雷達(dá)波河道流量測(cè)驗(yàn)若干問題解決方案和試驗(yàn)分析

◎周永章

1 引言

水文測(cè)驗(yàn)是收集水文資料的主要途徑。多年來水文測(cè)驗(yàn)工作按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，取得大量的珍貴數(shù)據(jù)。但是傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ酱嬖谳^多的不足，近年來隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)水文工作提出了更高的要求，特別是近年正在實(shí)施的中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，需要在較多中小河流上新設(shè)水文站，這些站多數(shù)為防汛專用站，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)而且地處山區(qū)，具有山區(qū)河流暴漲暴落，漂浮物多、流速大等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ今v守觀測(cè)相當(dāng)困難。雷達(dá)波測(cè)流技術(shù)的主要特點(diǎn)是傳感器不需要入水，測(cè)流系統(tǒng)土建簡單，便于隨時(shí)維護(hù)，少受水毀影響，不受污水腐蝕，不受泥沙影響，保障人員安全，容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)流。不僅可用于平時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)，而且特別適合承擔(dān)急難險(xiǎn)重觀測(cè)任務(wù)，因此對(duì)于在廣大中小河流和陡漲陡落山區(qū)性河流的特定環(huán)境，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

在省局領(lǐng)導(dǎo)的大力推動(dòng)下，2011年我們?cè)跐h江上游支流湑水河升仙村水文站，引進(jìn)了先進(jìn)的雷達(dá)水位計(jì)和雷達(dá)流量計(jì)測(cè)流系統(tǒng)，開始進(jìn)行雷達(dá)波測(cè)流的應(yīng)用研究，并利用該站有利的設(shè)備安裝條件，歷時(shí)三年通過變換儀器安裝高度、變換固定垂線位置等多項(xiàng)對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)工作，對(duì)雷達(dá)波測(cè)流中需要解決的問題和處理方案進(jìn)行了深入研究，取得大量對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)；分析研究了影響雷達(dá)流量計(jì)河道流量測(cè)驗(yàn)精度的主要因素，對(duì)雷達(dá)流量計(jì)流量測(cè)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，為該類儀器推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)站概況

升仙村水文站（以下簡稱試驗(yàn)站）是漢江上游北岸支流湑水河上的控制站，位于陜西省城固縣桔園鎮(zhèn)升仙村，地處東經(jīng) 107°16′，北緯33°16′，控制流域面積2143km2，距河口距離24km。該站測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水。1940年設(shè)站以來實(shí)測(cè)最大流量3130 m3/s（1980年7月3日），歷史調(diào)查最大流量6380m3/s（1864年）。該站測(cè)驗(yàn)斷面河寬176m，中泓位置大致在60m～80m，河道斷面基本穩(wěn)定。左岸為沙石河灘，右岸為人工砌護(hù)堤岸。河床由沙卵石組成，沖淤變化不大，測(cè)流斷面以上1000m處有湑惠渠攔河大壩1座，并有東、西引水渠道，最大引水流量18m3/s。該站測(cè)流斷面圖見圖1。

試驗(yàn)站測(cè)驗(yàn)斷面距離站房約1km距離較遠(yuǎn)，觀測(cè)道路為農(nóng)村機(jī)耕路，路況差，遇到洪水期，交通極為不便，測(cè)驗(yàn)工作存在較大困難。為了解決該站測(cè)驗(yàn)上的困難，2011年引進(jìn)了先進(jìn)的雷達(dá)水位計(jì)和雷達(dá)流量計(jì)，進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)研究和分析工作。

圖1 升仙村水文站2012年實(shí)測(cè)大斷面圖

圖2 雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖3 雷達(dá)波測(cè)流設(shè)備安裝圖

3 試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成和安裝

雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)由雷達(dá)波傳感器、流速信息采集終端RTU、12v免維蓄電池、太陽能板及充電控制器、通訊設(shè)備（數(shù)傳電臺(tái)）、臺(tái)式電腦等構(gòu)成。測(cè)流系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。雷達(dá)波傳感器采用德國SEBA公司生產(chǎn)的RG30雷達(dá)流量計(jì)，主要性能指標(biāo)見表1。

表1 RG30雷達(dá)流量計(jì)主要指標(biāo)表

根據(jù)測(cè)站所處的地理位置、地質(zhì)情況，以及河道特性、水流條件、水位變幅、岸坡形式等，選擇在主索行車架上安裝高頻雷達(dá)波傳感器、信息采集控制系統(tǒng)和太陽能供電系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)可以隨行車架移動(dòng)，并且不影響原測(cè)驗(yàn)纜道的正常使用。設(shè)備安裝見圖3。

