中小河流雷達(dá)水位計(jì)在特大洪水測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

戰(zhàn)偉

中小河流雷達(dá)水位計(jì)在特大洪水測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

戰(zhàn)偉

（吉林省水文水資源局白山分局，吉林白山134300）

中小河流水文站的雷達(dá)水位計(jì)通過2015年在吉林省開始使用至今，經(jīng)過三年的測(cè)驗(yàn)分析，已能滿足發(fā)生大洪水時(shí)的流量測(cè)驗(yàn)與預(yù)報(bào)，由于雷達(dá)水位計(jì)是通過觀測(cè)上、下斷面的水位和測(cè)量斷面面積，通過比降面積法即曼寧公式的應(yīng)用，來實(shí)現(xiàn)對(duì)斷面流量的測(cè)量監(jiān)控。來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測(cè)量，不但數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿楸O(jiān)控中心，為下游城鎮(zhèn)防汛做到耳目與尖兵的作用；又能保證以往測(cè)驗(yàn)人員的安全。

中小河流；雷達(dá)水位計(jì)；特大洪水；測(cè)驗(yàn)；比降面積法

中小河流水文站的建設(shè)，采用上、下斷面各安裝一個(gè)雷達(dá)水位計(jì)的方式，可以對(duì)上、下比降斷面的水位實(shí)時(shí)觀測(cè)、傳輸，水情中心接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析計(jì)算，從而得到測(cè)驗(yàn)斷面的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)。安裝雷達(dá)水位計(jì)后，即使發(fā)生超歷史洪水，在人員無法正常觀測(cè)水位的時(shí)候，雷達(dá)水位計(jì)依然會(huì)測(cè)驗(yàn)到斷面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這與常規(guī)水文站的流量測(cè)驗(yàn)有很大的改變與不同。不同的水位采取不同的測(cè)驗(yàn)方法：3.00 m以下采用涉水作業(yè)；3.00～4.50 m采用船上作業(yè)；4.50～6.00 m采用均勻浮標(biāo)；6.00 m采用走航式多普勒剖面流速儀（ADCP）；6.00 m以上采用天然浮標(biāo)（中泓）觀測(cè)臨時(shí)水尺水位、臨時(shí)比降水尺比將。

1 測(cè)站現(xiàn)狀

1.1 影響人員設(shè)備安全的因素

目前條件下常規(guī)水文站進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)工作時(shí)仍然存在著影響人員和設(shè)備安全的隱患。測(cè)驗(yàn)時(shí)，雖然在河的兩岸架設(shè)了吊船移渡鋼索，上船測(cè)量人員身穿救生衣、攜帶安全斧等輔助設(shè)備，但由于山區(qū)性河流淌急，水中各類漂浮物眾多，仍對(duì)人員和儀器設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重安全危險(xiǎn)。小河站的特性是水位變化快、流速大、持續(xù)時(shí)間短，而且測(cè)量人員沒有進(jìn)行專業(yè)技能培訓(xùn)和應(yīng)急演練，專業(yè)監(jiān)測(cè)能力低，因此增加了存在安全隱患的可能性

1.2 斷面狀況因素

大斷面河床為梯形，斷面河床由護(hù)提、卵石、沙土組成，河床沖淤嚴(yán)重。水文站水尺設(shè)在右岸，基本水尺斷面以上170 m處為浮標(biāo)投放斷面，設(shè)有浮標(biāo)投放器。右岸為菜地和房屋，在江堤與菜地之間有1條3 m寬的沿河路；左岸為高山，左岸與山體之間是7 m寬的沿河路，是進(jìn)行浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)的工作場(chǎng)所。當(dāng)水位達(dá)到6 m以上，左岸延河路開始上水，浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)存在危險(xiǎn)。

在基本斷面下游300 m處，為3洞拱橋，當(dāng)水位達(dá)到6 m時(shí)，橋身阻水嚴(yán)重，存在橋塌的危險(xiǎn)。此橋?yàn)闇y(cè)量浮標(biāo)時(shí)儀器的設(shè)立場(chǎng)所，也是公路段上出村的必經(jīng)之路。

1.3 上游水電站的調(diào)節(jié)及其影響

在此站上游8 000 m處是小湖電站，電站集水面積703 km2，庫容25萬m3。在洪水期，水電站放水會(huì)直接導(dǎo)致水位流量急劇增加，如果在此期間進(jìn)行河道上作業(yè)，急劇上漲的河水會(huì)對(duì)作業(yè)人員造成生命危險(xiǎn)，同時(shí)還存在垮壩的危險(xiǎn)。

2 雷達(dá)水位計(jì)工作原理--比降面積法

雷達(dá)水位計(jì)能及時(shí)、準(zhǔn)確地推算出實(shí)時(shí)流量，一方面是實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化的傳輸技術(shù)，將觀測(cè)、傳輸、接收融為一體，通過SIM卡和衛(wèi)星頭雙重保障的高科技方法；另一方面是其計(jì)算方法——比降面積法，此方法是適用于河流不能采用精度較高的測(cè)流方法施測(cè)流量時(shí)的近似計(jì)算方法。

比降面積法是用河段水面比降與斷面面積作為主要因素計(jì)算流量的一種方法,用在以下情況：在稀遇洪水無法用流速儀法、浮標(biāo)法施測(cè)時(shí),為確定水位流量關(guān)系曲線高水端的極點(diǎn)，以延長(zhǎng)水位流量關(guān)系曲線；在水位流量關(guān)系穩(wěn)定的測(cè)站進(jìn)行停測(cè)和開展巡測(cè)工作；在水利規(guī)劃中進(jìn)行歷史洪水調(diào)查。

