長潭河站雷達波流速儀比測分析

范志軍

（湖南省張家界水文水資源勘測局湖南張家界427000）

長潭河站雷達波流速儀比測分析

范志軍

（湖南省張家界水文水資源勘測局湖南張家界427000）

1 測站基本概況

長潭河水文站位于慈利縣零陽鎮長青村，東經111°01′，北緯29°08′，屬國家基本水文站，一類精度站，溇水河控制站，集水面積4913km2，主要測驗項目有：水位、流量、降水量、水溫、泥沙并負責管理11個雨量站。

測驗斷面建站后無變動，左岸均為黃土斜坎，右岸為護坡斜坎，河床由砂卵石組成，斷面呈寬U字形。河段順直長度1km，基上1100m處有長潭河水電站，基上36.6km有溇水一級支流溹水匯入，再往上6km有江埡水電站，長潭河站距河口距離為7km，基下10km為城關電站；測驗斷面無漫灘，無缺口，無水草生長，河道常年不斷流，流量測驗用纜道流速儀法施測。低枯水時，在基本水尺斷面上游145m處設立臨時測流斷面，用流速儀法涉水施測流量。

流量測次布置，洪水期用實測過程布置測次，平水期按水勢變化及測站任務書中規定的時間間隔要求布點。斷面測量用測深桿測深，汛前施測一次大斷面，汛期每月均施測水道斷面一次。

長潭河站屬于山溪性河流，由于受到上游階梯電站的開關閘的影響，水位～流量關系受人為因素影響比較紊亂，失去了自然特性，電站開閘時水位急劇上漲，關閘時水位瞬間下降，同時，電站開閘時，漂浮物多，常規流速儀法測量存在很大困難，無法把握測流時機，高水位常轉眼即逝，因此該站在高水測流時從右至左再從左至右不間斷進行施測，同時受漲落率、斷面淤積、回水頂托等因素影響，流量資料整編方法有：臨時曲線法、連時序法、連實測流量過程線法等。本站水位級劃分為：高水：

96.13 m以上，中水：92.47～96.13m，低水：92.47m以下，本站歷年實測最高洪水位102.92m，最低水位為90.33m，本次比測最高洪水位98.30m。

2 比測分析的目的

長潭河站高洪測驗方案有纜道流速儀法、浮標法和比降面積法，由于該站地處山區，上有電站開閘放水時河道中遍布漂浮物，且多樹木等大型漂浮物半浮于水中，對纜道流速儀法施測造成極大的安全隱患，再加上浮標投放室于2011年因慈茶公路修建被毀，現在浮標法測流只能依賴天然浮標，往往漲水面布點不均勻。雷達波流速儀是一種新型的測量儀器，無需設備進入水體，是一種較為理想的高洪測驗方式。特別是在長潭河站高洪時水面漂浮物多且因電站控制歷時短的情況下，雷達波流速儀是較理想的選擇。

為確保雷達波流速儀在長潭河站的有效使用，發揮新儀器新設備的作用，有效提高長潭河站高洪測驗能力，我站按省局《水文監測管理規定》具體要求對雷達波流速儀進行比測分析。

3 雷達波流速儀的介紹

3.1 儀器簡介

雷達波流速儀測流設備采用美國ACI公司多普勒雷達波測速傳感器，以非接觸方式測量水流表面流速，借助水文站現有纜道設施，故稱為纜道雷達波流速儀，其型號為SOMMER RG-30。主要是測量測流垂線水面流速，并配套中文專業測流軟件，通過借用斷面資料來計算斷面流量。室外設備有多普勒雷達波流速傳感器、無線控制模塊及防水天線、鋰電池及充電器，室內設備主要有：無線收發器及天線、測流軟件、設備檢測軟件等。

