羅敷河羅敷堡水文站雷達(dá)流量計(jì)系數(shù)分析

馬 博

（陜西省水旱災(zāi)害防御中心,陜西 西安 710004）

1 概況

1.1 流域概況

羅敷河發(fā)源于秦嶺山北麓港子山溝,流域呈羽毛狀,河長(zhǎng)47.2 km,流域面積190 km2,平均坡降23.6‰。羅敷河流域?qū)儆陉P(guān)中少水區(qū),流域內(nèi)山峰陡峭,懸崖陡壁,山高溝深為其地貌顯著特征。羅敷鎮(zhèn)以北至河口,為渭河沖積平原,流域內(nèi)天然林木較多,灌木叢生,植被良好,流域內(nèi)地下水蘊(yùn)藏較豐富,主要由裂縫水形成補(bǔ)給河流。

1.2 測(cè)站基本情況

渭河南岸小面積區(qū)域代表站,國(guó)家基本水文站。1955年6月由陜西省水利局設(shè)立為羅敷堡水文站,1968年斷面下遷1.0 km,站名變?yōu)榱_敷堡（二）,1999年1月1日斷面下遷1.0 km改站名為羅敷堡（三）。地址位于陜西省華陰市敷水鎮(zhèn)明星村,集水面積122 km2,距河口里程16.0 km。

測(cè)驗(yàn)河段較順直,基下50 m有一處滾水壩?；緮嗝婕鏈y(cè)流斷面和浮標(biāo)中斷面,斷面間距100 m。水位流量關(guān)系為繩套曲線。上游3000 m處有羅敷河水電站,受其蓄、排水影響,枯季水位呈鋸齒形變化。

1.3 水文特性

洪水主要由暴雨形成,7月、8月兩個(gè)月為洪水多發(fā)期,近年來由于氣候異常,5月、10月洪水頻繁發(fā)生。洪峰陡漲陡落,峰型尖瘦。洪水時(shí)伴有滾石,河床沖淤變化大,水位流量關(guān)系散亂。

根據(jù)1965年～2014年水文資料統(tǒng)計(jì),實(shí)測(cè)最大流量340 m3/s（1998.7.13）,次大流量252 m3/s（2010.7.24）,第三大流量194 m3/s（1965.7.21）,實(shí)測(cè)最小流量0.008 m3/s,多年平均流量1.05 m3/s；多年平均徑流量0.3336億m3、最大徑流量0.7560億m3、最小徑流量0.1011億m3,降水量637.2 mm,年最大降水量984.4 mm,年最小降水量335.3 mm。

1.4 雷達(dá)流量計(jì)測(cè)量的目的和任務(wù)

羅敷河是典型的山溪性河流,洪水暴漲暴落,在洪水漲落急劇時(shí),伴有大量滾石,流速儀難以施測(cè)。采用浮標(biāo)法施測(cè)流量,浮標(biāo)成活率低,而且精度低。采用雷達(dá)流量計(jì)施測(cè)水面流速,可以彌補(bǔ)浮標(biāo)法測(cè)流成活率低的缺陷,雷達(dá)流量計(jì)具有測(cè)驗(yàn)精度高,勞動(dòng)強(qiáng)度低的特點(diǎn)。采用該系統(tǒng)將顯著地提高羅敷堡站的測(cè)報(bào)能力,為實(shí)現(xiàn)無人值守、有人看護(hù)的測(cè)驗(yàn)方式轉(zhuǎn)變積累經(jīng)驗(yàn)。2016年羅敷堡（三）站開始進(jìn)行雷達(dá)流量計(jì)系數(shù)率定工作,即采用鉛魚纜道流速儀測(cè)流或人工涉水測(cè)流同時(shí),用雷達(dá)流量計(jì)也施測(cè)流量。

2 雷達(dá)流量計(jì)的測(cè)量原理

雷達(dá)流量計(jì)測(cè)量原理采用多普勒效應(yīng)。通過測(cè)量頻差,計(jì)算得到水流的速度。雷達(dá)流量計(jì)測(cè)量水面流速,具有操作方便、安全、快速等優(yōu)點(diǎn)。

3 比測(cè)資料收集

3.1 資料選用

羅敷堡（三）站2016年4月上旬開始雷達(dá)流量計(jì)系數(shù)率定分析工作,截至目前共取得31次比測(cè)資料。比測(cè)最大流量64.3 m3/s,相應(yīng)水位389.16 m；最小流量0.451 m3/s,相應(yīng)水位387.60 m；水位變幅1.56 m；實(shí)測(cè)最大水深1.66 m；雷達(dá)流量計(jì)實(shí)測(cè)最大流速4.74 m3/s,最小流速0.24 m3/s。

3.2 資料一致性分析

羅敷堡（三）站31 次比測(cè)資料為流速儀與雷達(dá)流量計(jì)在纜道上同期比測(cè)資料。由于雷達(dá)流量計(jì)固定在纜道行車架上,測(cè)量過程中存在晃動(dòng)現(xiàn)象,測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差。

3.3 資料合理性檢查

雷達(dá)流量計(jì)布設(shè)的測(cè)深、測(cè)速垂線與吊儀測(cè)流布設(shè)的垂線一致,計(jì)算方法符合規(guī)范要求。通過對(duì)雷達(dá)流量計(jì)、吊儀實(shí)測(cè)的流量過程與水位變化過程對(duì)比分析,變化過程基本一致,所以比測(cè)的資料是合理的。

