纜道雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)在青海三江源區(qū)的流量系數(shù)比測分析

高強(qiáng) 邢曉萍 王星星

摘要：三江源區(qū)地處青藏高原腹地，平均海拔3 500～4 800 m，該地區(qū)具有高寒、缺氧、紫外線強(qiáng)的特點，傳統(tǒng)的河流流量測驗方式在該地區(qū)具有一定的局限性，隨著水文現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，實現(xiàn)河流流量在線監(jiān)測勢在必行。試驗以黃河流域黃河水系隆務(wù)河區(qū)域代表站同仁站為例，分析了纜道雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)在同仁站的流量系數(shù)，確定了流量系數(shù)的合理性，為實現(xiàn)三江源區(qū)河流流量在線監(jiān)測推進(jìn)了一步。

關(guān)鍵詞：三江源區(qū);雷達(dá)波在線測流系統(tǒng);流量系數(shù);比測分析

中圖分類號：P332? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）21-0180-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.040

Abstract： Sanjiangyuan region is located in the hinterland of the qinghai-tibet plateau， with an average elevation of 3 500 to 4 800 m. The area is characterized by high cold， hypoxia and strong ultraviolet rays. The traditional river flow test method has certain limitations in the area， and with the continuous development of hydrology modernization， It is imperative to realize on-line monitoring of river flow. Taking the representative station of longwu river area of yellow river system in yellow river basin as an example， this paper analyzes the flow coefficient of the on-line flow measurement system of cable radar wave in tongren station， analyzes and determines the rationality of flow coefficient. It is a step forward to realize the on-line monitoring of river flow in Sanjiangyuan region.

Key words： Sanjiangyuan region; radar wave online flow measurement system; flow factor; comparison analysis

2007年7月根據(jù)《青海三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程水資源監(jiān)測實施方案》，為落實三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)規(guī)劃，不斷改善高原生態(tài)環(huán)境，掌握水量動態(tài)變化過程，研究水量隨環(huán)境變化的規(guī)律，確定11處水文監(jiān)測站點，即在該地區(qū)已有的沱沱河、直門達(dá)、新寨、上村、大米灘、同仁、班瑪7處水文站的基礎(chǔ)上，新建了雁石坪、隆寶灘、香達(dá)（瀾滄江干流）、下拉秀（瀾滄江一級支流子曲）4處水文巡測站，這些站點的監(jiān)測不僅為三江源國家公園建設(shè)、生態(tài)保護(hù)與建設(shè)等項目工程提供了水文服務(wù)，而且對水文現(xiàn)代化建設(shè)做出了積極貢獻(xiàn)。

根據(jù)工作需要，纜道雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)在同仁站建成并投入使用，在正式使用之前必須事先通過比測分析取得測驗斷面的流量系數(shù)[1]，因此開展同仁站纜道雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)流量系數(shù)比測分析工作。

1? 基本情況

1.1? 測站基本情況

同仁水文站坐落于青海省黃南州同仁縣鐵吾村，位于青藏高原的東北部，地處黃土高原和青藏高原的過渡地帶，氣候及下墊面情況特殊，地理位置如圖1所示。1957年5月設(shè)立，東經(jīng)102°01′，北緯35°31′，集水面積2 832 km2，為區(qū)域代表站，屬省級重要水文站，精度類別為二類精度流量站和二類精度泥沙站。該站測驗河段順直長度約160 m，下游約100 m處有一急彎，基下50 m處橋墩對高水起控制作用，斷面設(shè)有基本水尺斷面兼流速儀測流斷面，上下比降、浮標(biāo)斷面，河床系砂礫石組成，沖淤變化不大，各級水位與流量關(guān)系穩(wěn)定。