4 雷達(dá)波測(cè)流若干問題的解決方案和試驗(yàn)分析

4.1 雷達(dá)波測(cè)流原理

雷達(dá)波測(cè)流主要系利用多普勒效應(yīng)（Doppler Effect）原理。當(dāng)傳感器向非均勻流水體表面發(fā)射雷達(dá)波時(shí)，非均勻流表面的雷達(dá)波反向散射體會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移的發(fā)生，接收器接收到的是頻移以后的反射波，如此即可借由頻率的改變數(shù)值，計(jì)算出非均勻流表面與雷達(dá)的相對(duì)速度，從而測(cè)得被測(cè)點(diǎn)的流速。斷面平均流速下式計(jì)算：

式中：Vm——斷面平均流速（m/s）；

Vi——水面測(cè)點(diǎn)的（代表）流速（m/s）；

K——轉(zhuǎn)換系數(shù)。

圖4 雷達(dá)流量計(jì)施測(cè)虛流量與過壩流量相關(guān)圖

圖5 儀器固定起點(diǎn)距80m不同高度試驗(yàn)相關(guān)圖

圖6 儀器安裝不同起點(diǎn)距離位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)圖

流量最終計(jì)算如下：

式中A（h）為過水?dāng)嗝婷娣e（m2,與水深有關(guān)）。

4.2 雷達(dá)波測(cè)流若干問題的解決方案和試驗(yàn)分析

根據(jù)雷達(dá)波河道流量測(cè)驗(yàn)的原理河道流量的測(cè)驗(yàn),主要決定于斷面代表流速Vi的采集和轉(zhuǎn)換系數(shù)K的確定。

4.2.1 代表流速Vi的采集

雷達(dá)波測(cè)速儀是非接觸式表面流速測(cè)驗(yàn)的儀器，一部雷達(dá)波測(cè)速儀只能測(cè)斷面上一點(diǎn)（很小范圍可視為點(diǎn)）的流速，代表流速Vi則為斷面上若干個(gè)（一個(gè)至多個(gè)）點(diǎn)流速的某種組合。該測(cè)量方法有一個(gè)前提，即代表流速與斷面平均流速要具有較好的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果代表流速為一部傳感器測(cè)得的一點(diǎn)流速，則該點(diǎn)位置的選擇尤為重要?？梢愿鶕?jù)不同情況進(jìn)行綜合分析確定。對(duì)于河床比較穩(wěn)定的測(cè)驗(yàn)斷面，有條件時(shí)應(yīng)通過實(shí)測(cè)高、中、低不同水位計(jì)斷面流速橫向分布來確定測(cè)點(diǎn)位置；已經(jīng)具有資料的測(cè)站可根據(jù)歷史實(shí)測(cè)資料分析確定河床穩(wěn)定而且中泓位置固定的“V”型小河，可通過目測(cè)確定。

試驗(yàn)站雷達(dá)波測(cè)速儀安裝在纜道行車架上，可隨行車架移動(dòng)，固定位置應(yīng)是斷面代表垂線流速與斷面平均流速關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定的垂線位置。2012年初儀器安裝到位后，為了有效開展對(duì)比試驗(yàn)分析首先進(jìn)行了雷達(dá)流量計(jì)固定位置的分析。通過選擇歷史上較大洪水過程的流量測(cè)驗(yàn)原始成果，分析起點(diǎn)距20m～120m垂線流速的代表性。通過分析，該站測(cè)驗(yàn)斷面起點(diǎn)距60m的垂線流速與斷面平均流速的關(guān)系相對(duì)比較穩(wěn)定，其相關(guān)系數(shù)為0.9981，故將雷達(dá)流量計(jì)的單點(diǎn)固定測(cè)流位置確定在起點(diǎn)距60m處。

4.2.2 轉(zhuǎn)換系數(shù)K的確定

轉(zhuǎn)換系數(shù)K可通過模型計(jì)算或通過不同水位級(jí)的比測(cè)試驗(yàn)資料分析確定關(guān)于模型計(jì)算方法可參閱有關(guān)文獻(xiàn)，本文不作詳述。

