中小河流雷达水位计在特大洪水测验中的应用

2017-12-20战伟

东北水利水电 2017年12期

战伟

战伟

（吉林省水文水资源局白山分局，吉林白山134300）

中小河流水文站的雷达水位计通过2015年在吉林省开始使用至今，经过三年的测验分析，已能满足发生大洪水时的流量测验与预报，由于雷达水位计是通过观测上、下断面的水位和测量断面面积，通过比降面积法即曼宁公式的应用，来实现对断面流量的测量监控。来实现现代化测量，不但数据能实时传输到水情监控中心，为下游城镇防汛做到耳目与尖兵的作用；又能保证以往测验人员的安全。

中小河流；雷达水位计；特大洪水；测验；比降面积法

中小河流水文站的建设，采用上、下断面各安装一个雷达水位计的方式，可以对上、下比降断面的水位实时观测、传输，水情中心接收数据后进行分析计算，从而得到测验断面的实时流量数据。安装雷达水位计后，即使发生超历史洪水，在人员无法正常观测水位的时候，雷达水位计依然会测验到断面的实时数据，这与常规水文站的流量测验有很大的改变与不同。不同的水位采取不同的测验方法：3.00 m以下采用涉水作业；3.00～4.50 m采用船上作业；4.50～6.00 m采用均匀浮标；6.00 m采用走航式多普勒剖面流速仪（ADCP）；6.00 m以上采用天然浮标（中泓）观测临时水尺水位、临时比降水尺比将。

1 测站现状

1.1 影响人员设备安全的因素

目前条件下常规水文站进行流量测验工作时仍然存在着影响人员和设备安全的隐患。测验时，虽然在河的两岸架设了吊船移渡钢索，上船测量人员身穿救生衣、携带安全斧等辅助设备，但由于山区性河流淌急，水中各类漂浮物众多，仍对人员和仪器设备构成严重安全危险。小河站的特性是水位变化快、流速大、持续时间短，而且测量人员没有进行专业技能培训和应急演练，专业监测能力低，因此增加了存在安全隐患的可能性

1.2 断面状况因素

大断面河床为梯形，断面河床由护提、卵石、沙土组成，河床冲淤严重。水文站水尺设在右岸，基本水尺断面以上170 m处为浮标投放断面，设有浮标投放器。右岸为菜地和房屋，在江堤与菜地之间有1条3 m宽的沿河路；左岸为高山，左岸与山体之间是7 m宽的沿河路，是进行浮标测验的工作场所。当水位达到6 m以上，左岸延河路开始上水，浮标测验存在危险。

在基本断面下游300 m处，为3洞拱桥，当水位达到6 m时，桥身阻水严重，存在桥塌的危险。此桥为测量浮标时仪器的设立场所，也是公路段上出村的必经之路。

1.3 上游水电站的调节及其影响

在此站上游8 000 m处是小湖电站，电站集水面积703 km2，库容25万m3。在洪水期，水电站放水会直接导致水位流量急剧增加，如果在此期间进行河道上作业，急剧上涨的河水会对作业人员造成生命危险，同时还存在垮坝的危险。

2 雷达水位计工作原理--比降面积法

雷达水位计能及时、准确地推算出实时流量，一方面是实现了现代化的传输技术，将观测、传输、接收融为一体，通过SIM卡和卫星头双重保障的高科技方法；另一方面是其计算方法——比降面积法，此方法是适用于河流不能采用精度较高的测流方法施测流量时的近似计算方法。

比降面积法是用河段水面比降与断面面积作为主要因素计算流量的一种方法,用在以下情况：在稀遇洪水无法用流速仪法、浮标法施测时,为确定水位流量关系曲线高水端的极点，以延长水位流量关系曲线；在水位流量关系稳定的测站进行停测和开展巡测工作；在水利规划中进行历史洪水调查。

糙率n为中小河流水文站在上、下比降断面各建设一个雷达水位计，观测上、下比降水位，并点绘Z～n曲线，见图1。

横断面测量应尽可能和水位观测同时进行，在测验河段内一般不少于3个断面。

河段平均断面面积 A-的计算：

河段选择的条件，必须满足测站布设中比降水尺河段选择的条件，为了保证精度，河段水面落差至少要10倍于落差观测误差。河段内要求河槽稳定，糙率稳定，精度较高。

图1 中小河流水文站水位Z与糙率n关系图

3 应用

三道沟门水文站的水文测验历来高度重视安全生产工作，对水文防汛测报都是早计划、早布置、早安排，确保安全度汛。根据现有的配备情况，为迎接特大洪水，做出以下具体测验方案：

1）与上游水电站的联络保持畅通，随时掌握最新的水情信息；在水电站出水河段安装雨水情遥测系统，随时可以观测及预报出降水量和排水量的数据，做到提前准备，及时做出应对方案。

2）在出现大洪水时，如果在指定浮标断面不能安全进行浮标测验，则在桥上使用走航式多普勒剖面流速仪（ADCP）进行测流（由于漂浮物多、流速大，平时不建议使用）。

3）在出现特大洪水时，桥上作业也存在危险，应及时向政府和防汛工作人员建议，村民撤离到地势高的山上。选择顺直河道进行天然浮标（中泓）测验；设立临时水尺观测水位、临时比降水尺观测比将，计算出两山之间的断面面积推算流量，同时用比将面积法计算流量，做好防汛抗洪的数据保障工作。

当洪水退落后，及时观测洪痕，测量最高水位内的所有断面转折点，精确的计算出洪水的流量。天然浮标（中泓）法和水位--流量关系曲线延长法的高水延长的主要依据是实测大断面资料。这两种方法都是在断面冲淤变化不大时，一般可用断面流量计算公式：

式中：Q为流量，m3/s；Kmf为中泓浮标系数；Vmax为中泓流速，m/s；F 为断面面积，m2。

和用水位面积、水位流速关系曲线法及水力学公式法延长。但对于河床冲淤严重的水文站，以上2种方法都不适合。因此，在特大洪水时使用可以实时监测上、下断面水位变化情况的雷达水位计来观测上、下比降断面的水位，从而使用比降面积法推算出实时流量最为适用。以某站2015年第31次流量为例，见表1、图2。测站施测时间是2015年8月30日9时到10时，水位5.28 m，平均流速0.16 m/s，最大测点流速3.07 m/s，断面流量178 m3/s，断面面积82.4 m2，水面宽63 m，平均水深1.31 m，最大水深1.95 m。

表1某站2015年第31次流量计算表

因此 Q=82.4×2.15=177 m3/s。

比降面积法算出的流量为177 m3/s，正常测验算的流量为178 m3/s，其误差为0.56%小于高水允许误差（3%），因此使用比降面积法计算成果合理。