1.2? 纜道雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)基本情況

纜道雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)是根據(jù)中小河流水流急、漂浮物多、河水陡漲陡落的特點，設(shè)計的流量自動測報系統(tǒng)[2]。通過在測流斷面上架設(shè)簡易纜繩，測流控制器（RTU）控制雷達(dá)波測速行車的走航，完成固定垂線的水面流速測驗，乘以過水?dāng)嗝婷娣e及流量系數(shù)，得到測流斷面的實測流量，用于替代傳統(tǒng)流速儀法及浮標(biāo)法，從而實現(xiàn)流量的在線監(jiān)測。系統(tǒng)由測站設(shè)備、服務(wù)器管理軟件、中心水文站軟件三部分組成。其中測站設(shè)備由簡易纜道、測流控制器、雷達(dá)流速傳感器、自動行車、水位計、太陽能供電系統(tǒng)、附屬傳感器（風(fēng)速傳感器、溫度傳感器、視頻監(jiān)控頭等）組成，詳見圖2。

2? 比測資料的收集整理

2.1? 比測方法

通過安裝調(diào)試，纜道雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)于2018年4月20日正式啟用，流量自動監(jiān)測時間設(shè)定為每日8：00和20：00，每次測流時啟動纜道雷達(dá)波測流系統(tǒng)，與流速儀實測流量進(jìn)行比測。為增加比測樣本數(shù)量，以滿足分析工作需要，該站斷面穩(wěn)定，水位與流量關(guān)系曲線線性較好，故將雷達(dá)波測流機(jī)器人測流時的相應(yīng)水位查線流量值作為實測值進(jìn)行比測分析。

K=Q/Qf

式中，K為流量系數(shù);Q為斷面實測流量（查線流量或流速儀法實測流量）;Qf為斷面虛流量（雷達(dá)波測流流量）。

2.2? 資料收集整理與合理性檢查

2.2.1? 資料收集? 從4月20日投入使用以來，選取4月20日至8月23日之間雷達(dá)波測流系統(tǒng)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)中每日8：00和20：00監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及測流時比測資料，共收集75份比測資料。流量系數(shù)比測期間水位在2 460.47～2 461.42 m，變幅為0.95 m;實測流量在8.90～94.80 m3/s，變幅為85.90 m3/s。全年水位在2 460.27～2461.42 m，變幅為1.15 m;流量在3.15～94.80 m3/s，變幅為91.65 m3/s。比測期間的水位變幅占年變幅的82.6%，流量變幅占年變幅93.7%。

2.2.2? 合理性檢查? 在比測資料分析中，采用流速儀法實測流量15次，其余為查線流量。在75個樣本中，剔除過多同級水位流量及系數(shù)值超過理論值范圍的樣本。因此，比測期間共收集到較合理的比測樣本50個（表1），依據(jù)這些比測樣本進(jìn)行流量系數(shù)分析。

該站雷達(dá)波測流斷面與基本水尺斷面重合，從4月開始，分別于4月16日、5月26日、7月22日、7月29日、8月15日共實測5次大斷面，從5次測量結(jié)果可以看出，該站斷面基本穩(wěn)定。

2.2.3? 水位與流量關(guān)系曲線合理性檢查? 該站控制條件和河床基本穩(wěn)定，水位流量關(guān)系曲線為單一曲線，與歷年單一曲線相吻合。通過單站合理性分析，水位與流量過程曲線變化一致，實測點無系統(tǒng)偏離，相對偏離值在規(guī)定范圍內(nèi)，故所確定的水位流量關(guān)系曲線符合測站特性，可靠。推流數(shù)據(jù)采用南方片水文資料整匯編軟件處理，成果符合規(guī)范要求[3，4]。

3? 流量系數(shù)的分析確定

3.1? 斷面虛流量與實測流量相關(guān)性分析

以斷面實測流量Q實為縱坐標(biāo)，斷面虛流量Q虛為橫坐標(biāo)建立關(guān)系（圖3），并進(jìn)行相關(guān)性分析，R2=0.988 9，顯著相關(guān)，說明雷達(dá)波所測得的虛流量與斷面實流量之間具有高度的線性相關(guān)關(guān)系。