通過在試驗(yàn)站用雷達(dá)波測(cè)速儀在固定起點(diǎn)距60m處實(shí)測(cè)水面點(diǎn)代表流速計(jì)算斷面虛流量，同時(shí)實(shí)測(cè)斷面流量，共開展110次比測(cè)試驗(yàn)，比測(cè)最大流量2379m3/s。虛流量與對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)流量進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算，相關(guān)關(guān)系見圖4。經(jīng)計(jì)算其相關(guān)系數(shù)為0.9981，回歸方程為：

式中：Q——實(shí)測(cè)流量（m3/s）；

Q虛——雷達(dá)流量計(jì)實(shí)測(cè)虛流量（m3/s）。

K——流量轉(zhuǎn)換系數(shù)，固定一點(diǎn)法時(shí)為表面流代表流速與斷面平均流速換算系數(shù)。

經(jīng)過相關(guān)計(jì)算，確定固定位置表面流代表流速與斷面平均流速換算系數(shù)K=0.781。

通過轉(zhuǎn)換系數(shù)K計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量進(jìn)行誤差分析，按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-93的規(guī)定，該站流量在50m3/s以上時(shí)，測(cè)驗(yàn)誤差達(dá)到規(guī)范要求，并且經(jīng)過2012年～2015年校測(cè)，最大流量測(cè)驗(yàn)幅度達(dá)到二十年一遇，轉(zhuǎn)換系數(shù)K比較穩(wěn)定。

低水流量測(cè)驗(yàn)試驗(yàn)分析

經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析，試驗(yàn)站流量在50m3/s以上時(shí)，雷達(dá)波傳感器單一固定位置安裝測(cè)流效果很好，流量測(cè)驗(yàn)精度滿足規(guī)范要求，但是流量在50m3/s以下時(shí)，誤差較大。為了分析低水測(cè)驗(yàn)誤差較大的原因，利用試驗(yàn)站現(xiàn)有的設(shè)備條件和該站的實(shí)際水流特性，在該站分別進(jìn)行了固定測(cè)點(diǎn)對(duì)比試驗(yàn)、多線對(duì)比試驗(yàn)、儀器安裝不同高度對(duì)比試驗(yàn)、不同固定位置的比測(cè)試驗(yàn)。各種比測(cè)試驗(yàn)情況如下：

4.2.2.1 改變儀器安裝高度試驗(yàn)。改變儀器安裝高度，主要目的是增加雷達(dá)波信號(hào)的強(qiáng)度和靈敏度。試驗(yàn)時(shí)將雷達(dá)波傳感器由原來離水面高度8m改變到2.5m進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系線見圖5。從試驗(yàn)結(jié)果看未能明顯提高精度。

4.2.2.2 采用多線多點(diǎn)法比測(cè)試驗(yàn)。多線多點(diǎn)發(fā)比測(cè)試驗(yàn)，就是在一次試驗(yàn)中取多條垂線位置的流速平均值作為代表流速，目的是增加代表流速的代表性。通過比測(cè)資料分析，在試驗(yàn)站也不能得到比較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

4.2.2.3 改變固定點(diǎn)位置比測(cè)試驗(yàn)。改變固定點(diǎn)位置的目的，是探求在低水時(shí)固定點(diǎn)代表流速的穩(wěn)定性。試驗(yàn)站測(cè)驗(yàn)斷面為“U”型，流量在50m3/s以下時(shí)，水面寬度85m，平均水深0.84m,寬深比100，屬于明顯的寬淺型。試驗(yàn)時(shí)將雷達(dá)波傳感器分別安裝在起點(diǎn)距60m、70m、80m、90m，比測(cè)結(jié)果見圖 6。通過2014年前半年比測(cè)資料分析，在起點(diǎn)距80m處相關(guān)點(diǎn)比較集中，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92。說明在起點(diǎn)距80m處代表流速的代表性較好。但是在經(jīng)過一次洪水過程以后，后半年在起點(diǎn)距60m處流速的代表性又明顯好于80m處，儀器實(shí)測(cè)虛流量與實(shí)際流量點(diǎn)群集中，關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.92，說明在此階段低水部分在起點(diǎn)距60m處代表流速的代表性好。經(jīng)過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差為9.8%，隨機(jī)不確定度為19.6%，隨機(jī)不確定度接近《水文巡測(cè)規(guī)范》中二類精度站流量系數(shù)相關(guān)定線允許誤差18%標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2.4 影響河道流量測(cè)驗(yàn)精度的主要因素分析

