靖西水文站固定式雷達(dá)測(cè)流比測(cè)率定分析

蘭美標(biāo)，韋世鳳

（百色水文中心靖西水文中心站，廣西 靖西 533800）

1 測(cè)站概況

龍?zhí)逗泳肝魉恼驹O(shè)立于2012年，位于靖西市新靖鎮(zhèn)五隆村，流域集水面積504 km2，流域內(nèi)主要支流有龐凌河、龍?zhí)逗?，屬珠江流域西江水系左江上游黑水河支流的城?zhèn)專(zhuān)用水文站，流量測(cè)驗(yàn)三類(lèi)精度站（巡測(cè)站）。

（1）測(cè)驗(yàn)斷面情況。該站測(cè)流斷面河道順直，斷面河床為砂卵石，左岸為混泥土防洪堤，右岸為農(nóng)田。高洪水位時(shí)右岸較容易沖刷，形狀呈“U”型，洪水期略有沖淤但影響不大，無(wú)水草生成。斷面上游5 km 處有生活飲用水和農(nóng)田灌溉水源的龍?zhí)端畮?kù)，下游無(wú)建筑物，無(wú)斷面遷移情況，流量測(cè)驗(yàn)上游30 m處受錦繡古鎮(zhèn)二期建設(shè)橋梁圍堰影響較大，流速左右岸擺動(dòng)。固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)斷面與基本水尺斷面兼流速儀斷面位置重合，中泓水位以上流速跟斷面平均流速相關(guān)密切，代表性強(qiáng)，因探頭安裝在左岸11.0 m處，低水位基本無(wú)流速，中水位以上流速才比較正常。所處河道常年基本穩(wěn)定，斷面面積變化率很小，均在±3%左右，斷面穩(wěn)定、控制良好。

（2）水文特征。自建站以來(lái)，龍?zhí)逗泳肝魉恼緦?shí)測(cè)最高水位733.22 m，最低水位731.13 m；實(shí)測(cè)最大流量114 m3/s，最小流量0.325 m3/s；實(shí)測(cè)最大流速約1.58 m/s。

2 設(shè)備引進(jìn)和安裝調(diào)試情況

（1）設(shè)備引進(jìn)。該站及河道條件所限，一直采用走航式ADCP測(cè)流，自動(dòng)化水平較低。為此，該站于2019 年11 月引進(jìn)了固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)，旨在解決中高水自動(dòng)測(cè)流問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)非接觸測(cè)流方式，進(jìn)一步提升中高水及超標(biāo)洪水測(cè)驗(yàn)的安全性。固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)主機(jī)型號(hào)為RD-200，波段范圍（K波段，24 GHz），測(cè)速范圍0.03～20 m/s，測(cè)速精度±0.01 m/s。該固定式測(cè)流系統(tǒng)主要有測(cè)速儀主機(jī)、RTU、傳感器、減壓閥、電纜、安裝支架等組成。

（2）安裝調(diào)試。固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)于2019年11月安裝完成并通過(guò)驗(yàn)收，儀器固定安裝在基本斷面水位臺(tái)邊上，高程736.50 m（超過(guò)100 a 一遇洪水），雷達(dá)波探頭面垂直水面，位于基本水尺斷面兼流速儀測(cè)流斷面測(cè)速垂線(xiàn)11.0 m處，安裝水平角度0°，豎直角度（俯角）54.87°。

3 流速率定

3.1 率定目的

靖西水文站固定式雷達(dá)法（單探頭），實(shí)質(zhì)上是利用多普勒效應(yīng)，以雷達(dá)測(cè)速探頭測(cè)驗(yàn)中泓垂線(xiàn)的水面流速，即雷達(dá)虛流速Vi，還無(wú)法直接推算出實(shí)時(shí)流量。必須通過(guò)收集資料、率定分析等技術(shù)環(huán)節(jié)，獲得雷達(dá)虛流速Vi與斷面平均流速Vm相關(guān)關(guān)系，并利用實(shí)時(shí)水位、水位與過(guò)水?dāng)嗝婷娣e關(guān)系，進(jìn)而現(xiàn)實(shí)推求實(shí)時(shí)流量過(guò)程的目的。同時(shí)，通過(guò)試運(yùn)行與率定分析，還可進(jìn)一步論證的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可行性，從而真正意義解決本站中高水非接觸流量測(cè)驗(yàn)問(wèn)題。

