腰古水文站雷達波在線測流系統流量系數率定分析

冼永成

(廣東省水文局肇慶水文分局， 廣東 肇慶 526060)

1 測站概況

腰古水文站設于新興江下游，建于1958年6月，位于云城區腰古鎮沙咀村，是西江一級支流新興江的控制站，結合新興江流域整治及水情需要而設，屬國家二類精度水文站，測驗項目有水位、流量、降雨量、蒸發量、水質等。斷面以上集水面積為1 776 km2，干流長為88.2 km，至河口距離為35 km。

該站多年(1959—2018年)平均徑流量為15.99億m3，最大年徑流量為26.49億m3(1965年)，最小年徑流量為7.91億m3(2007年)，實測最高水位為17.23 m(1976年9月21日)，實測最大流量為2 050 m3/s(1976年9月21日)，最大流速為2.33 m/s(1976年9月21日)，警戒水位為16.00 m[1]。

新興江水系以及腰古水文站位置見圖1所示。

2 比測目的

新興江發生大洪水時，腰古站上游來水攜帶大量漂浮物如竹子和樹木等，嚴重影響纜道測流或走航式ADCP測流。為了解決該問題，腰古水文站在2017年6月引進了非接觸式雷達波在線測流系統。為了驗證儀器的適應性，需對雷達波在線測流系統進行比測，將所測流量與腰古站流速儀測流斷面實測流量建立相關關系，從而到達雷達波在線測流系統取代常規測流方式目的。

圖1 腰古站流域概況示意

3 雷達波在線測流系統S3 SVR IV

3.1 測流原理

雷達波在線測流系統是采用非接觸方式測驗水道斷面上若干條垂線的水面流速，其流量計算方法與轉子流速儀一樣，即部份流速乘以部份面積得部份流量，n個部份流量之和即為斷面虛流量。公式如下：

式中Qf為指標流量,m3/s；Vi為水面流速,m/s；Ai為部分面積,m2；qi為斷面部分指標流量,m3/s。

雷達波在線測流系統所測指標流量需與水文站常規測流方法，所測實測流量率定流量系數，即得到斷面實測流量:

3.2 儀器主要技術指標及儀器安裝

流速測量精度：±0.03 m/s；流速測量范圍：0.2～18 m/s；測流原理：雷達多普勒；流速采樣速率：5次/s；微波發射功率：50 mW；微波發射頻率：34.7 GHz；波速寬度：12°；測速歷時：5～100 s；最大測程：100 m；俯角修正：具有自動檢測修正功能，最大值不小于60°的手動修正能力；使用條件：24 h，特大暴雨天氣均能正常作業；工作模式：可設置連續測流或分時段、分水位級測流模式，并可由手機或計算機通過網絡進行測流控制[2]。

儀器的安裝綜合考慮安全、儀器性能等因素，選擇在基本水尺斷面下游6 m處高程為19.00 m處安裝雷達波系統的簡易纜道，雷達波探頭安裝角度為向上游方向呈45°，向水面發射雷達波，波束射到水面位置與基本水尺斷面兼流速儀測流斷面基本重合，該位置水流集中、無回水、斜流等不利影響因素，代表性良好。

4 比測率定情況

4.1 比測率定方法

根據《河道流量測驗規范》(GB 50179—2015)和《水文資料整編規范》(SL 0247—2012)，腰古站比測率定采用腰古(二)站轉子式流速儀和走航式ADCP測流法與雷達波在線測流系統進行率定分析。轉子式流速儀型號為LS25-1，走航式ADCP型號為M9[3]。

用雷達波測流系統施測的指標流量Q指標與纜道實測流量Q實測建立相關關系。為了使雷達波與實測流量率定資料時間同步，指標流量選取了與實際測流平均時間最接近的雷達波所測的數據參與率定分析。

4.2 比測斷面

本次比測率定斷面選擇腰古站基本水尺斷面兼流速儀測流斷面(見圖2所示)。

圖2 腰古站基本水尺斷面變化示意

4.3 流量比測情況

本次率定分析資料的時間段為2017年6月23日—2018年10月6日，實測流量變幅為43.6～1 700 m3/s，相應水位變幅7.98～15.63 m，測流水位級分布均勻，能控制流量變化過程。比測期間，共選取33份比測流量進行分析。流量比測成果見表1。

表1 腰古水文站纜道實測流量與雷達波測流流量比測成果

4.4 比測率定關系

圖3 實測流量與雷達波流量率定關系線

5 驗證分析

5.1 誤差分析

根據實測流量與雷達波流量的相關關系式，對照計算出查線流量Q查線，分析Q查線與纜道實測流量Q實測的誤差，對33個流量測點進行合格率分析計算，相對誤差精度≤10%合格率達到87.9%，誤差情況見表2。

表2 查線流量與實測流量誤差分析 m3/s

5.2 關系曲線檢驗分析

對關系曲線進行三線檢驗，從分析成果可見，比測33次的纜道實測流量與雷達波在線測流系統實測流量符合曲線關系，經檢驗計算，標準差Se=6.5%，隨機不確定度13.0%，系統誤差為0.21%。參照規范，二類精度水文站的系統誤差≤1%、隨機不確定度≤10%，雷達波在線測流系統測量值為水面流速，隨機不確定度可增大2%～4%，定線精度滿足規范要求。同時，符號、適線及偏離數值檢驗均及格，符合《水文資料整編規范》SL 247—2012的要求[5-6]。

6 需要注意的問題

在比測期間，雷達測流系統總體運行良好，但也存在一些不適應性。

1) 風速的影響。在低水期水面流速較低時，強風會影響水面流速，指標流速有時與實際流速相差較大；在大風尤其是臺風侵襲期間，自動行車在強風中出現劇烈搖晃的情況，容易產生掉落的危險。因此，要對系統進行停測風速的設置，當風速達到一定的值時，停止雷達波系統進行流量測驗[7]。

2) 由于該儀器流速測量范圍為0.2～18 m/s，故低枯水時河道流速偏小時，儀器不適用。

3) 在高洪期，水位變化過快，雷達波測流系統與流速儀施測時間及水位變幅不一致，導致計算流量差異較大的情況，需在流速儀施測前中后期使用人工控制雷達波系統進行施測，取指標流量均值與流速儀流量進行比測。

7 結語

通過比測，在流量變幅為43.6～1 700 m3/s時，雷達波在線測流系統Q指標～Q實測關系符合冪函數關系，且相關關系較好，關系線通過三線檢驗，定線精度指標符合《水文資料整編規范》。雷達波在線測流系統在該站適應線良好，可以推廣使用。

雖然雷達波在線測流系統在使用中有一些局限性，但相對常規測流方法來說，不僅可以解決高洪時期漂浮物較多的影響，還可以實現自動、高效的流量測驗，雷達波在線測流系統可以為腰古水文站實現水文現代化、自動化提供有效技術支撐。