3.4 比測(cè)資料系列

本年共做比測(cè)分析31次,以31次比測(cè)資料為分析計(jì)算系列,滿足水文分析計(jì)算要求。

4 雷達(dá)流量計(jì)系數(shù)分析計(jì)算

4.1 均值法

根據(jù)31次比測(cè)資料的流速儀實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)流量計(jì)實(shí)測(cè)的流量,按下式計(jì)算：

式中：K為雷達(dá)流量計(jì)系數(shù)；Q流為流速儀實(shí)測(cè)流量,m3/s；Q雷為雷達(dá)流量計(jì)實(shí)測(cè)流量,m3/s。

分別計(jì)算雷達(dá)流量計(jì)各次的系數(shù),取均值,計(jì)算得雷達(dá)流量計(jì)系數(shù)為0.75。羅敷堡（三）站雷達(dá)流量計(jì)系數(shù)計(jì)算表見表1。

表1 羅敷堡（三）站雷達(dá)流量計(jì)系數(shù)計(jì)算表

4.2 相關(guān)曲線法

根據(jù)羅敷堡（三）站31次比測(cè)資料建立相關(guān)關(guān)系,點(diǎn)繪流速儀實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)流量計(jì)實(shí)測(cè)流量相關(guān)關(guān)系圖,計(jì)算得相關(guān)系數(shù)為0.75,相關(guān)圖見圖1。

圖1 羅敷堡（三）站流速儀實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)流量計(jì)實(shí)測(cè)流量相關(guān)圖

4.3 回歸方程法

采用回歸方程法計(jì)算雷達(dá)流量計(jì)系數(shù),依據(jù)比測(cè)資料,計(jì)算y=0.75 x,相關(guān)系數(shù)0.75,相關(guān)關(guān)系為0.99。其相關(guān)點(diǎn)據(jù)比較密集,分布成一帶狀。

4.4 雷達(dá)流量計(jì)系數(shù)的確定

分別采用均值法、相關(guān)曲線法和回歸方程法進(jìn)行分析計(jì)算,得均值法系數(shù)為0.75；相關(guān)曲線法系數(shù)為0.75；回歸方程法系數(shù)為0.75,羅敷堡站雷達(dá)流量計(jì)系數(shù)確定為0.75。

4.4 相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)評(píng)定

（1）相關(guān)曲線的三項(xiàng)檢驗(yàn)

偏離數(shù)值顯著性水平α選用0.20,適線檢驗(yàn)顯著性水平α選用0.10, 符號(hào)檢驗(yàn)顯著性水平α選用0.25。經(jīng)計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

（2）雷達(dá)流量計(jì)系數(shù)質(zhì)量評(píng)定

通過比測(cè)資料分析計(jì)算,羅敷堡（三）站系數(shù)確定為0.75,計(jì)算最大誤差3.52%,最小誤差0%,羅敷堡站屬流量二類站,相對(duì)誤差按5%控制,其合格率為100%,檢驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求,該儀器可作為該站的常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)儀器。

5 結(jié)語

5.1 存在問題

（1）比測(cè)率定采用纜道流速儀與雷達(dá)流量計(jì)同步測(cè)流的方法,因受漂浮物、波浪、滾石等因數(shù)影響,比測(cè)結(jié)果存在一定誤差。

（2）羅敷堡（三）站斷面為窄深河床,洪水漲落急劇,特別是漲水歷時(shí)較短,常測(cè)法測(cè)流存在較大困難,造成了比測(cè)結(jié)果的局限性。

（3）本年比測(cè)大部分集中在中低水區(qū)域,根據(jù)情況增加比測(cè)次數(shù),提高準(zhǔn)確度。

5.2 雷達(dá)流量計(jì)的應(yīng)用

根據(jù)分析可以確定羅敷堡（三）站流量在0.451 m3/s～64.3 m3/s、水位在387.60 m～389.16 m時(shí)可以采用雷達(dá)流量計(jì)實(shí)測(cè)流量,精度完全能滿足規(guī)范要求,大大降低了羅敷堡站測(cè)流的勞動(dòng)強(qiáng)度,為實(shí)現(xiàn)有人看管、無人值守的測(cè)驗(yàn)方案提供了基礎(chǔ)資料。

5.3 結(jié)論

（1）比測(cè)率定：根據(jù)水流條件用精測(cè)法和常測(cè)法與雷達(dá)流量計(jì)同步比測(cè),比測(cè)率定采用纜道流速儀法與纜道雷達(dá)流量計(jì)同步測(cè)流。

（2）比測(cè)率定資料系列：通過2016年4月～10月,共收集比測(cè)資料31次,常測(cè)法資料27次,精測(cè)法1次,中泓浮標(biāo)法3次。最大流量64.3 m3/s,最小流量0.451 m3/s。

（3）分析計(jì)算方法：采用均值法、相關(guān)曲線法及回歸方程法等得出的系數(shù)一致,采用系數(shù)0.75。

（4）雷達(dá)流量計(jì)的使用：根據(jù)不同分析計(jì)算方法,可以確定羅敷堡（三）站流量在0.451 m3/s～64.3 m3/s、水位在387.60 m～389.16 m時(shí)可以采用雷達(dá)流量計(jì)實(shí)測(cè)流量。