雷達(dá)波測流系統(tǒng)在金沙江攀枝花水文站的應(yīng)用研究及誤差分析

胡 江,宋小燕

（長江委水文局長江上游水文水資源勘測局攀枝花分局,四川 攀枝花 617000）

1 概述

近年來,隨著金沙江中游梯級水電站的興建,金沙江攀枝花水文站受金沙水電站蓄、放水的影響,水位變幅較快,流量測驗的時機(jī)難以掌握,用傳統(tǒng)的流速儀測驗方法,任務(wù)繁重,時效性差,測驗誤差較大且不能及時準(zhǔn)確地反映流量變化過程[1]。為了解決以上問題,提高測驗精度,推廣新儀器新技術(shù)的運(yùn)用,攀枝花水文站引進(jìn)雷達(dá)波測流與傳統(tǒng)流速儀法進(jìn)行比測試驗以分析新設(shè)備的適用性[2]。

2 測量原理

2.1 儀器使用范圍

適用于中小型河流高洪水流量測驗、淺灘過水流量測驗、省界流量測驗等。

2.2 測量原理

雷達(dá)波測流主要采用微波對河流表面流速進(jìn)行測量,根據(jù)表面流速和斷面平均流速擬合出表面流速與斷面平均流速間的關(guān)系方程,通過方程式計算出斷面平均流速,最后根據(jù)流量計算公式,計算出河道流量[3]。

2.3 工作原理

雷達(dá)波測流系統(tǒng)通過架設(shè)簡易纜道,采用直徑大于8 mm的鋼絲繩做導(dǎo)軌,纜道上懸掛雷達(dá)運(yùn)行小車,在計算機(jī)上輸入測量斷面的水位、大斷面和測流垂線等數(shù)據(jù),遙控定位雷達(dá)運(yùn)行小車自動測驗逐條流速垂線,流速數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送到終端計算機(jī)中,有軟件計算出相應(yīng)流量,從而實現(xiàn)斷面無人值守自動測驗[4]。

2.4 儀器的性能及主要參數(shù)

雷達(dá)波流速測量范圍：0.15 m/s～15 m/s；河流寬：≥30 m,≤500 m；測驗河段相對順直,斷面流態(tài)相對穩(wěn)定,無回流或旋渦。

2.5 優(yōu)勢

雷達(dá)波為非接觸測流系統(tǒng),功耗低、維護(hù)少、不懼泥沙,可實現(xiàn)無人值守,全自動采集和計算流量。同時在測流過程中系統(tǒng)可根據(jù)水位變化,自行調(diào)整測流垂線的數(shù)量,測量歷時短[5-6]。

3 雷達(dá)波測流在攀枝花水文站的實際應(yīng)用

3.1 攀枝花站水文特性

攀枝花水文站位于金沙江干流攀枝花市區(qū),是為控制雅壟江匯入前金沙江干流河段水情的一類精度流量站、一類精度泥沙站。該站測流斷面位于彎道順直段,順直長約1400 m,最大水面寬約190 m,斷面下游500 m 的淺灘,起低水控制作用；下游彎道和密地大橋起高水控制作用；下游15 km 雅礱江從左岸匯入,高水時有回水頂托影響。斷面呈“W”型,左深右淺,兩岸為亂石組成,河床為亂石夾沙,斷面變化甚微,水位流量關(guān)系多年基本穩(wěn)定。

3.2 儀器安裝

雷達(dá)波測流系統(tǒng)采用雙軌纜道設(shè)計,分別在河道左右岸埋設(shè)鍍鋅鋼管（雙桿）,采用直徑≥8 mm 雙鋼絲繩橫跨河道,鋼絲繩軌道間距寬度≤300 mm。雙軌纜道上懸掛雷達(dá)運(yùn)行小車,鋼絲繩一端固定在雙軌小車上,另外一端拉到河對岸,穿過轉(zhuǎn)向輪后垂直懸掛一定重物,保持鋼絲繩熱脹冷縮仍能達(dá)到同一垂度,水文站站房同側(cè)雙桿頂部安裝纜道小車控制和充電平臺等[7]。

圖1 雷達(dá)波測流系統(tǒng)示意圖

3.3 比測及率定

雷達(dá)波測流系統(tǒng)位于流速儀測流斷面下游6 m 處,其測速小車平行于測流斷面運(yùn)行,雷達(dá)波測流系統(tǒng)比測期間采用與流速儀常測法測量相同的測速垂線、相同時間段同步比測,同時設(shè)定時段及漲落率自動測流方式,系統(tǒng)參數(shù)借用的斷面數(shù)據(jù)與流速儀測流斷面保持相同。

本次分析在收集雷達(dá)波實測測流資料基礎(chǔ)上,采用雷達(dá)波實測資料建立水位流量關(guān)系與流速儀的水位流量關(guān)系進(jìn)行對比分析,分析相同水位下雷達(dá)波實測流量的穩(wěn)定性,再確定分析范圍、分析方法（線性關(guān)系、多項式關(guān)系）以及計算樣本系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度,評估其還原性,最后確定最優(yōu)本雷達(dá)測流系統(tǒng)虛流量換算斷面流量的適用公式[8]。

