文圩水文站固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)比測(cè)分析

區(qū)瓏耀，陸文鋒

（梧州水文中心，廣西 梧州 543000）

1 測(cè)站概況

文圩水文站設(shè)立于2013年9月，位于廣西梧州市蒙山縣文圩鎮(zhèn)文圩街，集雨面積151 km2，系珠江流域西江水系蒙江中小河代表站，是國(guó)家水文站，屬于無(wú)人值守站，河面寬約90 m，斷面上游200 m處為一河灘且建有橋梁一座，下游120 m處2021年新建公路橋一座，現(xiàn)有測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目為雨量、水位、流量、比降等。文圩水文站主要作用是為蒙山縣的農(nóng)業(yè)灌溉及抗旱防汛提供水文服務(wù)，并且向區(qū)水文中心、地方防汛抗旱指揮部辦公室報(bào)汛。

2 測(cè)驗(yàn)儀器概況

固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)是集無(wú)線傳輸、流量測(cè)驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、網(wǎng)站發(fā)布、業(yè)務(wù)處理于一體的全自動(dòng)流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)。管理人員可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查看測(cè)站水位、流速、流量和設(shè)備工況等信息，工作人員可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)儀器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，生成各種報(bào)表，徹底擺脫傳統(tǒng)從測(cè)流到數(shù)據(jù)整理手工作業(yè)的方式，用現(xiàn)代科技手段實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，計(jì)算機(jī)整理。

文圩站雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)主要儀器設(shè)備有：雷達(dá)波多探頭測(cè)流系統(tǒng)1套，包括雷達(dá)波流速探頭3個(gè)、測(cè)流控制器（含機(jī)箱）1 個(gè)、無(wú)線模塊1 塊、電源設(shè)備1套、水文中心站軟件1套、手搖循環(huán)索1套及儀器平臺(tái)1個(gè)。安裝形式見圖1。

圖1 文圩水文站雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)安裝圖

3 比測(cè)情況

3.1 比測(cè)目的

通過(guò)率定斷面的平均流速與固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)流速的曲線關(guān)系或回歸方程，用于固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)流量在線監(jiān)測(cè)，滿足流量資料整編、水情測(cè)報(bào)等多方面要求。蒙山水文中心站于2020 年已完成文圩固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)的率定分析工作，后因道路修建圍堰、鄉(xiāng)村振興河道整治等項(xiàng)目的開展導(dǎo)致文圩水文站基本水尺斷面水流態(tài)發(fā)生變化，現(xiàn)各類建設(shè)項(xiàng)目已結(jié)束，基本水尺斷面（雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)斷面）所對(duì)應(yīng)河道趨于穩(wěn)定（大斷面圖見圖2），因此對(duì)文圩水文站雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行重新率定。

圖2 文圩水文站2023年3月基本水尺斷面圖

3.2 比測(cè)方法

使用走航式ADCP與固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)同步測(cè)流，取用走航式ADCP 平均時(shí)間對(duì)應(yīng)的流速為斷面平均流速與相鄰時(shí)間內(nèi)雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)的流速進(jìn)行對(duì)比分析，建立相關(guān)關(guān)系。

3.3 比測(cè)數(shù)據(jù)選擇

采用文圩水文站基本斷面2023年1～7月走航式ADCP 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)共17 份，對(duì)應(yīng)水位級(jí)為139.19～141.26 m，后經(jīng)篩選（其中水位為139.19 m、139.21 m、139.40 m 3 份因水位較低，雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)無(wú)法照測(cè)，故進(jìn)行剔除；水位為141.02 m、141.26 m 兩份測(cè)驗(yàn)斷面相隔較遠(yuǎn)，走航式ADCP 流速無(wú)法準(zhǔn)確反映基本斷面流速，故進(jìn)行剔除）符合率定要求的數(shù)據(jù)共計(jì)12份（符合率定分析關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用綱要所要求的專用站固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)率定關(guān)系點(diǎn)據(jù)不少于10 個(gè)的要求），對(duì)應(yīng)水位級(jí)為139.62～140.92 m，實(shí)測(cè)流速變幅為0.13～1.48 m/s，雷達(dá)流速變幅為0.47～1.56 m/s（見表1）。

