關于小流域河道電波流速儀安裝方法的探討

汪隆德，唐訓海

（四川省遂寧水文水資源勘測局，四川 遂寧 629000）

當前，隨著國家經濟發展以及新時期治水思路和水利工作總基調細化，水文在防洪減災作用已由大江大河逐漸向中小河流方向并重拓展。但中小河流眾多、千差萬別，受各種建站自然條件影響，已成為落實新時期治水思路的難題。目前，可用于流量在線監測設備主要有H-ADCP、超聲波時差法、電波流速儀、側掃雷達和高速攝像圖像法等，但對小流域河流而言，多數設備都難發揮作用。

我們通過對任隆水文站的建設，認為電波流速儀是最能滿足生產、安裝最便捷的成熟設備。

1 電波流速儀原理

電波流速儀是利用雷達（Radio Detection And Ranging，縮寫RDAR）對被偵測移動物體產生多普勒（Dopple）效應原理。工作時利用持續不斷發射無線電波，當無線電波在行進過程中碰到物體產生反射，而反彈回來電磁波波長會隨著所碰到的物體的移動狀態而改變，通過對波長的分析計算，便可得知被測物體與雷達之間的相對移動速度。若無線電波遇到被測物體為固定不動的，那么反彈回來的電波波長就不會發生改變。

基于這個原理，我們可以在被監測斷面布設1 個或多個雷達測速探頭對水面流速變化進行監測，從而實現對斷面流量的在線監測。

2 現階段電波流速儀流量測驗應用主要方式

目前電波流速儀測流方式眾多，歸結起來有如下幾種：第一種是基于“指標流速法”，在水流比較集中陡坎岸邊（基巖、水工建筑）或橋面上采用懸臂式安裝，通過施測斷面流量率定出指標流速系數。第二種是基于“指標流速法”和“水面浮標法”，將設備安裝在水文纜道上，用于高洪測驗，若要實現在線監測，需將纜道運行至已經分析的固定垂線位置，但對纜道繩索易產生疲勞。第三種是基于“水面浮標法”而單獨在河道上架設1 套單軌或雙軌自動巡測電波測流系統，但系統抗風能力較差。第四種是利用跨河建筑，如在公路橋上安裝多個電波流速探頭，實現全斷面定點監測，易受橋墩紊流或阻水影響。

以上四種安裝是當前用得最多的，各有千秋，不詳述優缺。

3 河段和斷面的選擇

3.1 斷面穩定

與其他在線測流方式一樣，電波流速儀也必須靠借用斷面，準確的過水面積是準確計算斷面流量的基礎。因此斷面的穩定是應用的基本條件。

3.2 流態相對穩定

不論是單點流速法還是多點流速法，電波流速儀所測流速都是對斷面流速具有穩定代表性的指標流速，盡管這種代表性可能隨水位變化而改變，但在同級水位時應是穩定的。只有穩定的關系存在，將所測流速作為指標流速才有實際意義。因此要求河床縱橫斷面都應穩定，河床糙率、比降應不因洪水而有較大改變。

3.3 具有足夠的水面流速

如果我們羅列各種型號電波流速儀的技術參數會發現，其最低理論測速一般可達厘米級。但當天然水面流速真只有厘米級時，它就缺少了足以對電波反射并帶有多普勒頻偏波的能力。這也是先前我們認識不到位時往往應用電波流速儀測流失敗的原因。根據實踐經驗，電波流速儀測流要獲得穩定的成果，其水面測點流速＞0.3m/s。

下面作者就遂寧市任隆水文站電波流速儀在線監測設計和安裝作一個回顧性的探討。

表1

圖1

表2 任隆水文站河段設計洪峰流量成果表

4 任隆水文站

4.1 地理位置

位于蓬溪縣任隆鎮寨子壩村，集鎮所在地。東經105°45′35″，北緯 30°32′15″。交通通訊較發達，集鎮地面高程320.00m～322.00m，一般都低于321.00m。

4.2 水文特征

荷葉溪屬涪江一級支流，流域面積207km2，站點位置以上河長20.9km，集水面積64.8km2，流域平均坡降3.53‰，距河口26km。流域坡面較陡，匯流短，陡漲陡落。

4.3 河道特征

擬選河段順直長度約60m，兩岸頂寬25.5m。左右岸均為條石堡坎，左坡比1:7.25；右坡比1:5.85。河床由礫巖、淤泥、浮土構成，河道上下各有一個反向彎道，下游橋面高程與集鎮街道高程基本一致，約320.75m。

4.4 斷面資料

任隆水文站大斷面資料（見表1 和圖1）。

4.5 洪水計算及資料來源：（1）蓬溪氣象站1957～2009年實測最大24 小時暴雨資料。（2）借用鄰近中小流域吉安河（李子溪）設立的趙家祠水文站。

設計洪水計算采用暴雨洪水推理公式法，并用趙家祠水文站歷史資料進行復核，結論如表2、表3：

表3 設計洪水位成果表

因集鎮堤防設計標準為10 年一遇，堤頂高程為320.64m（右岸）。當發生超10 年洪水時，洪水會漫過堤防，形成內澇。

4.6 現狀分析

基于任隆水文站擬選位置和周邊環境及邊界條件，若利用上下游路橋安裝固定電波流速儀，經勘查有如下問題：（1）上游橋：橋面高程322.65m，能滿足P=2%洪水測洪和設備安裝，但橋建在“∽”彎道中間，水流紊亂，不滿足《河道流量測驗規范》（GB50179-2015）中對測驗河段選擇規定。（2）下游橋：橋面高程321.12m，中央有一橋墩，此橋也建在河道向右轉臨界段上，水流紊亂。當發生超標準洪水時，橋的底部距水面較近，易阻塞，形成壅水，水位流量關系差。（3）場鎮外河道：通過衛星影像地圖搜索順直可選河道，經實地踏勘，能布設水文測驗設施設備的順直河段極少，且兩岸樹木茂密，屬基本農田耕地，無堤防設施，洪水期間漫灘較遠。