3.2 軟件的主要功能

（1）設置測流斷面和測流垂線，并能自動繪制河道斷面圖。

（2）設置左右岸邊系數和浮標系數及水位流速系數及報表參數。

（3）計算流速平均歷時。

（4）設置測量點測量時長，自動計算平均流速。

（5）接收流速數據和輸入水位數據，計算流量并生成流量計算表。

（6）輸入水尺讀數自動計算水位，水位比降，糙率。

（7）自動計算左水邊岸邊距與右水邊岸邊距。

（8）報表以標準Excel格式顯示，方便用戶打印，傳遞。

（9）往期報表查詢及流速查詢。

（10）能夠根據測量點自動定位浮標位置并顯示當前測量點的起點距。

（11）能提示并自動跳到下一個起點距大一點的測量點，也可以反方向自動跳到下一個起點距小一點的測量點。

（12）具有數據庫備份與恢復功能。

（13）具有自動測量模式與人工測量模式。

（14）自動從現有水位系統中提取水位，并計算出流量。

3.3 設備測流原理和工作方式

借助水文纜道，當行車至第一條測速垂線后，流速探頭即根據計算機指令采集水面流速數據。依次測量每條垂線，結合大斷面資料計算出斷面面積和斷面流量。測流軟件在完成流速測量后，自動進行流量計算，生成流量測驗成果表。雷達波水面流速系數的確定是流量精度的關鍵，需專門進行比測率定。

4 比測分析

4.1 比測儀器

根據《河流流量測驗規范》（GB50179-93）和《水文資料整編規范》等相應規范的有關技術要求，用轉子式流速儀與雷達波流速儀進行了流量的對比試驗，轉子式流速儀型號分別為為：LS（25-1）050279、LS（25-1）090684、LS（25-1）040442。

4.2 比測方法

纜道雷達波流速儀與轉子式流速儀同步進行測流，當纜道運行到測速垂線第一線時，雷達波與流速儀同時開始施測，測點施測時間同步，如流速儀測點施測時間為60s、100s時，雷達波同時采用60s、100s。測次分布在93.27m以上的不同水位級。轉子式流速儀根據實際情況分別采用水面一點法、兩點法、三點法施測斷面平均流速，但是由于雷達波是20s采集一次數據，且第一個數據自動舍去，在水位變化顯著的時候，流速儀測點實測時間為30s時雷達波不能施測到數據，或部分測點接收接收的流速為零，影響比測結果，施測時間為30s的比測結果不參與分析。

4.3 分析方法及步驟

4.3.1 雷達波水面系數的確定

用雷達波流速儀測到的水面流速代替垂線平均流速計算出虛流量，再與轉子式流速儀測出的流量相比較，計算出各測次的系數，再計算出系數平均值，即為所求水面流速系數。計算公式如下：

4.3.2 水面系數的分析計算

雷達波各測次水面系數Ki及平均水面系數K0.0計算如表1。

表1 雷達波流速儀水面系數分析計算表

根據表1計算結果，取雷達波流速儀水面流速系數k0.0=0.88參與分析。

4.3.3 誤差分析計算

采用系統誤差和隨機不確定度來進行誤差評價，計算公式如下：

標準差：Se=

隨機不確定度：X′Q=2Se

式中：Q——轉子式流速儀流量

Qi——雷達波施測流量

誤差統計表如表2。

表2 誤差分析計算表

隨機不確定度：X′Q=2Se=2×4.57%=9.14%

根據《水文資料整編規范》SL247-2012第3.3.2第1、2條規定，一類精度站系統誤差不超過±1%，隨機不確定度不超過8%，采用雷達波測流隨機不確定度可增大2%。本次分析系統誤差與隨機不確定度都在允許范圍內，滿足水文資料整編等相關規范的精度指標要求，誤差對比見表3。

表3 不同系數誤差對照表

從表3中可以看出，k0.0=0.88為最優系數。

5 存在問題

長潭河站歷史最高水位102.92m（1993.7.23），近三年以來實測最高水位98.41m（2013.6.6），水位在98.41m以上的沒有收集到比測資料；雷達波流速儀20s采集一次數據，且第一個數據自動舍棄，當漲落率大，流速儀施測時間為30s時，雷達波接收不到流速數據，部分比測成果因不合理而舍棄；雷達波測流軟件在測流前要先設置好垂線位置，測流過程中不能更改，部分資料因垂線轉移不合理在測流過程中修改雷達波測流軟件中的最后一線垂線位置，導致測流結束后不能計算出結果而廢棄該次比測成果。

6 結論

通過比測對比分析，長潭河站雷達波流速儀比測分析成果誤差滿足規范要求。雖然軟件設置存在瑕疵，稍作修改，是一種理想的測驗方式，能夠在特殊水情下（漂浮物多）和大雨、黑夜等惡劣自然環境中穩定地工作，是解決長潭河站高洪流量測驗的可靠設備，可有效提高長潭河站高洪測驗能力。

P335

A

1004-7344（2016）28-0154-02

2016-9-18

范志軍（1982-），男，助理工程師，本科，主要從事水文測驗工作。