雷達(dá)波流速儀在卡洛特工程專用水文站的應(yīng)用

孫明元 黃晶晶

摘要：目前轉(zhuǎn)子式流速儀、ADCP等接觸式流量測驗(yàn)儀器存在遇到大洪水及有漂浮物時(shí)無法施測的問題，且常規(guī)測驗(yàn)方法測驗(yàn)歷時(shí)長、儀器設(shè)備操作專業(yè)性強(qiáng)，不適合在安全形勢不穩(wěn)定地區(qū)特殊水情出現(xiàn)時(shí)使用。雷達(dá)波流速儀作為一種非接觸式流量測驗(yàn)儀器，具有操作簡單、使用機(jī)動(dòng)靈活、測驗(yàn)精度較高等特點(diǎn)，非常適合在境外水電工程水文測驗(yàn)中使用。以巴基斯坦卡洛特水電工程流量測驗(yàn)為例，分析了雷達(dá)波流速儀水面系數(shù)率定過程。在與LS25-3A流速儀比測后，相關(guān)分析表明，采用有截距的回歸方程能夠有效減小低水部分流量測驗(yàn)誤差，提高雷達(dá)波流速儀測驗(yàn)精度。雷達(dá)波流速儀作為一種備用方案，可用于專用水文站流量測驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)波流速儀;流量測驗(yàn);卡洛特水電項(xiàng)目;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：P332.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019.07.002

1 巴基斯坦卡洛特專用水文站概況

巴基斯坦卡洛特水電項(xiàng)目是“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”首批能源優(yōu)先開發(fā)項(xiàng)目，備受國內(nèi)外關(guān)注。巴基斯坦卡洛特專用水文站（以下簡稱“專用站”）位于壩址下游約2 km處，主要任務(wù)為在工程施工期收集水位、流量、泥沙、氣象等資料，滿足工程區(qū)水情預(yù)報(bào)和報(bào)汛需要。

專用站測驗(yàn)河段具有典型的山溪性河流特征，落差大，中低水水面比降達(dá)3.1‰，河水陡漲陡落，水位年變幅約為10 m，2017年實(shí)測最大流速5.01 m/s。流量測驗(yàn)斷面兩岸均為堅(jiān)硬巖石，斷面穩(wěn)定呈V形。

由于專用站距工程區(qū)域較遠(yuǎn)，鑒于巴基斯坦的安全形勢，安保要求較高，測驗(yàn)人員面臨一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，在特殊情況下雷達(dá)波流速儀測流較其他測流方式具有明顯優(yōu)勢。

2 雷達(dá)波流速儀簡介

雷達(dá)波流速儀是一種利用雷達(dá)波多普勒效應(yīng)以非接觸方式測量水流表面流速的儀器。雷達(dá)波流速儀流量測驗(yàn)在國內(nèi)不同河流和環(huán)境進(jìn)行了大量測試，測驗(yàn)成果指標(biāo)均符合水文測驗(yàn)規(guī)范要求[1]。專用站使用的雷達(dá)波流速儀采用美國ACI公司S3 SVR雷達(dá)波測速探頭，應(yīng)用無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測流系統(tǒng)開展流量測驗(yàn)。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

測速范圍：0.20～18.0 m/s;

測速精度：+0.05 m/s;

波束寬度：12。;

微波功率：50 mW;

微波頻率：Ka波段，34.7GHz;

無線模塊通信距離600 m。

無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測流系統(tǒng)由雷達(dá)波測速探頭、電動(dòng)行車、無線信號(hào)傳輸裝置、測流軟件、簡易纜道等部分組成，通過岸上計(jì)算機(jī)使用測流軟件控制可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波流速儀沿簡易纜道自動(dòng)定位，自動(dòng)測速，自動(dòng)返回等一系列功能。

無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測流系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、操作簡便、測驗(yàn)歷時(shí)短、可現(xiàn)場安裝，測驗(yàn)完成后拆卸裝箱，攜帶方便，經(jīng)過簡單培訓(xùn)一個(gè)人即可獨(dú)立操作完成測驗(yàn)任務(wù)。

