黑孜水庫（二）站手持雷達(dá)槍比測與系數(shù)分析

周海龍

（新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇水文勘測局，新疆 阿克蘇 843000）

手持雷達(dá)槍因為體積小，便于攜帶，測驗安全，已經(jīng)成為新時期水文測驗使用的新儀器。為了提高黑孜水庫（二）水文站應(yīng)急測驗?zāi)芰Γ瑱z驗手持雷達(dá)槍測驗精度，需對其進(jìn)行比測分析和系數(shù)率定。

1 概況

1.1 測站基本情況

黑孜水庫（二）水文站，設(shè)站時間為1960 年5 月，站名為黑孜水庫站，1986 年5 月下遷3 km 站名改為黑孜水庫（二）站。水系屬天山南坡諸河，集水面積16660 km2，至河口距離32 km。測驗項目：水位、流量、懸移質(zhì)單沙、懸移質(zhì)輸沙率、水準(zhǔn)測量、水溫、降水、20 cm 口徑蒸發(fā)及E601 蒸發(fā)、氣溫、蒸發(fā)輔助項目、水質(zhì)等[1］。為克孜爾水庫出庫站，屬國家重要水文站。流量測驗精度類別為二類測驗精度，泥沙測驗精度為三類測驗精度。為克孜爾水庫的工程運(yùn)行和管理服務(wù)，是渭干河干流水量、水質(zhì)的控制和監(jiān)測站。采用基面高程（85基準(zhǔn)）1105.000 m。

1.2 斷面情況

黑孜水庫（二）站距測驗斷面約3 km，測驗河段順直，長約1000 m，為寬淺式河床，河床由砂礫石組成，左右岸為混凝土護(hù)岸。中高水主槽寬約50 m～143 m。各級水位水流集中，無岔流、串溝、回水、死水等情況。大斷面情況見圖1?；?00 m 河心有一島灘，中低水位時島灘出露，將水流一分為二，過島灘后又逐漸匯集成一股水流進(jìn)入測驗河段。河床整體呈左高右低，主槽偏向于右岸。河床由礫石夾砂組成，斷面沖淤變化小。測站控制條件較好，水位流量關(guān)系呈單一曲線關(guān)系?；?000 m 為水庫大壩（水電站）、400 m 處有拱形公路橋。受工程調(diào)節(jié)影響，部分時間出現(xiàn)河干，水位有時產(chǎn)生突變。高洪期一般在7 月～8 月。

圖1 黑孜水庫站大斷面圖

1.3 斷面及測驗設(shè)施設(shè)立情況

該測驗斷面處于克孜爾水庫出庫段下游，河道兩岸為護(hù)堤，河床內(nèi)無較大溝壑，流向順直，控制良好，基本水尺斷面上游約300m 處有取水工程，對測驗有一定影響，斷面附近無水草無支流匯入的影響，在中高水測驗時可能會受漂浮物等條件的限制，漂浮物經(jīng)常為樹木。

基本水尺斷面與中浮標(biāo)、中比降斷面重合，基下100 m處為下浮標(biāo)、下比降斷面?；舅邤嗝嫔嫌?00 m 有拱形公路橋一座供高水投放浮標(biāo)使用，基上20 m 為水文纜道測驗斷面供中高水測驗使用，基本水尺斷面兼水文纜車測驗斷面供中低水測驗使用，也可在中高水使用手持雷達(dá)槍（SVR）進(jìn)行測驗，基下20 m 為涉水測驗斷面供枯水測驗使用。

2 手持雷達(dá)槍（SVR）實驗分析

為了分析雷達(dá)槍流量測驗系數(shù)，黑孜水庫（二）站于2021 年使用旋漿式流速儀施測了30 次3 點(diǎn)法實測流量資料，手持雷達(dá)槍（SVR）測驗時同步使用流速儀法施測水面流速，在比測時保證流速儀測速垂線與手持雷達(dá)槍（SVR）測速垂線保持一致[2］。測驗河段的選擇、儀器設(shè)備的使用、流量測驗方法等均嚴(yán)格按照《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015）要求執(zhí)行，資料可靠[3］。

2.1 儀器的安裝使用

通過定制儀器架子，使手持雷達(dá)槍（SVR）流速儀的觀測俯角固定為40°，其測流斷面與流速儀測流斷面重合。測驗時，使用水文纜車至相應(yīng)起點(diǎn)距分別架設(shè)旋漿式流速儀和手持雷達(dá)槍（SVR）。同時，兩種儀器使用同一次施測水深求得斷面面積，故系統(tǒng)誤差也是相同的，這樣既滿足轉(zhuǎn)子流速儀流量測驗規(guī)范，也滿足手持雷達(dá)槍（SVR）測流使用要求。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

手持式雷達(dá)槍（SVR）為德卡托公司生產(chǎn)（簡稱SVR 雷達(dá)槍），主要技術(shù)指標(biāo)：架設(shè)高度5 m 至15 m（距水面垂直高度），測速范圍0.3 m／s～9.1 m／s，可用于高水期間測量水面流速[4］，適應(yīng)環(huán)境：全天候、雷雨天可正常測流，測量流速時順流或逆流均可；轉(zhuǎn)子流速儀采用重慶水文儀器廠的LS25-1 旋漿式轉(zhuǎn)子流速儀，測速范圍0.04 m／s～3.5 m／s，用于河道高速測量，兩種儀器均滿足手持雷達(dá)槍（SVR）系數(shù)率定的測驗要求。