鑒于以上原因，采用自建過河設施實施建站測驗。

圖2

4.7 設計

（1）構造柱設計。構造柱基礎嵌入基巖深度≥0.5m，平面布設為“大方腳”型，右岸2200mm×3200mm（順水）×1500mm，左岸 2700mm×3200mm（順水）×1000mm，兩岸構造柱高度均為3850mm。為便于雨量器和北斗衛星天線和太陽能電池板的安裝，特對右岸構造柱頂部平臺進行加寬設計，面積為1200mm（順水）×1000mm。（2）鋼架梁設計。架梁結構（400mm×400mm）×23600mm，材料采用等邊角鋼L30mm×30mm×4mm，共分3 段，高碳鋼螺栓聯結。為確保鋼架梁不因自重而發生應力曲變，在架梁上方增設一根DN140mm×δ8mm 無縫鋼管弧形拱梁（R=4400mm），用拱梁懸吊架梁，懸吊采用Φ20 鍍鋅元鋼，聯結采用可調收“花籃螺栓”，保證鋼架梁穩定。（3）監測設備設計。流量監測基于“水面浮標法”，因此在架梁上等距安裝4 套固定電波流速儀（錐形雷達：SV-3 型，標稱測速范圍：0.20～18.00m/s，頻率：Ka 波段 34.7GHz，功率 50MW，發射角 12°）和 1 套雷達水位計（距右岸起點距0.0 點13.0m），4 套固定電波流速儀發射頭全部面向下游正對流線，發射波中心線與水平夾角4°。安裝點距0.0m 點分別為 4.25m、9.45m、14.25m、18.25m，安裝高程均為323.00m。右岸構造柱頂部分別安裝有翻斗雨量計1 臺，一體化北斗衛星天線1 只和80w 單晶硅太陽能電池板1 塊。（4）簡易手搖纜道設計。為便于對固定電波流速儀所測水面系數率定和校核工作，在兩岸構造柱下游方向增設1 套簡易手搖纜道用于牽引走航式ADCP 進行率定。（5）儀器房設計。因建設條件限制，無法修筑專門儀器房，但受城市地面箱變啟示，設計箱變儀器房，幾何尺寸為1600mm×1000mm×1900mm 坡屋面頂，箱變基礎距地面600mm，為磚砌，內空外實，承重板為砼現澆，預留通訊電纜進出孔，確保線路安全。（6）其他設施設計。水尺、水準點、避雷等均按大綱完成設計（略）。

圖3

4.8 設計成果展示

表4 任隆水文站建站以來歷次洪峰水位及比測資料

圖4

如圖 2、圖 3 所示。

4.9 資料分析

項目于2018 年4 月底完成建設運行至今，其中2019.10～2020.06 為河道改造施工期，系統停運。迄今有8 次低水過程，ADCP 巡測 4 次，詳見表 4。

為探討電波流速儀在線流量技術，我們采用巡測時電波流速儀生成流量與ADCP 實測流量同步對比分析，結果如圖4。

式中：Q實代表 ADCP 流量；Q虛代表固定式電波流速儀按照“水面浮標法”生成流量，R2代表兩數據系列的相關性。

從分析可看成，兩數據系列符合全相關特點。如果以走航式ADCP 流量Q實為假定真值，即固定式電波流速儀Q虛對真值流量趨勢做到了完全忠實的反映。Q虛與Q實在比測水位級范圍內呈直線關系，如果不考慮截距 0.3105，則Q虛大于Q實，這說明水面流速大于斷面平均流速，符合斷面水流分布物理規律且比值也符合經驗值。截距可認為是兩種截然不同傳感方式所產生的差，根據經驗，流速越低這種差越明顯，鑒于電波流速儀主要應用于水面流速＞0.3m/s，而對于以防洪為目的的站不會帶來不可接受的影響。

當然由于比測次數太少，上述結論是否準確還需下一步的比測和分析給以證實。但初步證實了所選斷面控制較好的判斷。

3 結論

本設計雖是2014 年12 月為遂寧市中小河流水文站建設項目設計內容之一，針對受建站條件限制而實施的因地制宜辦法，對解決今后類似問題提供參考，特別是對流域面積在200km2以下易發山區性河流或水資源監測河道、生態流量監測河道、人工明渠等可以借鑒，若條件允許也可以采用鋼架支柱。

同時，從初步分析成果可以得出如下結論：根據測驗條件選擇一種或多種適合的測驗儀器和測驗方法，可最大程度發揮現代測流設備效能，實現無人值守在線監測，為水文自動測報奠定基礎。另外，我們也可以得出如下結論：現代測流站點的選擇、設計和建設應從硬件（如本站的過河設施、采用的儀器）、軟件（流量生成的方法、比測率定手段）等多方綜合考慮，就可實現預期目的。