雷达波流速仪在陆水流域流量测验中的应用初探

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(长江委中游局赤壁分局，湖北 赤壁 437300)

1 问题的提出

陆水水利枢纽控制流域面积3 270 km2，占全流域面积的86.1%。陆水水库为流域内最大水库，总库容为7.06×108m2。枢纽设3个入库控制站， 即崇阳(二)水文站、毛家桥(二)水文站和白霓桥(二)水文站，其流域面积分别为2 200 km2、364 km2和215 km2，均为国家基本控制站。三个站地处鄂东南山区，均为典型的山溪性河流测站，来水主要源于断面上游降雨及上游电站发电开闸泄水，其中崇阳(二)水文站同时又是一个典型的水利工程控制站。

崇阳(二)水文站、毛家桥(二)水文站及白霓桥(二)水文站目前的常规流量测验方案均为缆道转子式流速仪或ADCP。在洪水快速上涨的过程中,河道水面及水中漂浮物较多，一般为杂草树枝、大树树干、涵管、被冲毁船只等，给缆道或ADCP测流带来极大的安全隐患。测验过程中经常因铅鱼或者仪器被水中漂浮的杂草缠死而中断测流，必须将铅鱼开回清除掉缠绕物后方可继续施测。尤其是高洪涨水时期，仪器根本无法下水测验,可能贻误最佳测验时机。同时，崇阳(二)水文站所处断面的流量变化受水利工程影响较大，中低水时期主要受上游天城水电站下泄流量影响，高水时期还受到下游陆水水库的顶托影响。施测时间过长，可能造成实测流量值代表性差，因此要尽可能缩短在高洪期的测验时间。

近年，雷达波流速仪在全国推广，其特点是适用于中小河流水文巡测，比较适合陆水流域的水文特性和测验环境。利用微波多普勒原理测量水面流速，测量流速时仪器不接触水体，依靠向水面发射微波的回波来测量水面流速，特别适用于高洪测流。因此，为了安全有效的收集到流量测验资料，赤壁分局于2017年引进了雷达波流速仪流量测验设备。并在崇阳(二)水文站及白霓桥(二)水文站分别开展缆道拖拽雷达波流速仪及定点安装雷达波流速仪两种方式的比测分析专项工作。

2 水文气象及暴雨洪水特征

陆水流域的径流主要来源于降雨，融雪补给较少，流域地处长江中游幕阜山北缘，属亚热带。受季风环流影响，冬季盛行大陆来的极地气团，夏季盛行海洋来的热带气团，春夏两季为季风交替的过渡时期。陆水流域属湿润地区，流域内气候温和，多年平均气温16.8℃。多年平均降水量1 660 mm。雨季早，雨水丰沛，由南向北递减。降水量多发生在4～7月，约占年雨量的55.3%。其中尤以5月、6月更为集中，8月份以后雨量明显减少，常遭伏旱。多年平均年水面蒸发量约940 mm，年平均无霜期247～261 d。流域多年平均径流量30.7亿m3(多年平均流量97.2 m3/s)，最大年径流量47.53亿mm3(1995年)，最小年径流量12.05亿m3(2007年)。

陆水流域地处鄂东南暴雨区，其降雨多受季风环流影响，夏季偏多，冬季偏少。该流域4月份进入初汛期，5～6月份为主汛期，7～8月份为后汛期。6月份降水量最大，多年平均251.6 mm，占全年降水量的16.3%;12月份降水量最小，多年平均42.5 mm，占全年降水量的2.8%。降雨量年内分配不均匀，年际分配相对较均匀。陆水河属典型雨洪补给的山溪性河流。每逢暴雨即产生较大洪水，且峰高量大，陡涨陡落，洪峰遇见期仅为6 h左右。洪水由流域暴雨形成，从洪水发生时间上看，洪水发生时间与暴雨出现时间相应。

3 比测实施

3.1 雷达波的工作原理

雷达测速的的基本原理是多普勒效应。多普勒效应是波源和接收器有相对运动时，接收器接受到波的频率F收与波源发出的频率F源并不相同的现象。当波源与接收器相对静止时，则接收频率:

F收=F源=C/λ

式中，C是波速，λ是波长。当波源位置固定，接收器相对波源以速度V向波源方向运动时，对于接收器来说，速度增大为C+V。单位时间内通过接收者的波的个数即频率为:

F收= (C+V)/λ

多普勒频移Fd=F源-F收, 接收器运动的速度:V=(Fd/F源)C，正号与发射波同向，负号则反向，速度与频移成正比。在应用中，发射和接收器为一体设计，则有:

V= (F收/F源- 1)C

水面水体运动时，雷达向水面发射微波,遇到水面波浪、水泡、漂浮物等后,一部分波将反射回来,回波中的一小部分被雷达接收,转换成电信号,由测量电路处理测出回波频率,再经角度修正后计算出流速。