本次實驗使用一架LS25-1 型180973 號旋槳式流速儀，流速計算公式為V=0.2436 n+0.0096；手持雷達(dá)槍（SVR）使用時，水平角為0°俯角小于45°時，儀器具有最佳測量精度。

2.3 水位（流量）級劃分

黑孜水庫（二）站屬二類精度水文站，考慮河流特性、測站測洪能力及影響水位變化的各種要素，水位（流量）級劃分參考《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015）第4.4 的規(guī)定，選擇典型年法進(jìn)行流量級劃分，選取1996 年～2021 近26 年資料，根據(jù)典型年汛期逐日最高水位，計算頻率并繪制頻率曲線，見表1。

表1 黑孜水庫（二）站水位級劃分表

2.4 資料選取

本次實驗分析共選用黑孜水庫（二）站2021 年1 月～8 月不同水位級手持雷達(dá)槍（SVR）與轉(zhuǎn)子流速儀同步實測資料30 份（見表2），在高、中、低不同水位級對比試驗，試驗基本包含了該站河道的不同水流情況， 水位變幅從1108.69 m至1110.83 m，變幅2.14 m；流量變幅12.2 m3／s～472 m3／s。

表2 手持雷達(dá)槍（SVR）測流儀水面流速系數(shù)率定表

續(xù)表2

3 實驗分析

為了保證分析成果的通用性和準(zhǔn)確性，在滿足《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015）的定線誤差要求的同時，按水文統(tǒng)計學(xué)原理，將選用的實測資料進(jìn)行計算、檢查、分析，然后點(diǎn)繪兩種儀器所測流量相關(guān)關(guān)系圖，見圖2，建立兩變量組之間的回歸方程，分析其相關(guān)關(guān)系，率定手持雷達(dá)槍（SVR）的測速應(yīng)用系數(shù)。由于施測流量時，考慮到兩種儀器不可能同時施測。故采取手持雷達(dá)槍（SVR）虛流量擬合精測法定得水位流量關(guān)系曲線，利用同水位節(jié)點(diǎn)相關(guān)。

3.1 統(tǒng)計分析計算

依據(jù)比測實驗資料，采用手持雷達(dá)槍（SVR）虛流量與實流量作相關(guān)分析，見圖2。從圖中可看出虛流量與實流量相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)為 0.9997，計算得手持雷達(dá)槍（SVR）系數(shù)為 0.8439。

圖2 雷達(dá)槍虛流量與精測法流量相關(guān)圖

精測法流量繪得關(guān)系曲線檢驗計算得出標(biāo)準(zhǔn)差：2.7%，隨機(jī)不確定度：5.4%，系統(tǒng)誤差：0.0%，由計算結(jié)果可知三種檢驗結(jié)果符合規(guī)范要求，故定線合理。利用雷達(dá)槍虛流量乘以流速系數(shù)0.84 后推得的流量擬合實流量繪得關(guān)系曲線檢驗計算。手持雷達(dá)槍（SVR）虛流量標(biāo)準(zhǔn)差：2.7%，隨機(jī)不確定度：5.4%，系統(tǒng)誤差：0.6%，見表3。根據(jù)三類流量測驗精度，各項指標(biāo)均未超過標(biāo)準(zhǔn)，說明所率定的手持雷達(dá)槍（SVR）系數(shù)0.84 是合理的。

表3 手持雷達(dá)槍（SVR）水面虛流量（整體系數(shù)）推求流量檢驗表

3.2 流量測驗系數(shù)隨水位變化分析

為了分析流量測驗系數(shù)隨水位變化的規(guī)律，建立各次流量手持雷達(dá)槍（SVR）系數(shù)與水位的關(guān)系圖，見圖3。從圖中可以看出，水位在1108.69 m～1110.83 m 區(qū)間，手持雷達(dá)槍（SVR）系數(shù)點(diǎn)分布在均值0.84 附近，隨水位變化無明顯的增加或減小趨勢。認(rèn)為流量測驗系數(shù)隨水位的變化不明顯，在不同的水位級手持雷達(dá)槍（SVR）系數(shù)均可取固定值0.84。

圖3 手持雷達(dá)槍（SVR）系數(shù)隨水位變化關(guān)系圖

4 結(jié)語

綜合以上分析，2021 年30 個樣本得出手持雷達(dá)槍（SVR）均值系數(shù)0.834，相關(guān)分析得出的手持雷達(dá)槍（SVR）系數(shù)0.8439，說明二者基本一致，手持雷達(dá)槍（SVR）系數(shù)隨水位無明顯變化，成帶狀分布，具有代表性，成果質(zhì)量可靠。用均值系數(shù)只是對相關(guān)分析成果進(jìn)行校核，因此采用相關(guān)分析法比測成果，黑孜水庫（二）水文站手持雷達(dá)槍（SVR）系數(shù)確定為0.84。

通過對非接觸式雷達(dá)波測速儀流量和精測法流量的試驗分析，標(biāo)準(zhǔn)差：2.7%，隨機(jī)不確定度：5.4%，系統(tǒng)誤差：0.6%。完全符合《河道流量測驗規(guī)范》（GB 50179 -2015）的技術(shù)要求，證明手持雷達(dá)槍（SVR）可以在該站進(jìn)行流量測驗。