（1）穩(wěn)定性分析。

圖2 攀枝花站雷達(dá)波與流速儀水位流量關(guān)系圖

通過選取雷達(dá)波測流系統(tǒng)在2020 年12 月20 日至2021年8 月30 日期間3700 多次實測流量資料與流速儀水位流量關(guān)系綜合線資料進(jìn)行對比分析,雷達(dá)波在各級水位的實測流量點(diǎn)總體呈現(xiàn)帶狀分布,高、低水部分流量點(diǎn)有一定散亂；雷達(dá)波水位流量關(guān)系線與流速儀水位流量關(guān)系綜合線比較分析,兩線形態(tài)一致,關(guān)系穩(wěn)定。

考慮到雷達(dá)波流量與流速儀流量線性關(guān)系良好,我們分別建立兩者間線性關(guān)系和多項式關(guān)系,在這兩種關(guān)系之間進(jìn)行甄選[9-10]。

（2）線性關(guān)系分析

通過選取雷達(dá)波實測流量400 次流量資料與流速儀水位流量關(guān)系綜合線資料建立相關(guān)關(guān)系,得到雷達(dá)波流量與流速儀流量關(guān)系公式：

從圖3 可以看出雷達(dá)波流量與流速儀流量關(guān)系,顯著性0.98678,線性關(guān)系較好。

圖3 雷達(dá)波流量與流速儀流量線性關(guān)系分析圖

（3）多項式關(guān)系分析

通過選取雷達(dá)波實測流量400 次流量資料與流速儀水位流量關(guān)系綜合線資料建立相關(guān)系,得到雷達(dá)波流量與流速儀流量關(guān)系公式：

從圖4 可以看到雷達(dá)波流量與流速儀流量關(guān)系,顯著性達(dá)0.9924,線性關(guān)系良好。

圖4 雷達(dá)波流量與流速儀流量多項式關(guān)系分析圖

（4）同步對比分析

按照《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015） 中第4.1.2條規(guī)定,選取雷達(dá)波測流系統(tǒng)在高、中、低不同水位（或者流量）級下與流速儀同步比測39 次。采用流速儀實測流量與雷達(dá)波實測流量建立相關(guān)關(guān)系,通過分析比較確定雷達(dá)波測流系統(tǒng)應(yīng)采用換算斷面流量方法。具體見圖5。

圖5 雷達(dá)波與流速儀同步比測流量線性關(guān)系

通過圖5、圖6 可見雷達(dá)波與流速儀建立的兩種關(guān)系的相關(guān)性較好,其多項式關(guān)系R絕對值更接近于1,相關(guān)性更強(qiáng),進(jìn)一步佐證了多項式關(guān)系的正確性。

圖6 雷達(dá)波與流速儀同步比測流量多項式關(guān)系

3.4 誤差分析

還原性分析采用上述線性公式及多項式公式換算雷達(dá)虛流量450次,再與流速儀水位流量關(guān)系綜合線流量比較誤差。結(jié)果見表1、表2。

表1 雷達(dá)波測流線性公式還原誤差分析表

表2 雷達(dá)波測流多項式公式還原誤差分析表

表3 攀枝花站兩種方法推求徑流量比較誤差分析表

由表1、表2 可見雷達(dá)波流量線性公式和多項式公式換算的雷達(dá)虛流量與流速儀水位流量關(guān)系綜合線上流量誤差分析,線性公式各項誤差指標(biāo)均優(yōu)于多項式公式[11]。

通過分析建立的相關(guān)關(guān)系在水文測驗實際運(yùn)用中對資料整編成果特別是對推算河道徑流量計算影響較大。下面采用雷達(dá)波線性關(guān)系、多項式關(guān)系和流速儀整編定線資料進(jìn)行誤差對比分析,以檢驗兩種相關(guān)關(guān)系公式的適用性。通過公式換算的斷面流量推算月、年徑流量,再與整編定線計算的徑流量比較誤差[12]。

通過對比分析,采用多項式關(guān)系推算2021 年8 個月的徑流量與整編成果相對誤差未超過2%,累計水量相對誤差為0.83%。確定該雷達(dá)測流系統(tǒng)比測分析的多項式關(guān)系較優(yōu),多項式公式Q流=0.00002622Q雷-0.73822166Q雷+56.01084876可以在水位986.22 m～999.75 m,流速0.41 m/s～5.24 m/s,流量462 m3/s～8780 m3/s 以內(nèi)使用,且數(shù)據(jù)成果可用于整編,實現(xiàn)在線。

4 結(jié)語

（1）通過對攀枝花站雷達(dá)波測流系統(tǒng)比測研究分析,根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》要求,認(rèn)為采用雷達(dá)波測流系統(tǒng)進(jìn)行流量測驗,收集到的流量資料進(jìn)行處理后,可作為流量資料參與水文資料整編,具備投產(chǎn)條件。

（2）雷達(dá)波測流系統(tǒng)測得流量換算斷面流量應(yīng)與綜合線流量比較,誤差大于限差應(yīng)復(fù)測（張落水急劇除外）,二次流量差大于平均值的5%需要再次復(fù)測,實測虛流量取最接近二次平均作為測得流量。

（3）啟用率定公式后,應(yīng)在每年高中低水分別與流速儀作比測驗證,當(dāng)雷達(dá)測得流量與線上流量比值發(fā)生系統(tǒng)偏差,應(yīng)進(jìn)一步系統(tǒng)檢驗使用的率定關(guān)系是否改變。

（4）雷達(dá)波測流系統(tǒng)使用前應(yīng)檢查電池電壓及其工況,雙纜線是否平行均衡,盡量避免測時順、逆風(fēng)、強(qiáng)雷電。