（1）風(fēng)力風(fēng)向?qū)y(cè)流精度的影響。在雷達(dá)波流速儀測(cè)量水面流速時(shí)，水面如果有風(fēng)，則順風(fēng)水面流速會(huì)增大，逆風(fēng)水面流速會(huì)減小。水面流速越大，測(cè)驗(yàn)精度受風(fēng)的影響相對(duì)要小，流速越小，影響相對(duì)較大。這個(gè)問題的處理方法可在比測(cè)試驗(yàn)時(shí)，同時(shí)觀測(cè)風(fēng)向和風(fēng)力等級(jí)，對(duì)比測(cè)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。試驗(yàn)站位于湑水河出山谷的谷口開闊地帶，歷來風(fēng)速較大，在低水時(shí)由于風(fēng)力吹動(dòng)水面，通過雷達(dá)測(cè)速儀測(cè)得流速波動(dòng)較大，從而影響低水測(cè)驗(yàn)精度。

（2）測(cè)流角度和測(cè)流歷時(shí)的影響。從理論上說，在測(cè)流角度上，雷達(dá)波測(cè)速探頭俯角越大，與水面接觸面越小，回波信號(hào)越弱；俯角越小，與水面接觸面越大，回波信號(hào)越強(qiáng)。在暴雨情況下測(cè)流時(shí)，雖然多普勒雷達(dá)波測(cè)速傳感器設(shè)計(jì)了自動(dòng)轉(zhuǎn)換降雨模式功能，雨強(qiáng)較大時(shí)仍然會(huì)有影響，所以在測(cè)流操作中應(yīng)該調(diào)到降雨影響最小的俯角（60°）。對(duì)于低水流速較小時(shí)，在測(cè)流操作中，為加大雷達(dá)波與水面接觸面，測(cè)流角度應(yīng)該調(diào)到與水面接觸面最大的俯角（30°）。

在測(cè)驗(yàn)歷時(shí)上，由于流速越大每秒測(cè)得流速數(shù)據(jù)越多，流速越小每秒測(cè)得流速數(shù)據(jù)越少，所以流速大時(shí)，測(cè)速時(shí)間可短些，流速小時(shí)，測(cè)速時(shí)間應(yīng)長些。

（3）低水河道控制條件變化的影響。低水位級(jí)斷面比較寬淺的“U”型河道，由于過水?dāng)嗝娴膶捝畋燃哟?，水流控制條件多變，單一點(diǎn)流速的代表性較差。這時(shí)可以采用多點(diǎn)測(cè)流一般能夠提高測(cè)驗(yàn)精度。通過試驗(yàn)站試驗(yàn)分析，在低水比較寬淺的河道，如果控制條件不穩(wěn)定，將是影響低水流量測(cè)驗(yàn)精度的主要原因，需要找到控制條件相對(duì)穩(wěn)定時(shí)段具有代表性的固定安裝位置，通過比測(cè)試驗(yàn)分析，才能保證流量測(cè)驗(yàn)的精度。

5 結(jié)語

采用雷達(dá)流量計(jì)施測(cè)流量，具有測(cè)驗(yàn)設(shè)施安裝簡單、不受水草和漂浮物影響、安全性高、容易實(shí)現(xiàn)河道流量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。通過比測(cè)資料進(jìn)行系統(tǒng)的分析，試驗(yàn)站流量在50m3/s～22379m3/s時(shí)，測(cè)驗(yàn)精度達(dá)到《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179—93）浮標(biāo)法測(cè)流精度標(biāo)準(zhǔn)，是一種值得在山區(qū)中小河流測(cè)站中推廣應(yīng)用的測(cè)流手段。

雷達(dá)波測(cè)流主要需要解決兩個(gè)問題；一是傳感器安裝位置的選擇，找準(zhǔn)具有較好代表性的點(diǎn)流速位置是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波測(cè)流的關(guān)鍵之一；二是如何確定轉(zhuǎn)換系數(shù)K值，確定K值必須要通過符合條件的比測(cè)途徑。

影響雷達(dá)波測(cè)流精度的因素較多，但是在一個(gè)具體的測(cè)驗(yàn)斷面，只有一兩個(gè)主要關(guān)鍵影響因素，具體測(cè)驗(yàn)斷面，需要具體分析。比如，低水相對(duì)寬淺的河流，其固定代表點(diǎn)流速的位置可能是關(guān)鍵因素。陜西水利