雷達波測流系統在金沙江攀枝花水文站的應用研究及誤差分析

胡 江,宋小燕

（長江委水文局長江上游水文水資源勘測局攀枝花分局,四川 攀枝花 617000）

1 概述

近年來,隨著金沙江中游梯級水電站的興建,金沙江攀枝花水文站受金沙水電站蓄、放水的影響,水位變幅較快,流量測驗的時機難以掌握,用傳統的流速儀測驗方法,任務繁重,時效性差,測驗誤差較大且不能及時準確地反映流量變化過程[1]。為了解決以上問題,提高測驗精度,推廣新儀器新技術的運用,攀枝花水文站引進雷達波測流與傳統流速儀法進行比測試驗以分析新設備的適用性[2]。

2 測量原理

2.1 儀器使用范圍

適用于中小型河流高洪水流量測驗、淺灘過水流量測驗、省界流量測驗等。

2.2 測量原理

雷達波測流主要采用微波對河流表面流速進行測量,根據表面流速和斷面平均流速擬合出表面流速與斷面平均流速間的關系方程,通過方程式計算出斷面平均流速,最后根據流量計算公式,計算出河道流量[3]。

2.3 工作原理

雷達波測流系統通過架設簡易纜道,采用直徑大于8 mm的鋼絲繩做導軌,纜道上懸掛雷達運行小車,在計算機上輸入測量斷面的水位、大斷面和測流垂線等數據,遙控定位雷達運行小車自動測驗逐條流速垂線,流速數據通過無線方式發送到終端計算機中,有軟件計算出相應流量,從而實現斷面無人值守自動測驗[4]。

2.4 儀器的性能及主要參數

雷達波流速測量范圍：0.15 m/s～15 m/s；河流寬：≥30 m,≤500 m；測驗河段相對順直,斷面流態相對穩定,無回流或旋渦。

2.5 優勢

雷達波為非接觸測流系統,功耗低、維護少、不懼泥沙,可實現無人值守,全自動采集和計算流量。同時在測流過程中系統可根據水位變化,自行調整測流垂線的數量,測量歷時短[5-6]。

3 雷達波測流在攀枝花水文站的實際應用

3.1 攀枝花站水文特性

攀枝花水文站位于金沙江干流攀枝花市區,是為控制雅壟江匯入前金沙江干流河段水情的一類精度流量站、一類精度泥沙站。該站測流斷面位于彎道順直段,順直長約1400 m,最大水面寬約190 m,斷面下游500 m 的淺灘,起低水控制作用；下游彎道和密地大橋起高水控制作用；下游15 km 雅礱江從左岸匯入,高水時有回水頂托影響。斷面呈“W”型,左深右淺,兩岸為亂石組成,河床為亂石夾沙,斷面變化甚微,水位流量關系多年基本穩定。

3.2 儀器安裝

雷達波測流系統采用雙軌纜道設計,分別在河道左右岸埋設鍍鋅鋼管（雙桿）,采用直徑≥8 mm 雙鋼絲繩橫跨河道,鋼絲繩軌道間距寬度≤300 mm。雙軌纜道上懸掛雷達運行小車,鋼絲繩一端固定在雙軌小車上,另外一端拉到河對岸,穿過轉向輪后垂直懸掛一定重物,保持鋼絲繩熱脹冷縮仍能達到同一垂度,水文站站房同側雙桿頂部安裝纜道小車控制和充電平臺等[7]。

圖1 雷達波測流系統示意圖

3.3 比測及率定

雷達波測流系統位于流速儀測流斷面下游6 m 處,其測速小車平行于測流斷面運行,雷達波測流系統比測期間采用與流速儀常測法測量相同的測速垂線、相同時間段同步比測,同時設定時段及漲落率自動測流方式,系統參數借用的斷面數據與流速儀測流斷面保持相同。

本次分析在收集雷達波實測測流資料基礎上,采用雷達波實測資料建立水位流量關系與流速儀的水位流量關系進行對比分析,分析相同水位下雷達波實測流量的穩定性,再確定分析范圍、分析方法（線性關系、多項式關系）以及計算樣本系統誤差、隨機不確定度,評估其還原性,最后確定最優本雷達測流系統虛流量換算斷面流量的適用公式[8]。

