021年汛前對(duì)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)斷面進(jìn)行了測(cè)量,斷面面積沖淤變化小。此次率定的數(shù)據(jù)采用2021年5月16日至6月28日漁梁水文站實(shí)測(cè)流量資料,共收集17份比測(cè)資料,水位變幅為3.16～4.19m,比測(cè)期間該站流量測(cè)次分布均勻,能控制流量變化過(guò)程,比測(cè)成果見(jiàn)表2。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立相關(guān)關(guān)系,見(jiàn)圖6。本次比測(cè)數(shù)據(jù)水位變幅在3.16～4.19m,系數(shù)為0.9334,與首次比測(cè)水位在3.00～5.00m的系數(shù)一致,系數(shù)率定成果可靠。

圖6 漁梁水文站實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)波虛流量對(duì)比分析

表2 漁梁水文站實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)波測(cè)流流量比測(cè)成果

4.2 系數(shù)適用性驗(yàn)證

將率定后的系數(shù)用于分析2021年的數(shù)據(jù),檢查成果可靠性與適用性。截至2021年9月1日,取最大洪峰段數(shù)據(jù)進(jìn)行系數(shù)校核,使用雷達(dá)波虛流量乘相應(yīng)系數(shù)后的水位-流量關(guān)系與實(shí)測(cè)水位-流量關(guān)系線進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖7。通過(guò)對(duì)比可以看出,實(shí)測(cè)水位-流量關(guān)系與雷達(dá)波水位-流量關(guān)系基本一致,系數(shù)率定成果適用。

圖7 實(shí)測(cè)水位-流量關(guān)系與雷達(dá)波水位-流量關(guān)系對(duì)比分析

5 結(jié) 語(yǔ)

漁梁水文站位于山區(qū)河流區(qū)域,山區(qū)河流的站點(diǎn)一般會(huì)選擇在橋梁上安裝定點(diǎn)式雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng),優(yōu)點(diǎn)是易固定、費(fèi)用少且便于安裝,但當(dāng)橋梁兩端出現(xiàn)漫灘時(shí),雷達(dá)波測(cè)流的數(shù)據(jù)就失去了參考和應(yīng)用意義,因此雷達(dá)波測(cè)量裝置在安裝位置和方法的選取上尤為重要。本文對(duì)雷達(dá)波測(cè)量裝置在漁梁水文站的使用情況進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和率定分析,結(jié)合成果分析:當(dāng)漁梁水文站基本水位在3.00～8.30m范圍內(nèi)時(shí),雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)成果參考性較強(qiáng);當(dāng)漁梁水文站水位低于3.00m時(shí),流速偏小,超過(guò)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)使用范圍,成果不可用;當(dāng)水位超過(guò)8.30m時(shí),水面將漫過(guò)太平橋橋孔,流速分布、流向發(fā)生改變,水流特性變化使雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)不能作為參考和應(yīng)用。雷達(dá)波的瞬時(shí)測(cè)量值存在變化,考慮到雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)的自動(dòng)化、高效化,可以將雷達(dá)波測(cè)流方法作為備用測(cè)驗(yàn)手段。本文結(jié)合漁梁水文站水文特點(diǎn)總結(jié)出的使用雷達(dá)波測(cè)流裝置的使用方法和適用條件,可為其他類似的山區(qū)河流水文站提供參考?！?/p>