雷达波测流与浮标法测流类似，也是测量垂线表面流速，再根据测深资料或借用断面计算断面面积，按流速面积法计算出虚流量，最后用预先分析出的水面系数修正后得出断面流量。因此，我们需要率定表面流速系数才可以使用这种方法进行流量测验。

3.2 方案确定及实施过程

根据计划实施，赤壁分局在崇阳(二)站安装了一套无线遥控缆道雷达波测流系统，在白霓桥(二)站安装一套在线遥控多探头雷达波数字测流系统。前者是将雷达波流速仪直接安装在原有的缆道设备上，采用原有微机测流系统对雷达波设备进行移动，然后进行无线遥控流量测验。后者则是在本站测验断面下游一座桥上定点安装多个探头，对固定垂线的水面流速进行不间断监测，并能够完成在线输送数据及设备控制。

采用转子式流速仪测流设备对两套雷达波测流设备进行比测，从而率定出水面流速系数。崇阳(二)水文站分别在高中低不同水位级实施比测，截至2018年4月，有效测次达37次，测得流量区间为280～3 670 m3/s(虚流量)。施测方案为转子式流速仪与雷达波流速仪同时进行，借用的大断面数据也采用同一测次，然后对测站任务书确定的固定垂线进行流速测验，并汇总计算得到断面流量。选取与转子式流速仪比测时间基本重合的数据27份进行分析。运用回归分析方法将27份数据进行计算分析得出流速系数为0.9713。雷达波流速仪测得的虚流量乘以流速系数即得到雷达波测流的断面流量。将27份流量数据进行对比分析，结果如表1所示。

表1 实测流量比测分析表

从表1可以看出，相对误差小于10%的占88.9%，标准差为7.0%。基本满足《河道流量测验规范》(GB50179-2015)的相关精度要求。由于参与对比的实测流量(转子式流速仪测得)具备一定的偶然性，如若采用当年线上流量进行误差分析，误差应会更小。

白霓桥(二)水文站的比测则稍显复杂，首先需要确定探头安装的位置，确定方法是根据多年资料，分析确定出最佳的2条垂线组合，使其垂线平均流速和断面平均流速呈稳定的满足精度要求的线性关系。分析过程如下：

将白霓桥(二)站2013至2017年总计75次实测垂线流速数据提取出来，所有垂线进行两两组合平均计算，并和断面平均流速进行相关分析。结果显示：由起点距22m处和34m处两线组合的平均流速与断面平均流速有较好的线性关系。如图1所示。

由于该断面稳定，冲淤变化小，水位面积关系及流速的横向分布都较为稳定，因此流速分布的代表性也较好。

图1 两线组合流速与断面平均流速关系图

因此，初步确定探头固定位置在起点距22 m及34 m处。安装探头的桥梁在测验断面下游约30 m处，由于距离较近，两断面的河床纵横形态及流速横向分布基本一致。探头固定完毕后即可进行在线实时流速监测，白霓桥(二)站于2018年4月中旬开始正式监测数据。数据的采集频次为10 min。由于目前为止转子式流速仪实测流量测次较少，尚不能满足统计分析的数量，有待今后继续比测数据的积累后再行分析。以4月23日的洪水涨落过程监测数据进行连时序作图，如图2所示，可以看到，白霓桥(二)站采用雷达波测流初步率定的水位流量关系都是比较理想的，经过测验参数及系数调整，测验结果会更贴近实际。

图2 初步率定的水位流量关系曲线

3.3 误差超限的原因

崇阳(二)站比测结果误差超限的主要原因有以下几点：①在较大流速条件下非接触测流系统与铅鱼同步测量时，易发生由于偏角过大、非接触流速传感器采集缓慢现象，缆道主索随铅鱼移动产生的跳动也会影响电波流速仪的测验；②当下游陆水水库水位较高会对断面产生严重顶托影响，同样导致流速的横向分布反常，导致流速系数偏小，后期可通过试验丰富数据，率定出不同水位级流速系数，以便进一步提高测流精度。③在强降雨状况下，流速采集及通信受雨衰影响。

4 结 语

采用雷达波流速仪进行流量测验的最大好处在于：①采用这种非接触式流量测验无需入水，不会遭遇漂浮物，可以有效避免铅鱼被大漂浮物缠绕带来的安全隐患；②转子式流速仪在高水期测验一般需1～2 h，如若多次碰到杂草缠住流速仪的情况，测验时间会更长。而雷达波流速仪测流不到30 min，大大缩短了测验时间，从而提高测验精度，优化布置测次，从而更准确的定出断面水位流量关系。

雷达波流速仪具有安装维护方便、施工费用低、全自动稳定、测验时间短，实时在线监测可靠等优点。采用领先的雷达技术非接触式进行流速测验，能够提高仪器的的可靠性和人员的安全，降低测站的维护成本和人员的劳动强度。经初步比测分析，雷达波流速仪在崇阳(二)站及白霓桥(二)站的比测效果较好，基本能够满足相关规范的精度要求，应用前景良好。