藍(lán)山水文站全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)流量系數(shù)率定分析

廖旦英

（永州水文水資源勘測(cè)局藍(lán)山水文站 永州市 425800）

1 基本情況

1.1 測(cè)站、河流情況

藍(lán)山水文站位于舜水河右岸，地處藍(lán)山縣塔峰鎮(zhèn)東村，東經(jīng) 112°19′，北緯 24°55′，系舂陵水支流舜水區(qū)域代表站，集水面積254 km2。于2004年1月1日設(shè)立并進(jìn)行雨量、水位觀測(cè)，同年7月1日正式進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有：降水、水位、水質(zhì)、流量。流量為二類精度站。

該測(cè)驗(yàn)河段順直長約1 500 m，河床系卵石夾沙組成?；?50m處有一座鋼筋混凝土質(zhì)大橋—富民橋，基下280 m處也有一座鋼筋混凝土質(zhì)大橋—東門口橋。該河段下游無明顯的彎道，基本水尺斷面下游50 m處有一急灘，坡降最大，可形成天然的河槽控制，下游東門口大橋在中高水時(shí)可形成控制斷面。中、高水時(shí)主槽寬59.5m，河流水流集中。經(jīng)測(cè)量，斷面流速橫向分布與縱向分布均屬正常。該站測(cè)驗(yàn)河段兩岸均為已徹好防洪堤，經(jīng)調(diào)查測(cè)繪，大洪水時(shí)左、右岸均不漫灘。斷面呈“U”型，水流方向與基本斷面垂直，上游（4～25）km 有新田灣河、團(tuán)園河、東山河、橋頭河、沙坪河、橫江等河匯合口。河床有沖淤，不穩(wěn)定。

上游50 km處為高塘坪水電站，系從瀟水引水，通過渠道引水至舜水流域發(fā)電，該電站壩高49.1 m，庫容933萬m3，所控集水面積19.8 km2，受電站開關(guān)閘的影響，流量測(cè)驗(yàn)難以掌握，對(duì)藍(lán)山水文站斷面水位流量關(guān)系稍有影響，但影響較小。上游有幾處阻水壩用于農(nóng)田灌溉及水廠供水，對(duì)藍(lán)山站水位流量關(guān)系沒有影響。下游20 km處有滴水龍水庫，壩高10.8m，庫容170萬m3，為純發(fā)電站，對(duì)藍(lán)山站測(cè)驗(yàn)無影響。

藍(lán)山水文站水位分級(jí)為：高水270.00 m以上，中水（269.28～269.99）m，低水（269.05～269.27）m，枯水269.05 m以下。實(shí)測(cè)歷史最高洪水位271.65 m（凍結(jié)基面），流量570 m3/s,發(fā)生日期為2013年8月16日,最低水位 268.45 m（凍結(jié)基面)，相應(yīng)流量0.485 m3/s，實(shí)測(cè)水位變幅3.20 m。

1.2 全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng) S3 SVRⅣ

1.2.1 產(chǎn)品概述

全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)是傳感器型非接觸測(cè)流系統(tǒng)。由簡易纜道、雷達(dá)流速傳感器、自動(dòng)行車、測(cè)流控制器、太陽能供電系統(tǒng)和水位計(jì)組成。懸掛于簡易纜道上的自動(dòng)行車，攜帶雷達(dá)波流速傳感器，每天定時(shí)沿纜道行走并停留在逐條測(cè)流垂線位置上，測(cè)量垂線表明流速，測(cè)完所有垂線后，自動(dòng)返回停泊點(diǎn)，進(jìn)行充電。所測(cè)速和水位數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到測(cè)流控制器，經(jīng)過計(jì)算得到流量。所有數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS模塊發(fā)送到測(cè)流平臺(tái)，無需人工操作，方便快捷，省時(shí)省力。

1.2.2 全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng) S3 SVRⅣ技術(shù)參數(shù)

測(cè)速范圍：（0.2～18）m/s； 測(cè)速精度： ±0.05 m/s；測(cè)速計(jì)時(shí)：精度 1 s，分辨率 0.1 s；測(cè)速歷時(shí)：（0～99.9）s；波束寬度： 12°；發(fā)射功率：50 mW；微波頻率：Ka波段； 有效測(cè)程：（0～100）m； 工作方式：手動(dòng)、全自動(dòng)遙測(cè)；有效測(cè)程：（0～100）m；行車速度： ≤60 m/min；故障反應(yīng)：出現(xiàn)故障后自動(dòng)返回停泊點(diǎn)；無線通信：通信距離1 000 m；行車定位精度：±1‰；供電狀況：24 V鋰電池，連續(xù)運(yùn)行3 h以上；無線模塊：電臺(tái)475 MHz；適用環(huán)境：全天候，雷雨天可正常測(cè)流。

2 比測(cè)目的和內(nèi)容

藍(lán)山水文站屬于陡漲陡落的山區(qū)河流，漲落快，水位變化急劇，峰頂持續(xù)時(shí)間極短，高水時(shí)漂浮物多，對(duì)流速儀施測(cè)有一定的影響，且受上游電站開關(guān)閘影響，流量測(cè)驗(yàn)難以掌握。于2016年4月底配備了全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng) 一套。為了分析全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)流量與該斷面穩(wěn)定流量的相關(guān)關(guān)系，充分發(fā)揮該系統(tǒng)無人值守、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，采用LS（25-1）轉(zhuǎn)子式流速儀與全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)的成果進(jìn)行對(duì)比分析。