糙率n為中小河流水文站在上、下比降斷面各建設(shè)一個(gè)雷達(dá)水位計(jì)，觀測(cè)上、下比降水位，并點(diǎn)繪Z～n曲線，見圖1。

橫斷面測(cè)量應(yīng)盡可能和水位觀測(cè)同時(shí)進(jìn)行，在測(cè)驗(yàn)河段內(nèi)一般不少于3個(gè)斷面。

河段平均斷面面積 A-的計(jì)算：

河段選擇的條件，必須滿足測(cè)站布設(shè)中比降水尺河段選擇的條件，為了保證精度，河段水面落差至少要10倍于落差觀測(cè)誤差。河段內(nèi)要求河槽穩(wěn)定，糙率穩(wěn)定，精度較高。

圖1 中小河流水文站水位Z與糙率n關(guān)系圖

3 應(yīng)用

三道溝門水文站的水文測(cè)驗(yàn)歷來高度重視安全生產(chǎn)工作，對(duì)水文防汛測(cè)報(bào)都是早計(jì)劃、早布置、早安排，確保安全度汛。根據(jù)現(xiàn)有的配備情況，為迎接特大洪水，做出以下具體測(cè)驗(yàn)方案：

1）與上游水電站的聯(lián)絡(luò)保持暢通，隨時(shí)掌握最新的水情信息；在水電站出水河段安裝雨水情遙測(cè)系統(tǒng)，隨時(shí)可以觀測(cè)及預(yù)報(bào)出降水量和排水量的數(shù)據(jù)，做到提前準(zhǔn)備，及時(shí)做出應(yīng)對(duì)方案。

2）在出現(xiàn)大洪水時(shí)，如果在指定浮標(biāo)斷面不能安全進(jìn)行浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)，則在橋上使用走航式多普勒剖面流速儀（ADCP）進(jìn)行測(cè)流（由于漂浮物多、流速大，平時(shí)不建議使用）。

3）在出現(xiàn)特大洪水時(shí)，橋上作業(yè)也存在危險(xiǎn)，應(yīng)及時(shí)向政府和防汛工作人員建議，村民撤離到地勢(shì)高的山上。選擇順直河道進(jìn)行天然浮標(biāo)（中泓）測(cè)驗(yàn)；設(shè)立臨時(shí)水尺觀測(cè)水位、臨時(shí)比降水尺觀測(cè)比將，計(jì)算出兩山之間的斷面面積推算流量，同時(shí)用比將面積法計(jì)算流量，做好防汛抗洪的數(shù)據(jù)保障工作。

當(dāng)洪水退落后，及時(shí)觀測(cè)洪痕，測(cè)量最高水位內(nèi)的所有斷面轉(zhuǎn)折點(diǎn)，精確的計(jì)算出洪水的流量。天然浮標(biāo)（中泓）法和水位--流量關(guān)系曲線延長(zhǎng)法的高水延長(zhǎng)的主要依據(jù)是實(shí)測(cè)大斷面資料。這兩種方法都是在斷面沖淤變化不大時(shí)，一般可用斷面流量計(jì)算公式：

式中：Q為流量，m3/s；Kmf為中泓浮標(biāo)系數(shù)；Vmax為中泓流速，m/s；F 為斷面面積，m2。

和用水位面積、水位流速關(guān)系曲線法及水力學(xué)公式法延長(zhǎng)。但對(duì)于河床沖淤嚴(yán)重的水文站，以上2種方法都不適合。因此，在特大洪水時(shí)使用可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上、下斷面水位變化情況的雷達(dá)水位計(jì)來觀測(cè)上、下比降斷面的水位，從而使用比降面積法推算出實(shí)時(shí)流量最為適用。以某站2015年第31次流量為例，見表1、圖2。測(cè)站施測(cè)時(shí)間是2015年8月30日9時(shí)到10時(shí)，水位5.28 m，平均流速0.16 m/s，最大測(cè)點(diǎn)流速3.07 m/s，斷面流量178 m3/s，斷面面積82.4 m2，水面寬63 m，平均水深1.31 m，最大水深1.95 m。

表1某站2015年第31次流量計(jì)算表

因此 Q=82.4×2.15=177 m3/s。

比降面積法算出的流量為177 m3/s，正常測(cè)驗(yàn)算的流量為178 m3/s，其誤差為0.56%小于高水允許誤差（3%），因此使用比降面積法計(jì)算成果合理。

圖2 某中小河流水文站大斷面圖

4 結(jié)語

經(jīng)過以上計(jì)算成果證明，安裝雷達(dá)水位計(jì)的中小河流水文站在發(fā)生特大洪水時(shí)候，當(dāng)其他測(cè)驗(yàn)方法難以進(jìn)行安全測(cè)驗(yàn)的情況下，適合使用比降面積法計(jì)算。

雖然比降面積法計(jì)算成果在誤差允許范圍內(nèi)，但是用此方法計(jì)算的結(jié)果在資料整編時(shí)被定為三極品，是在不能采用精度較高的測(cè)流方法施測(cè)流量時(shí)的近似計(jì)算方法。因此，平時(shí)不使用此方法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。

P332 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

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1002—0624（2017）12—0048—02

2017-08-16