S3 SVRⅢ型雷達測流系統(tǒng)在金秀水文站的可行性分析

鄧懷勇

（來賓水文中心，廣西 來賓 546100）

為推進水文測驗方式改革和實現(xiàn)水文要素監(jiān)測自動化，提高監(jiān)測效率，減輕勞動強度，本文以金秀水文站為例，依托該站現(xiàn)有設(shè)施和便利條件，在該站開展固定式雷達測流系統(tǒng)與常規(guī)旋漿流速儀測流進行比測分析，以驗證雷達測流系統(tǒng)在該站的可行性和適用性。

1 基本概況

1.1 流域概況

金秀河屬珠江流域西江水系，是運江支流。主流發(fā)源于來賓市金秀縣老山，穿越瑤山群峰，流經(jīng)金秀縣城、金秀鎮(zhèn)的金田村、長垌鄉(xiāng)的平道村，蜿蜓流至銅盆嶺西南麓入象州縣境，至落脈出山入平原區(qū)，轉(zhuǎn)東西向，傍象州縣的那馬、丁貢、平地、王村、那芙，過雞德轉(zhuǎn)向西北，傍河邊村至羅秀匯入運江后入柳江，干流全長70.4 km。

1.2 測站概況

金秀水文站建于1980年1月，是金秀河的唯一控制站，位于河段的右岸，集水面積24.8 km2，屬國家基本水文站，三類精度站。主要測驗項目有：水位、流量（于1996年停測，2021年恢復(fù)測驗）、降雨、蒸發(fā)，上游有桐油沖、高山等2個雨量站。該站最高水位778.13 m﹙85基準(zhǔn)，下同），最低水位775.59 m。

1.3 測驗斷面情況

金秀水文站測驗河段順直，兩岸為混凝土擋土墻，河床由卵石和巖石組成，無沖淤變化，無分流漫灘現(xiàn)象?；舅邤嗝媾c流速儀測流斷面和雷達測流斷面重合（如圖1所示）。

圖1 金秀站測驗河段平面圖

1.4 流量測驗情況

（1）流量常規(guī)測驗方式：在流速儀測流斷面處用旋漿流速儀施測，采用的流速儀均經(jīng)過檢驗合格，測驗過程嚴(yán)格按照《河流流量測驗規(guī)范》GB 50179-2015要求進行，成果合理可靠。

（2）流量自動監(jiān)測方式：在流速儀測流斷面處的測橋上，采用安裝的S3 SVRⅢ型固定式雷達測流系統(tǒng)在線時時監(jiān)測流速，同步采集水位數(shù)據(jù)，借用斷面面積參數(shù)，完成流量計算，再將水位、流速、流量等數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器終端。

2 雷達測流系統(tǒng)介紹

2.1 安裝情況

S3 SVRⅢ型固定式雷達測流系統(tǒng)是根據(jù)水面寬和斷面形態(tài)，在斷面處安裝單個或多個雷達波流速傳感器，相當(dāng)于布設(shè)多條測速垂線。每個傳感器通過數(shù)據(jù)總線接入測流控制單元?？刂茊卧讲杉粩?shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的斷面參數(shù)，完成流量計算。并將流量、流速、水位等數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程服務(wù)器，從而實現(xiàn)流量的在線自動監(jiān)測。

結(jié)合固定雷達測流系統(tǒng)的安裝條件和金秀水文站的基本情況，在金秀水文站安裝固定雷達設(shè)備是可行的。2021 年5 月在該站安裝了雷達設(shè)備并投入試運行，探頭安裝于測驗斷面處，安裝高程約782.5 m，探頭監(jiān)測起點距位置4.5 m處，安裝在河道的中泓位置，固定單點監(jiān)測（如圖2所示）。

圖2 金秀站固定雷達測流系統(tǒng)現(xiàn)場安裝圖

2.2 工作原理

雷達波工作原理是以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，當(dāng)水流與雷達流速儀之間發(fā)生相對運動時，使雷達流速儀接收到反射信號與發(fā)射的信號頻率產(chǎn)生偏移，頻率的偏移與流速成正比，通過測量頻率偏移量，即可測量水面的流速。

雷達測流系統(tǒng)是采用非接觸方式測驗水道斷面上單條或多條垂線的水面流速，乘以部分過水?dāng)嗝婷娣e，得到部分虛流量，求和得到斷面虛流量，再乘以水面系數(shù)，得到河流的實測流量。用于替代浮標(biāo)法，實現(xiàn)流量的在線監(jiān)測。系統(tǒng)每5 分鐘自動采集流速和水位，自動計算流量，并將流速、水位、流量等數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，并可自動發(fā)送至廣西流量在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺。計算公式如下：

其中：Q-斷面實測流量m3/s；Kf-水面系數(shù)；Vˉ-水面平均流速；A-測流時的過水?dāng)嗝婷娣e；Qf-斷面虛流量m3/s。

3 比測可行性分析

3.1 比測方法

在金秀水文站流速儀測流斷面處使用旋漿流速儀采用多線一點法進行流量施測，即：在斷面處布設(shè)3條測流垂線，施測每條垂線相對水深0.6處的流速，然后采用面積加權(quán)法計算得到對應(yīng)時間和相應(yīng)水位的斷面流量。從而得到斷面相應(yīng)時間和水位的平均流速，通過對應(yīng)相應(yīng)時間，查找固定雷達監(jiān)測的表面流速，兩者之間建立相關(guān)關(guān)系，并進行相關(guān)檢驗，確定相關(guān)關(guān)系的合理性，最終得到流速系數(shù)。