3 全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)比測(cè)情況

（1）比測(cè)斷面：藍(lán)山站流速儀測(cè)流斷面。

（2）比測(cè)儀器：采用全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)和LS（25-1）轉(zhuǎn)子式流速儀。

（3） 比測(cè)方法：根據(jù)湘水文測(cè)［2003］第 34號(hào)文，藍(lán)山水文站自2004年4月1日起實(shí)行流量測(cè)驗(yàn)。方案為采用纜道流速儀測(cè)流，流速儀流量測(cè)驗(yàn)方案為9/0.6；垂線數(shù)為9線。借用流速儀施測(cè)流速，采用流速面積法計(jì)算流量。在轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)速的同時(shí)，全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)也同步施測(cè)流速。全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)虛流量采用借用流速儀斷面水深和全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)流速進(jìn)行計(jì)算。

（4）比測(cè)次數(shù)：在4～8月各級(jí)水位共進(jìn)行了43次流量比測(cè)，每次測(cè)有9線，即測(cè)速比測(cè)了387次。漲落率大和風(fēng)速大時(shí)未進(jìn)行比測(cè)；在比測(cè)的43次流量中，實(shí)測(cè)最大流量371 m3/s，相應(yīng)水位270.65 m,實(shí)測(cè)最小流量7.76 m3/s，相應(yīng)水位268.86 m，水位變幅1.79 m，包括了所有水位級(jí)。原始分析資料準(zhǔn)確、可靠、比測(cè)成果合理。

（5）誤差分析：測(cè)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水流出現(xiàn)紊流時(shí)，全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)不到流速，故應(yīng)查明原因，消除影響后方可使用；當(dāng)水位變化急劇時(shí)，全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)所施測(cè)的流量與流速儀施測(cè)的流量由于所需測(cè)流時(shí)間上的差異，水位變幅不一致，導(dǎo)致所測(cè)流量差異大，故不作為比測(cè)資料分析。對(duì)于低速水流，風(fēng)速的影響也極大，因此測(cè)量結(jié)果可能無法反映實(shí)際速度。在比測(cè)過程中，為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，都避開水位變幅急劇和風(fēng)速大的天氣進(jìn)行，所比測(cè)的43次流量受外界因素影響很小，全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子式流速儀流量的誤差符合規(guī)范要求。

（6） 實(shí)測(cè)流量范圍：（7.76～371）m3/s， 比測(cè)流量范圍達(dá)98%。

4 全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)系數(shù)分析

4.1 分析方法

以同一水位，LS（25-1）轉(zhuǎn)子式流速儀所測(cè)流量為縱坐標(biāo)、全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)同步所測(cè)流量為橫坐標(biāo)點(diǎn)繪關(guān)系圖，進(jìn)行對(duì)比分析，求出關(guān)系式。

4.2 相關(guān)系數(shù)分析

通過采用LS（25-1）轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測(cè)流量與全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量進(jìn)行曲線擬合，綜合相關(guān)系數(shù) R=1.00，LS（25-1）轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測(cè)流量與全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量關(guān)系為冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為y=0.3957 x1.1138。線型關(guān)系詳見附圖。

4.3 關(guān)系線檢驗(yàn)

通過3種檢驗(yàn)分析，從分析成果可見，比測(cè)43次的LS（25-1）轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測(cè)流量與全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量符合曲線關(guān)系，經(jīng)檢驗(yàn)計(jì)算，隨機(jī)不確定度為4.2%,系統(tǒng)誤差為0.2%，滿足規(guī)范要求。檢驗(yàn)成果見表1。

附圖 藍(lán)山站LS(25-1)轉(zhuǎn)子式流速儀流量與雷達(dá)波在線測(cè)流流量關(guān)系圖

5 結(jié)論

（1）全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量與LS（25-1）轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測(cè)流量關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系，原始分析資料準(zhǔn)確、可靠，比測(cè)成果合理。

（2）流量相關(guān)關(guān)系式采用：全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量計(jì)算公式為y=0.3957x1.1138，見表 2。

表1 藍(lán)山站纜道雷達(dá)波在線測(cè)流與轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)流比測(cè)成果表

續(xù)表1

表2 藍(lán)山站轉(zhuǎn)子式流速儀～雷達(dá)波在線測(cè)流流量關(guān)系線檢驗(yàn)計(jì)算表

（3）測(cè)驗(yàn)條件要求：全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)在出現(xiàn)紊流時(shí)，不適合進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，對(duì)于低速水流，風(fēng)速的影響也極大，也應(yīng)避開。

（4）相關(guān)關(guān)系式的使用。參照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》第4.8.1條，采用全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)時(shí)，全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)流量按下式計(jì)算：

式中Q——斷面流量（m3/s）；

Q雷——全自動(dòng)雷達(dá)波在線纜道測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)出的虛流量（m3/s）。