切德克水文站RG30型雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)比測(cè)分析

宋 健

（伊犁水文勘測(cè)局,新疆 伊寧 835000）

1 前言

切德克水文站是發(fā)源于新疆伊犁地區(qū)天山山脈科古爾琴山的切德克河流域上的控制性水文站,汛期在高壓低槽影響下降水突發(fā)、集中,洪水歷時(shí)短,水位陡漲陡落,具有明顯的山溪性河流特征,其水位流量關(guān)系呈多線型。切德克水文站于2020年建成全自動(dòng)RG30 型雷達(dá)波流速儀測(cè)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)對(duì)于流速大、漂木多、陡漲陡落的山溪性流域而言具有自動(dòng)化、智能化、測(cè)流歷時(shí)短精度高、非接觸等優(yōu)勢(shì)。為促進(jìn)該測(cè)流系統(tǒng)早日投運(yùn)以及不同測(cè)流系統(tǒng)之間的有效銜接,必須進(jìn)行RG30型雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)比測(cè)分析［1］。

2 RG30型雷達(dá)波流速儀概況

2.1 儀器參數(shù)

RG30型非接觸式雷達(dá)波流速儀在測(cè)流過程中,必須與自動(dòng)行車、簡(jiǎn)易纜道、測(cè)流控制器、水位計(jì)、供電系統(tǒng)、GPRS模塊等配套使用。非接觸式雷達(dá)波流速儀測(cè)流系統(tǒng)適用于0.2 m/s~18 m/s的流速范圍,測(cè)量精確度可達(dá)到±0.05 m/s,流速測(cè)量歷時(shí)僅為0~99.9 s,分辨率可達(dá)到0.1 s,測(cè)速所對(duì)應(yīng)波速的寬度范圍為±12°,Ka微波波段發(fā)射功率50 mW,有效測(cè)程可以達(dá)到0~100 m,在60 m/s以下的自動(dòng)運(yùn)行速度下,若突發(fā)故障,測(cè)流儀器便會(huì)自動(dòng)返回停泊點(diǎn)。RG30 型非接觸式雷達(dá)波流速儀在一次測(cè)流過程中可同時(shí)輸出移動(dòng)平均、最小值平均、中值平均等多種數(shù)據(jù),并可在雷雨等惡劣天氣條件下全天候測(cè)流。

2.2 在線測(cè)流

測(cè)流開始前,按照測(cè)流方案,將RG30 型非接觸式雷達(dá)波流速儀懸掛在簡(jiǎn)易纜道處,并使其沿纜道行走至逐條垂線處停留,以測(cè)量垂線處水體表面的實(shí)際流速,完成后自動(dòng)返回設(shè)計(jì)停泊處。按照測(cè)流方案在測(cè)流控制器上預(yù)先設(shè)置包括斷面數(shù)據(jù)、水面流速系數(shù)、測(cè)流垂線、岸坡系數(shù)、測(cè)流歷時(shí)等在內(nèi)的測(cè)站基本參數(shù),并主要采取以下2 種測(cè)流啟動(dòng)及流量計(jì)算方式：一是依據(jù)電腦預(yù)先設(shè)定的段次和時(shí)間間隔定時(shí)測(cè)流,施測(cè)頻次為1次/d~48 次/d；二是通過電腦、手機(jī)端軟件等遠(yuǎn)程服務(wù)器啟動(dòng)施測(cè)；三是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)流控制器操作以啟動(dòng)施測(cè)。待RG30 型非接觸式雷達(dá)波流速儀接收到施測(cè)命令或達(dá)到預(yù)設(shè)測(cè)流時(shí)間時(shí),便由控制器發(fā)出測(cè)流命令,流速探頭采用相同方式進(jìn)行每條測(cè)速垂線處水位及流速施測(cè)。基于預(yù)先設(shè)定的斷面數(shù)據(jù),由流量測(cè)驗(yàn)軟件平臺(tái)進(jìn)行斷面面積、流量等的計(jì)算,并生成測(cè)流成果表。

3 RG30型雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)比測(cè)

3.1 比測(cè)方法

切德克水文站在測(cè)流系統(tǒng)升級(jí)前主要使用的是LS25-1型轉(zhuǎn)子式流速儀,根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》及《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定,進(jìn)行LS25-1型轉(zhuǎn)子式流速儀和RG30型雷達(dá)波流速儀比測(cè)。考慮到流量施測(cè)期間內(nèi)轉(zhuǎn)子式流速儀在大多數(shù)時(shí)間并未和RG30型雷達(dá)波流速儀同時(shí)進(jìn)行流速測(cè)量,故在轉(zhuǎn)子式流速儀和RG30型雷達(dá)波流速儀水位流量關(guān)系曲線均滿足規(guī)范定線誤差的基礎(chǔ)上,分別進(jìn)行各自水位流量關(guān)系曲線的擬合,并進(jìn)行同水位相關(guān)節(jié)點(diǎn)［2］的確定。