3.2 率定方法

利用固定式雷達(dá)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量雷達(dá)，數(shù)據(jù)采集頻次為5 min/次；采用走航式ADCP 等方法測(cè)定同步斷面平均流速Vm。經(jīng)過(guò)多次同步測(cè)驗(yàn)后，形成一系列相關(guān)關(guān)系點(diǎn)據(jù)，點(diǎn)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，即時(shí)開(kāi)展Vi～Vm流速關(guān)系率定分析工作。

3.3 率定過(guò)程

2020 年4～9 月期間，共收集16 份中高水位級(jí)率定成果（見(jiàn)表1），率定水位范圍731.62～732.67 m，雷達(dá)虛流速范圍0.29～1.02 m/s，率定水位變幅占測(cè)站歷年實(shí)測(cè)水位變幅的50.2%。

表1 靖西水文站實(shí)測(cè)流量成果表

4 比測(cè)率定結(jié)果分析

4.1 率定結(jié)果

根據(jù)表1，點(diǎn)繪雷達(dá)虛流速Vi～ADCP平均流速Vm關(guān)系圖（見(jiàn)圖1）。從圖1可見(jiàn)關(guān)系點(diǎn)據(jù)呈明顯帶狀分布，規(guī)律性較好，呈直線(xiàn)趨勢(shì)，兩者相關(guān)系數(shù)R為0.9 679，相關(guān)關(guān)系密切。率定結(jié)果為y=0.8 829x+0.0 177。

圖1 走航式ADCP平均流速～固定式雷達(dá)指標(biāo)流速關(guān)系圖

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)率定成果推算相應(yīng)線(xiàn)上流速，經(jīng)三大檢驗(yàn)，計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)差為8.3%，隨機(jī)不確定度為16.6%，系統(tǒng)誤差為0.45%。依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）有關(guān)規(guī)定，檢驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范精度要求。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水位流量關(guān)系曲線(xiàn)檢驗(yàn)計(jì)算表

4.3 存在問(wèn)題分析

（1）由于2020 年雨水較少，水位變幅較小，水位沒(méi)有達(dá)到高水，造成高水無(wú)法比測(cè)，本次率定分析主要在731.62～732.67 m 水位范圍內(nèi)，且關(guān)系點(diǎn)據(jù)較少，不足30個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)。

（2）下一步將根據(jù)水情情況，繼續(xù)加強(qiáng)流速關(guān)系空白區(qū)，尤其是水位732.67 m以上點(diǎn)據(jù)的收集與率定分析工作。

（3）固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)對(duì)低水部分不太適用，尤其是在流速小于0.3 m/s 時(shí)（相當(dāng)于雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)流速），測(cè)流精度明顯下降。

（4）當(dāng)前信息軟件系統(tǒng)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)整理、整編方面功能偏弱，建議按照《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）要求，生成可直接下載用于資料整編水位、流量、時(shí)間等格式，便于中心站人員開(kāi)展日常資料整編工作。

5 結(jié)論

靖西水文站固定式雷達(dá)表面流速的準(zhǔn)確性與走航式ADCP表面流速在中泓水位橫向分布基本一致，水位流量關(guān)系線(xiàn)的適線(xiàn)檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)、偏離數(shù)值均合格，隨機(jī)不確定符合規(guī)范要求，固定式雷達(dá)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在龍?zhí)逗泳肝魉恼臼褂谩?/p>