（1）穩定性分析。

圖2 攀枝花站雷達波與流速儀水位流量關系圖

通過選取雷達波測流系統在2020 年12 月20 日至2021年8 月30 日期間3700 多次實測流量資料與流速儀水位流量關系綜合線資料進行對比分析,雷達波在各級水位的實測流量點總體呈現帶狀分布,高、低水部分流量點有一定散亂；雷達波水位流量關系線與流速儀水位流量關系綜合線比較分析,兩線形態一致,關系穩定。

考慮到雷達波流量與流速儀流量線性關系良好,我們分別建立兩者間線性關系和多項式關系,在這兩種關系之間進行甄選[9-10]。

（2）線性關系分析

通過選取雷達波實測流量400 次流量資料與流速儀水位流量關系綜合線資料建立相關關系,得到雷達波流量與流速儀流量關系公式：

從圖3 可以看出雷達波流量與流速儀流量關系,顯著性0.98678,線性關系較好。

圖3 雷達波流量與流速儀流量線性關系分析圖

（3）多項式關系分析

通過選取雷達波實測流量400 次流量資料與流速儀水位流量關系綜合線資料建立相關系,得到雷達波流量與流速儀流量關系公式：

從圖4 可以看到雷達波流量與流速儀流量關系,顯著性達0.9924,線性關系良好。

圖4 雷達波流量與流速儀流量多項式關系分析圖

（4）同步對比分析

按照《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015） 中第4.1.2條規定,選取雷達波測流系統在高、中、低不同水位（或者流量）級下與流速儀同步比測39 次。采用流速儀實測流量與雷達波實測流量建立相關關系,通過分析比較確定雷達波測流系統應采用換算斷面流量方法。具體見圖5。

圖5 雷達波與流速儀同步比測流量線性關系

通過圖5、圖6 可見雷達波與流速儀建立的兩種關系的相關性較好,其多項式關系R絕對值更接近于1,相關性更強,進一步佐證了多項式關系的正確性。

圖6 雷達波與流速儀同步比測流量多項式關系

3.4 誤差分析

還原性分析采用上述線性公式及多項式公式換算雷達虛流量450次,再與流速儀水位流量關系綜合線流量比較誤差。結果見表1、表2。

表1 雷達波測流線性公式還原誤差分析表

表2 雷達波測流多項式公式還原誤差分析表

表3 攀枝花站兩種方法推求徑流量比較誤差分析表

由表1、表2 可見雷達波流量線性公式和多項式公式換算的雷達虛流量與流速儀水位流量關系綜合線上流量誤差分析,線性公式各項誤差指標均優于多項式公式[11]。

通過分析建立的相關關系在水文測驗實際運用中對資料整編成果特別是對推算河道徑流量計算影響較大。下面采用雷達波線性關系、多項式關系和流速儀整編定線資料進行誤差對比分析,以檢驗兩種相關關系公式的適用性。通過公式換算的斷面流量推算月、年徑流量,再與整編定線計算的徑流量比較誤差[12]。

通過對比分析,采用多項式關系推算2021 年8 個月的徑流量與整編成果相對誤差未超過2%,累計水量相對誤差為0.83%。確定該雷達測流系統比測分析的多項式關系較優,多項式公式Q流=0.00002622Q雷-0.73822166Q雷+56.01084876可以在水位986.22 m～999.75 m,流速0.41 m/s～5.24 m/s,流量462 m3/s～8780 m3/s 以內使用,且數據成果可用于整編,實現在線。

4 結語

（1）通過對攀枝花站雷達波測流系統比測研究分析,根據《水文資料整編規范》要求,認為采用雷達波測流系統進行流量測驗,收集到的流量資料進行處理后,可作為流量資料參與水文資料整編,具備投產條件。

（2）雷達波測流系統測得流量換算斷面流量應與綜合線流量比較,誤差大于限差應復測（張落水急劇除外）,二次流量差大于平均值的5%需要再次復測,實測虛流量取最接近二次平均作為測得流量。

（3）啟用率定公式后,應在每年高中低水分別與流速儀作比測驗證,當雷達測得流量與線上流量比值發生系統偏差,應進一步系統檢驗使用的率定關系是否改變。

（4）雷達波測流系統使用前應檢查電池電壓及其工況,雙纜線是否平行均衡,盡量避免測時順、逆風、強雷電。