表1 走航式ADCP與固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)流速比測(cè)表

4 流速關(guān)系率定

4.1 流速相關(guān)關(guān)系式率定

根據(jù)比測(cè)數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪斷面平均流速與雷達(dá)流速相關(guān)關(guān)系圖（見圖3），使用指數(shù)、線性、一元二次、一元三次、乘冪等方式對(duì)趨勢(shì)線進(jìn)行擬合，得到相關(guān)性較好的一元二次相關(guān)關(guān)系式y(tǒng)=1.3 065x2-1.3 817x+0.4 893，相關(guān)關(guān)系、標(biāo)準(zhǔn)差、系統(tǒng)誤差均較為合理。

圖3 斷面平均流速與指標(biāo)流速相關(guān)關(guān)系圖

4.2 誤差分析

根據(jù)關(guān)系式率定中所選用的關(guān)系式y(tǒng)=1.3 065x2-1.3 817x+0.4 893，利用雷達(dá)流速推算線上流速，并進(jìn)行三種檢驗(yàn)及不確定度計(jì)算（見表2），計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)差為7.7%，隨機(jī)不確定度為15.4%，系統(tǒng)誤差為0。依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）中第5.3.2條規(guī)定的三類精度水文站單一曲線法定線系統(tǒng)誤差±2%，隨機(jī)不確定度12%，巡測(cè)站定線隨機(jī)不確定度可增大2%～4%，同時(shí)依據(jù)《中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)驗(yàn)指導(dǎo)意見》中專用站關(guān)系曲線系統(tǒng)誤差不超±3%，隨機(jī)不確定度不超20%，本次定線滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）和《中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)驗(yàn)指導(dǎo)意見》的要求，認(rèn)為定線合理。

表2 斷面平均流速與雷達(dá)流速關(guān)系曲線檢驗(yàn)表

4.3 合理性分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證率定所得線上流速結(jié)合相應(yīng)時(shí)段遙測(cè)水位對(duì)應(yīng)的斷面面積所推求的流量精度能否滿足日常資料整編的要求，選取6 月17 日至7 月1日的洪水過(guò)程使用雷達(dá)波流速換算的流量采用連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法推流計(jì)算逐日平均流量，與相應(yīng)時(shí)間段ADCP實(shí)測(cè)流量所定臨時(shí)曲線推流所得逐日平均流量相對(duì)照分析。率定水位為139.62～140.92 m，流速變幅在0.47～1.56 m/s 之間，在此范圍內(nèi)采用關(guān)系式y(tǒng)=1.3 065x2-1.3 817x+0.4 893進(jìn)行流速換算后推求對(duì)應(yīng)流量，在此范圍外的流量數(shù)據(jù)使用臨時(shí)曲線推流得出。同時(shí)，受雷達(dá)流速跳變等不利因素的影響，對(duì)雷達(dá)不合理數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，最終采用了275組數(shù)據(jù)進(jìn)行連實(shí)測(cè)流量法過(guò)程線推流得出雷達(dá)逐日平均流量。計(jì)算結(jié)果見圖4、表3。由表3、圖4 可看出，使用進(jìn)行篩選后的雷達(dá)數(shù)據(jù)所推算得到的逐日平均流量與臨時(shí)曲線推流所得流量相對(duì)照偏差較小，可以使用。

表3 6月17日至7月1日逐日平均流量對(duì)比表

圖4 逐日平均流量對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

綜上分析，文圩水文站采用固定式雷達(dá)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行流量在線監(jiān)測(cè)，并在相應(yīng)水位、流速適用范圍內(nèi)應(yīng)用是可行的。使用固定式雷達(dá)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行流量在線監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)注意：

（1）本次率定采用的實(shí)測(cè)流量點(diǎn)子偏少，高水位級(jí)無(wú)法率定，應(yīng)根據(jù)水情情況加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步加強(qiáng)雷達(dá)波測(cè)流在中高水的率定使用。

（2）固定式雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)對(duì)于低水適用性較低，流速低于0.47 m/s 時(shí)須采用走航式ADCP 施測(cè)，低水測(cè)驗(yàn)建議采用微型ADCP施測(cè)。

（3）文圩雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)流速存在偶爾跳變現(xiàn)象，使用時(shí)須用雷達(dá)數(shù)據(jù)和水位過(guò)程線對(duì)比分析進(jìn)行人工篩選后方可使用。