3.2? 流量系數(shù)確定

3.2.1? 算術(shù)平均法? 計算樣本單次流量系數(shù)算術(shù)平均值，則雷達(dá)波流量系數(shù)：

式中，K為雷達(dá)波流量系數(shù);Ki為第i次雷達(dá)波流量系數(shù);n為樣本個數(shù)，為50。

3.2.2? 相關(guān)系數(shù)法? 以查線法或流速儀法測得流量為縱坐標(biāo)，雷達(dá)波測得虛流量為橫坐標(biāo)建立關(guān)系圖，雷達(dá)波流量系數(shù)分別采用0.81、0.82、0.83、0.84、0.85且過點群中心繪制相關(guān)關(guān)系線（圖4），并做符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗，檢驗結(jié)果統(tǒng)計見表2。由表2可知，當(dāng)系數(shù)值為0.81、0.82、0.84、0.85時，關(guān)系線不能通過三種檢驗，當(dāng)系數(shù)值為0.83時，各項檢驗均合格，其標(biāo)準(zhǔn)差為2.9%，系統(tǒng)誤差為0.6%，確定雷達(dá)波流量系數(shù)為0.83。

4? 系數(shù)的應(yīng)用與驗證

4.1? 流量數(shù)據(jù)的一致性分析

對選用的雷達(dá)波流量分析資料用已確定的流量系數(shù)K=0.83進(jìn)行改正，用改正后流量建立水位與流量關(guān)系（圖5），并做符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗，各種檢驗指標(biāo)合格，其標(biāo)準(zhǔn)差為2.9%，系統(tǒng)誤差為0.6%，說明關(guān)系曲線定線合理。將實測流量與雷達(dá)波改正后流量套繪于同一圖上（圖6），可見雷達(dá)波測流系統(tǒng)所測的流量經(jīng)改正后與實測流量無系統(tǒng)偏離，點群呈一個系列。

4.2? 流量系數(shù)的合理性分析

用改正后的雷達(dá)波所測流量及實測流量分別建立水位與流量關(guān)系曲線，推算5—7月徑流量進(jìn)行比較分析（表3）。由表3可見，月徑流量最大相對誤差為-1.46%，5—7月徑流量相對誤差為0.37%，時段量誤差未超過規(guī)范允許范圍。由此可見，確定的雷達(dá)波測流系數(shù)0.83合理。

5? 結(jié)論與建議

根據(jù)以上分析，所確定的系數(shù)值為0.83，而且在比測分析中較為合理，故最終確定同仁站雷達(dá)波測流系統(tǒng)流量系數(shù)為0.83。此雷達(dá)波流量系數(shù)與理論值相吻合，可直接應(yīng)用于雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，可在日常流量在線監(jiān)測中使用。后期應(yīng)用中，當(dāng)水位超出已有比測資料的水位時，應(yīng)當(dāng)及時開展比測工作，以便及時補(bǔ)充資料，并進(jìn)行流量系數(shù)的修訂完善。

雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)的使用對河道測驗斷面資料具有較強(qiáng)的依賴性，斷面的變化將直接影響流量測驗結(jié)果，能否及時取得大斷面數(shù)據(jù)高程，并能做到及時修改測流系統(tǒng)中的測驗斷面數(shù)據(jù)參數(shù)，將有利于流量監(jiān)測精度的提高。建議適當(dāng)增加大斷面測量次數(shù)，并及時更新測流系統(tǒng)中的大斷面數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉正偉，肖? 林，張麗花，等.數(shù)字水文站關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[M].昆明：云南科技出版社，2017.

[2] GB50179-2015，河流流量測驗規(guī)范[S].

[3] 水利部水文局.中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)指導(dǎo)意見[Z].北京：水利部水文局，2011.6-8.

[4] SL247-2012，水文資料整編規(guī)范[S].