3.2 比測(cè)資料選用

以2020年切德克水文站轉(zhuǎn)子式流速儀和RG30 型雷達(dá)波流速儀實(shí)測(cè)資料為比測(cè)資料,其中轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)21份,實(shí)測(cè)最高水位和最低水位分別為899.21 m和898.30 m；RG30 型雷達(dá)波流速儀實(shí)測(cè)資料40 份,實(shí)測(cè)最高水位和最低水位分別為899.59 m和898.62 m。故將比測(cè)水位區(qū)間確定為898.3 m~899.6 m。

3.3 比測(cè)過程及結(jié)果分析

3.3.1轉(zhuǎn)子流速儀三線檢驗(yàn)

LS25-1型轉(zhuǎn)子式流速儀所得到的切德克水文站水位流量關(guān)系數(shù)據(jù)見表1,將表中轉(zhuǎn)子式流速儀施測(cè)流量結(jié)果擬合為單一水位-流量關(guān)系曲線,同時(shí)進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、系統(tǒng)誤差、偏離值等三線檢驗(yàn),結(jié)果見表2。

表1 LS25-1型轉(zhuǎn)子式流速儀水位流量關(guān)系 單位：m3/s

表2 轉(zhuǎn)子流速儀三線檢驗(yàn)成果

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,符號(hào)檢驗(yàn)過程中的顯著水平 取0.25,u（1- /2）=1.9105；適線檢驗(yàn)過程中的顯著水平 取0.10,u（1- /2）=2.0742；偏離數(shù)值檢驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的顯著水平 取0.20,t（1- /2）=1.9651。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)及偏離值檢驗(yàn)結(jié)果均比規(guī)范所規(guī)定的臨界值小,所以切德克水文站水位流量定線結(jié)果合理。

3.3.2RG30型雷達(dá)波流速儀三線檢驗(yàn)

切德克水文站RG30型雷達(dá)波流速儀水位-流量關(guān)系取值見表3,將表中RG30型雷達(dá)波流速儀施測(cè)流量結(jié)果擬合為單一水位-流量關(guān)系曲線,并進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、系統(tǒng)誤差、偏離值等三線檢驗(yàn),結(jié)果見表4。

表3 RG30型雷達(dá)波流速儀水位流量關(guān)系 單位：m3/s

表4 RG30型雷達(dá)波流速儀三線檢驗(yàn)成果

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,符號(hào)檢驗(yàn)顯著水平 取0.25,u（1- /2）=1.5218；適線檢驗(yàn)顯著水平 取0.10,u（1- /2）=-2.1297；偏離數(shù)值檢驗(yàn)顯著水平 取0.20,t（1-/2）=0.7502。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)及偏離值檢驗(yàn)結(jié)果均比規(guī)范所規(guī)定臨界值小,所以切德克水文站水位流量定線結(jié)果合理［3］。

3.3.3RG30型雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)

切德克水文站RG30型雷達(dá)波流速儀所擬合得過程線節(jié)點(diǎn)與轉(zhuǎn)子式流速儀所擬合得單一線節(jié)點(diǎn)之比,即為切德克水文站各節(jié)點(diǎn)水面系數(shù),具體結(jié)果見表5,再計(jì)算出系數(shù)均值0.95,便為RG30型雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)。

表5 RG30型雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)

3.4 水面系數(shù)比測(cè)誤差

按照流速儀進(jìn)行流量施測(cè)時(shí)的水位所對(duì)應(yīng)的流量與比測(cè)得RG30型雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)相乘,并與轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行誤差對(duì)比分析,并應(yīng)用系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度等參數(shù)進(jìn)行誤差評(píng)價(jià),具體過程如下：

隨機(jī)不確定度為：X＇Q=2Se。

式中：Qi為RG30型雷達(dá)波流速儀流量與對(duì)應(yīng)的水面系數(shù)之積,m3/s；Qci為轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測(cè)流量,m3/s。誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

表6 水面系數(shù)比測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)

由表6統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,系統(tǒng)誤差為49.14/21=2.34%,標(biāo)準(zhǔn)差為3.68%,隨機(jī)不確定度為7.36%。參照相關(guān)規(guī)范,三類精度站流量測(cè)驗(yàn)誤差隨機(jī)不確定度允許值應(yīng)不超出±8%,系統(tǒng)誤差應(yīng)不超出±3%。故本次分析結(jié)果符合相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)論

綜上所述,切德克水文站RG30型雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)為0.95,且其與轉(zhuǎn)子式流速儀的測(cè)流誤差完全符合相關(guān)規(guī)范要求,故該測(cè)站新建測(cè)流系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)早日投運(yùn)以及與轉(zhuǎn)子式測(cè)流系統(tǒng)之間的有效銜接。RG30型雷達(dá)波流速儀測(cè)流技術(shù)先進(jìn),運(yùn)行穩(wěn)定,可進(jìn)行測(cè)流數(shù)據(jù)連續(xù)采集,且數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠,測(cè)流過程不受天氣條件的影響,也不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失、傳輸中斷等故障。