3.2 比測資料的采用

金秀水文站水位分級為：低水（777.00 m以下）、中水（777.00 m～777.80 m）、高水（777.80 m 以上）。該站最高水位為778.13 m（2015-10-05），最低水位為775.59 m（2021-01-09），水位變幅2.54 m。固定雷達測流系統(tǒng)2021年5月安裝運行后，設(shè)備運行正常，監(jiān)測數(shù)據(jù)完整，由于安裝設(shè)備后該站沒有發(fā)生高水以上水位級的洪水，目前監(jiān)測到的最高水位為777.13 m，最低水位為775.59 m，水位變幅1.54 m，占總水位變幅的60.6%。同時，由于776.00 m 以下水位級的流速太小，已超出雷達測速的理論測量范圍（0.5 m/s），故本次比測分析實測流量水位級為776.00 m～777.13 m，比測水位變幅1.13 m，占比測水位變幅的53.1%。

比測流量資料采用2021—2022 年共施測的26份流量，其中施測到776.00 m以上的流量份數(shù)為16份，且測次布置合理，測驗過程和成果均符合規(guī)范要求。

3.3 實測水位流量關(guān)系分析

根據(jù)實測水位流量建立Z～Q關(guān)系曲線圖（見圖3），可見水位流量關(guān)系點子密集成帶狀，可通過點群中心定出單一曲線。

圖3 金秀站水位流量關(guān)系曲線圖

對Z～Q關(guān)系曲線進行符號、適線、偏離數(shù)值三種檢驗，檢驗結(jié)果均合格，資料質(zhì)量可靠，可作為相關(guān)資料分析。檢驗結(jié)果見表1。

表1 金秀站2021～2022年水位流量關(guān)系曲線檢驗結(jié)果表

3.4 比測率定分析

2021年6月至2022年7月采用流速儀法開展固定式雷達流速同步比測率定工作，共收集16份有效的低中水位級率定成果，率定水位范圍776.00～777.13 m，雷達表面流速范圍0.55～2.47 m/s，率定水位變幅占實測水位變幅的53.1%。比測成果數(shù)據(jù)見表2。

表2 金秀站比測成果數(shù)據(jù)表

從表2中發(fā)現(xiàn)，流速比有大于1的情況出現(xiàn)，主要原因是該站測驗斷面下游有橋梁橋墩，在中高水時會有阻水情況，出現(xiàn)河水頂托現(xiàn)象，造成表面流速偏小。將該站固定雷達施測的流速與實測斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，關(guān)系式為：Vm= 0.034Vi2+1.171Vi-0.255，相關(guān)系數(shù)為0.999（見圖4）。推算相應(yīng)線上流速，經(jīng)三項檢驗，計算得出標(biāo)準(zhǔn)差2.7%，隨機不確定度5.4%，系統(tǒng)誤差0.1%。依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）中關(guān)于三類精度水文站水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)的要求：三類站標(biāo)準(zhǔn)差≤6%，隨機不確定度≤12%，系統(tǒng)誤差≤±2%，采用水面浮標(biāo)法測流定線隨機不確定度可增大2%～4%，經(jīng)計算認(rèn)為本次定線合理，滿足規(guī)范要求，檢驗結(jié)果詳見表3。

表3 金秀站雷達流速關(guān)系率定分析成果精度檢驗結(jié)果表

圖4 金秀站流速比測相關(guān)關(guān)系圖

3.5 水量平衡分析

利用比測率定的公式對776.00 m 以上水位級的雷達流速進行修正，再進行流量計算，采用連實測流量過程線法進行推流，與采用流速儀法實測流量進行推流的結(jié)果進行對比，結(jié)果見表4。

表4 金秀站水量平衡分析表

從比測結(jié)果可知，兩者間誤差為0.3%，小于5%，成果是合格的，采用固定式雷達施測776.00 ～777.13 m水位級的流量是可行的。

3.6 率定公式的確定

通過相關(guān)分析，實測平均流速與雷達施測的流速是密切相關(guān)的。從分析結(jié)果看，水位在776.00 ～777.130 m 時，各項分析結(jié)果都是符合規(guī)范要求的。因此，在該水位級時，可采用雷達進行流量測驗，且資料可用于資料整編中。率定公式為：

Vm=0.034Vi2+1.171/%-0.255（其中Vm為斷面平均流速；Vi為雷達實測流速）。

4 結(jié)語

（1）通過比測，金秀水文站776.00～777.13 m水位級時采用固定雷達測流系統(tǒng)進行流量測驗是可行的，流速采用率定公式：Vm=0.034Vi2+1.171Vi-0.255進行換算，施測資料可用于資料整編中。

（2）建議776.00 m以下水位采用實測水位流量關(guān)系線或綜合流量關(guān)系線進行推流，776.00～777.13 m 水位級采用固定式雷達測流系統(tǒng)測流，當(dāng)出現(xiàn)777.13 m以上水位時繼續(xù)開展比測分析工作，優(yōu)化率定系數(shù)。