羅敷河羅敷堡水文站雷達流量計系數分析

馬 博

（陜西省水旱災害防御中心,陜西 西安 710004）

1 概況

1.1 流域概況

羅敷河發源于秦嶺山北麓港子山溝,流域呈羽毛狀,河長47.2 km,流域面積190 km2,平均坡降23.6‰。羅敷河流域屬于關中少水區,流域內山峰陡峭,懸崖陡壁,山高溝深為其地貌顯著特征。羅敷鎮以北至河口,為渭河沖積平原,流域內天然林木較多,灌木叢生,植被良好,流域內地下水蘊藏較豐富,主要由裂縫水形成補給河流。

1.2 測站基本情況

渭河南岸小面積區域代表站,國家基本水文站。1955年6月由陜西省水利局設立為羅敷堡水文站,1968年斷面下遷1.0 km,站名變為羅敷堡（二）,1999年1月1日斷面下遷1.0 km改站名為羅敷堡（三）。地址位于陜西省華陰市敷水鎮明星村,集水面積122 km2,距河口里程16.0 km。

測驗河段較順直,基下50 m有一處滾水壩。基本斷面兼測流斷面和浮標中斷面,斷面間距100 m。水位流量關系為繩套曲線。上游3000 m處有羅敷河水電站,受其蓄、排水影響,枯季水位呈鋸齒形變化。

1.3 水文特性

洪水主要由暴雨形成,7月、8月兩個月為洪水多發期,近年來由于氣候異常,5月、10月洪水頻繁發生。洪峰陡漲陡落,峰型尖瘦。洪水時伴有滾石,河床沖淤變化大,水位流量關系散亂。

根據1965年～2014年水文資料統計,實測最大流量340 m3/s（1998.7.13）,次大流量252 m3/s（2010.7.24）,第三大流量194 m3/s（1965.7.21）,實測最小流量0.008 m3/s,多年平均流量1.05 m3/s；多年平均徑流量0.3336億m3、最大徑流量0.7560億m3、最小徑流量0.1011億m3,降水量637.2 mm,年最大降水量984.4 mm,年最小降水量335.3 mm。

1.4 雷達流量計測量的目的和任務

羅敷河是典型的山溪性河流,洪水暴漲暴落,在洪水漲落急劇時,伴有大量滾石,流速儀難以施測。采用浮標法施測流量,浮標成活率低,而且精度低。采用雷達流量計施測水面流速,可以彌補浮標法測流成活率低的缺陷,雷達流量計具有測驗精度高,勞動強度低的特點。采用該系統將顯著地提高羅敷堡站的測報能力,為實現無人值守、有人看護的測驗方式轉變積累經驗。2016年羅敷堡（三）站開始進行雷達流量計系數率定工作,即采用鉛魚纜道流速儀測流或人工涉水測流同時,用雷達流量計也施測流量。

2 雷達流量計的測量原理

雷達流量計測量原理采用多普勒效應。通過測量頻差,計算得到水流的速度。雷達流量計測量水面流速,具有操作方便、安全、快速等優點。

3 比測資料收集

3.1 資料選用

羅敷堡（三）站2016年4月上旬開始雷達流量計系數率定分析工作,截至目前共取得31次比測資料。比測最大流量64.3 m3/s,相應水位389.16 m；最小流量0.451 m3/s,相應水位387.60 m；水位變幅1.56 m；實測最大水深1.66 m；雷達流量計實測最大流速4.74 m3/s,最小流速0.24 m3/s。

3.2 資料一致性分析

羅敷堡（三）站31 次比測資料為流速儀與雷達流量計在纜道上同期比測資料。由于雷達流量計固定在纜道行車架上,測量過程中存在晃動現象,測量結果存在一定的誤差。

3.3 資料合理性檢查

雷達流量計布設的測深、測速垂線與吊儀測流布設的垂線一致,計算方法符合規范要求。通過對雷達流量計、吊儀實測的流量過程與水位變化過程對比分析,變化過程基本一致,所以比測的資料是合理的。

3.4 比測資料系列

本年共做比測分析31次,以31次比測資料為分析計算系列,滿足水文分析計算要求。

4 雷達流量計系數分析計算

4.1 均值法

根據31次比測資料的流速儀實測流量與雷達流量計實測的流量,按下式計算：

式中：K為雷達流量計系數；Q流為流速儀實測流量,m3/s；Q雷為雷達流量計實測流量,m3/s。

分別計算雷達流量計各次的系數,取均值,計算得雷達流量計系數為0.75。羅敷堡（三）站雷達流量計系數計算表見表1。

表1 羅敷堡（三）站雷達流量計系數計算表

4.2 相關曲線法

根據羅敷堡（三）站31次比測資料建立相關關系,點繪流速儀實測流量與雷達流量計實測流量相關關系圖,計算得相關系數為0.75,相關圖見圖1。

圖1 羅敷堡（三）站流速儀實測流量與雷達流量計實測流量相關圖

4.3 回歸方程法

采用回歸方程法計算雷達流量計系數,依據比測資料,計算y=0.75 x,相關系數0.75,相關關系為0.99。其相關點據比較密集,分布成一帶狀。

4.4 雷達流量計系數的確定

分別采用均值法、相關曲線法和回歸方程法進行分析計算,得均值法系數為0.75；相關曲線法系數為0.75；回歸方程法系數為0.75,羅敷堡站雷達流量計系數確定為0.75。

4.4 相關系數檢驗評定

（1）相關曲線的三項檢驗

偏離數值顯著性水平α選用0.20,適線檢驗顯著性水平α選用0.10, 符號檢驗顯著性水平α選用0.25。經計算結果滿足規范要求。

（2）雷達流量計系數質量評定

通過比測資料分析計算,羅敷堡（三）站系數確定為0.75,計算最大誤差3.52%,最小誤差0%,羅敷堡站屬流量二類站,相對誤差按5%控制,其合格率為100%,檢驗結果滿足規范要求,該儀器可作為該站的常規流量測驗儀器。

5 結語

5.1 存在問題

（1）比測率定采用纜道流速儀與雷達流量計同步測流的方法,因受漂浮物、波浪、滾石等因數影響,比測結果存在一定誤差。

（2）羅敷堡（三）站斷面為窄深河床,洪水漲落急劇,特別是漲水歷時較短,常測法測流存在較大困難,造成了比測結果的局限性。

（3）本年比測大部分集中在中低水區域,根據情況增加比測次數,提高準確度。

5.2 雷達流量計的應用

根據分析可以確定羅敷堡（三）站流量在0.451 m3/s～64.3 m3/s、水位在387.60 m～389.16 m時可以采用雷達流量計實測流量,精度完全能滿足規范要求,大大降低了羅敷堡站測流的勞動強度,為實現有人看管、無人值守的測驗方案提供了基礎資料。

5.3 結論

（1）比測率定：根據水流條件用精測法和常測法與雷達流量計同步比測,比測率定采用纜道流速儀法與纜道雷達流量計同步測流。

（2）比測率定資料系列：通過2016年4月～10月,共收集比測資料31次,常測法資料27次,精測法1次,中泓浮標法3次。最大流量64.3 m3/s,最小流量0.451 m3/s。

（3）分析計算方法：采用均值法、相關曲線法及回歸方程法等得出的系數一致,采用系數0.75。

（4）雷達流量計的使用：根據不同分析計算方法,可以確定羅敷堡（三）站流量在0.451 m3/s～64.3 m3/s、水位在387.60 m～389.16 m時可以采用雷達流量計實測流量。