3 雷達(dá)波流速儀流量比測試驗(yàn)

為了提高流量測驗(yàn)成果質(zhì)量，雷達(dá)波流速儀在使用前需開展比測試驗(yàn)，確定水面流速系數(shù)K值[2]。專用站于2017年5-12月開展了雷達(dá)波流速儀與LS25-3A流速儀流量比測試驗(yàn)，期間共開展流量比測18次。比測時(shí)雷達(dá)波流速儀放置在水文纜道主索上游2m處的一根4.2 mm懸索上，雷達(dá)波探頭俯角保持45°固定，由電腦無線控制行車自動(dòng)實(shí)現(xiàn)固定垂線測速，其固定垂線與纜道流量測驗(yàn)垂線一致。同時(shí)水文纜道采用流速儀2點(diǎn)法施測流量，盡量保持兩者測驗(yàn)平均時(shí)間重合。由于兩斷面相距較近，流量計(jì)算時(shí)采用LS25-3A流速儀測流斷面的大斷面成果，雷達(dá)波流速儀流量采用公式Q= 0.960Q雷 - 36.7計(jì)算，其中，Q雷為雷達(dá)波流速儀虛流量。比測范圍見表1。

全年水位變幅為10.04 m，雷達(dá)波流速儀流量測點(diǎn)主要分布在中低水區(qū)間，水位變幅占全年水位變幅的62%。

4 流速比測試驗(yàn)分析

雷達(dá)波流速儀所測得的垂線水面虛流速V雷與垂線實(shí)際水面流速voo存在一定的關(guān)系[3]，由于專用站流量常規(guī)測驗(yàn)方法為LS25-3A流速儀2點(diǎn)法，所以采用垂線相對水深0.2處的流速與雷達(dá)波流速儀測得流速繪制相關(guān)關(guān)系曲線。

選用LS25-3A流速儀流量測驗(yàn)時(shí)水位變幅較小的9次成果，摘錄相同垂線雷達(dá)波流速儀測得水面虛流速V雷與LS25-3A流速儀在相對水深0.2處的流速V0.2，共48組流速數(shù)據(jù)繪制相關(guān)關(guān)系圖。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

通過分析，相關(guān)關(guān)系為帶截距的線性回歸方程，見圖1。雷達(dá)波測得的水面實(shí)際流速Voo按公式V0.0=0.839V雷+0.126計(jì)算（水面實(shí)際流速無法實(shí)測，近似認(rèn)為水面以下0.2的流速與水面流速相同）。此方程表明，當(dāng)雷達(dá)波流速儀測得的流速為零時(shí)，水面流速并不為零，雷達(dá)波測速探頭測得的流速與水面流速之間并不成正比例關(guān)系。這一點(diǎn)在雷達(dá)波測速儀應(yīng)用相關(guān)的論文中可以得到印證[1-2]。

由此可以推斷，雷達(dá)波流速儀測得的水面虛流速與垂線平均流速存在如下關(guān)系：式中，Q為斷面實(shí)際流量;Q雷為雷達(dá)波虛流量; a為岸邊系數(shù);A為斷面面積。

經(jīng)過推導(dǎo)，可以得到雷達(dá)波流速儀計(jì)算的虛流量Q雷與斷面實(shí)際流量Q之間的關(guān)系式，因不光滑陡岸岸邊系數(shù)0.8對斷面面積A影響較小，故采用近似值bA。bA并非常數(shù)，而是一個(gè)隨水位變化的函數(shù)。實(shí)踐表明，斷面流量較小時(shí)，bA部分對斷面總流量影響較大;斷面流量較大時(shí)，bA部分對斷面總流量影響較小;故而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可用一個(gè)綜合常數(shù)代替處理。

5 雷達(dá)波流速儀水面流速系數(shù)分析

2017年專用站共開展比測試驗(yàn)18次，以LS25-3A流速儀測得流量為真值建立水位一流量關(guān)系。由于LS25-3A流速儀測流時(shí)間較長，一般為1.5 h左右，測流期間水位變幅可以達(dá)到10-20 cm，而雷達(dá)波流速儀測流時(shí)間較短，僅需20 min左右，若用LS25-3A流速儀法測得的流量與雷達(dá)波流速儀測得的虛流量直接建立相關(guān)關(guān)系分析水面流速系數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大偏差。所以采用雷達(dá)波流速儀測得的虛流量與雷達(dá)波測流平均時(shí)間對應(yīng)的LS25-3A流速儀關(guān)系曲線的查線流量建立相關(guān)關(guān)系，通過分析確定雷達(dá)波流速儀水面流速系數(shù)（見表3）。

通過分析，建立了兩種相關(guān)關(guān)系，第一種為不帶截距的直線關(guān)系（見圖2），另外一種是帶有截距的直線關(guān)系（見圖3）。利用兩種直線回歸方程分別計(jì)算雷達(dá)波流量相對誤差，直線回歸方程1在雷達(dá)波流速儀測得的虛流量小于550m3/s時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的相對誤差，最大達(dá)到了29.96%，虛流量越小相對誤差越大，無法滿足規(guī)范要求。而采用直線回歸方程2計(jì)算的雷達(dá)波流量，低水部分相對誤差明顯減小，高水部分相對誤差變化不大，系統(tǒng)誤差從4.5%降至0.6%。

用直線回歸方程2計(jì)算得到的流量繪制水位一流量關(guān)系曲線并進(jìn)行3種檢驗(yàn)，結(jié)果全部合格，系統(tǒng)誤差0.6%，標(biāo)準(zhǔn)差5.0%，隨機(jī)不確定度10.0%，滿足二類精度水文站單一曲線定線精度要求[5]。

通過分析最終確定Q= 0.960Q雷 - 36.7為專用站雷達(dá)波流速儀實(shí)測流量計(jì)算公式，流量測驗(yàn)結(jié)束后通過式（4）計(jì)算雷達(dá)波流速儀虛流量，再通過上式計(jì)算實(shí)測流量，分析表明各項(xiàng)指標(biāo)滿足流量測量精度要求，雷達(dá)波流速儀可以在卡洛特專用站投產(chǎn)使用。

6 結(jié)論

（1）通過一系列的分析表明，雷達(dá)波流速儀測得的虛流速與垂線平均流速之間的相關(guān)關(guān)系并不是正比例關(guān)系，通過建立的相關(guān)關(guān)系推斷雷達(dá)波流速儀測得的虛流速為零時(shí)水面流速并不為零。由此推斷，雷達(dá)波流速儀測得的虛流量與流量真值之間也不是簡單的正比例關(guān)系。

（2）在卡洛特專用水文站雷達(dá)波流速儀比測實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，相關(guān)關(guān)系Q=KQ雷得到的水面流速系數(shù)在低水部分會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，不能滿足規(guī)范要求。而采用帶有截距的直線相關(guān)關(guān)系可有效地減小低水部分流量擬合的相對誤差，提高雷達(dá)波流速儀流量測驗(yàn)精度。

（3）雷達(dá)波流速儀在卡洛特專用站的運(yùn)用表明，雷達(dá)波流速儀具有測驗(yàn)精度高、操作簡便、測驗(yàn)歷時(shí)短、節(jié)省人力的優(yōu)勢，還可有效提高流量測驗(yàn)的效率。在工程水文測驗(yàn)中，特別是在自然環(huán)境惡劣、安全風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)，可作為常規(guī)或補(bǔ)充的測驗(yàn)方式。

參考文獻(xiàn)：

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[3]楊志紅，張春林，王漢卿.雷達(dá)波流速儀流量測驗(yàn)水面流速系數(shù)分析研究[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2015 （4）： 97-99.

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[5] SL247-2012水文資料整編規(guī)范[S].