腰古水文站雷达波在线测流系统流量系数率定分析

冼永成

(广东省水文局肇庆水文分局， 广东 肇庆 526060)

1 测站概况

腰古水文站设于新兴江下游，建于1958年6月，位于云城区腰古镇沙咀村，是西江一级支流新兴江的控制站，结合新兴江流域整治及水情需要而设，属国家二类精度水文站，测验项目有水位、流量、降雨量、蒸发量、水质等。断面以上集水面积为1 776 km2，干流长为88.2 km，至河口距离为35 km。

该站多年(1959—2018年)平均径流量为15.99亿m3，最大年径流量为26.49亿m3(1965年)，最小年径流量为7.91亿m3(2007年)，实测最高水位为17.23 m(1976年9月21日)，实测最大流量为2 050 m3/s(1976年9月21日)，最大流速为2.33 m/s(1976年9月21日)，警戒水位为16.00 m[1]。

新兴江水系以及腰古水文站位置见图1所示。

2 比测目的

新兴江发生大洪水时，腰古站上游来水携带大量漂浮物如竹子和树木等，严重影响缆道测流或走航式ADCP测流。为了解决该问题，腰古水文站在2017年6月引进了非接触式雷达波在线测流系统。为了验证仪器的适应性，需对雷达波在线测流系统进行比测，将所测流量与腰古站流速仪测流断面实测流量建立相关关系，从而到达雷达波在线测流系统取代常规测流方式目的。

图1 腰古站流域概况示意

3 雷达波在线测流系统S3 SVR IV

3.1 测流原理

雷达波在线测流系统是采用非接触方式测验水道断面上若干条垂线的水面流速，其流量计算方法与转子流速仪一样，即部份流速乘以部份面积得部份流量，n个部份流量之和即为断面虚流量。公式如下：

式中Qf为指标流量,m3/s；Vi为水面流速,m/s；Ai为部分面积,m2；qi为断面部分指标流量,m3/s。

雷达波在线测流系统所测指标流量需与水文站常规测流方法，所测实测流量率定流量系数，即得到断面实测流量:

3.2 仪器主要技术指标及仪器安装

流速测量精度：±0.03 m/s；流速测量范围：0.2～18 m/s；测流原理：雷达多普勒；流速采样速率：5次/s；微波发射功率：50 mW；微波发射频率：34.7 GHz；波速宽度：12°；测速历时：5～100 s；最大测程：100 m；俯角修正：具有自动检测修正功能，最大值不小于60°的手动修正能力；使用条件：24 h，特大暴雨天气均能正常作业；工作模式：可设置连续测流或分时段、分水位级测流模式，并可由手机或计算机通过网络进行测流控制[2]。

仪器的安装综合考虑安全、仪器性能等因素，选择在基本水尺断面下游6 m处高程为19.00 m处安装雷达波系统的简易缆道，雷达波探头安装角度为向上游方向呈45°，向水面发射雷达波，波束射到水面位置与基本水尺断面兼流速仪测流断面基本重合，该位置水流集中、无回水、斜流等不利影响因素，代表性良好。

4 比测率定情况

4.1 比测率定方法

根据《河道流量测验规范》(GB 50179—2015)和《水文资料整编规范》(SL 0247—2012)，腰古站比测率定采用腰古(二)站转子式流速仪和走航式ADCP测流法与雷达波在线测流系统进行率定分析。转子式流速仪型号为LS25-1，走航式ADCP型号为M9[3]。

用雷达波测流系统施测的指标流量Q指标与缆道实测流量Q实测建立相关关系。为了使雷达波与实测流量率定资料时间同步，指标流量选取了与实际测流平均时间最接近的雷达波所测的数据参与率定分析。

4.2 比测断面

本次比测率定断面选择腰古站基本水尺断面兼流速仪测流断面(见图2所示)。

图2 腰古站基本水尺断面变化示意

4.3 流量比测情况

本次率定分析资料的时间段为2017年6月23日—2018年10月6日，实测流量变幅为43.6～1 700 m3/s，相应水位变幅7.98～15.63 m，测流水位级分布均匀，能控制流量变化过程。比测期间，共选取33份比测流量进行分析。流量比测成果见表1。

表1 腰古水文站缆道实测流量与雷达波测流流量比测成果

4.4 比测率定关系

图3 实测流量与雷达波流量率定关系线

5 验证分析

5.1 误差分析

根据实测流量与雷达波流量的相关关系式，对照计算出查线流量Q查线，分析Q查线与缆道实测流量Q实测的误差，对33个流量测点进行合格率分析计算，相对误差精度≤10%合格率达到87.9%，误差情况见表2。

表2 查线流量与实测流量误差分析 m3/s

5.2 关系曲线检验分析

对关系曲线进行三线检验，从分析成果可见，比测33次的缆道实测流量与雷达波在线测流系统实测流量符合曲线关系，经检验计算，标准差Se=6.5%，随机不确定度13.0%，系统误差为0.21%。参照规范，二类精度水文站的系统误差≤1%、随机不确定度≤10%，雷达波在线测流系统测量值为水面流速，随机不确定度可增大2%～4%，定线精度满足规范要求。同时，符号、适线及偏离数值检验均及格，符合《水文资料整编规范》SL 247—2012的要求[5-6]。

6 需要注意的问题

在比测期间，雷达测流系统总体运行良好，但也存在一些不适应性。

1) 风速的影响。在低水期水面流速较低时，强风会影响水面流速，指标流速有时与实际流速相差较大；在大风尤其是台风侵袭期间，自动行车在强风中出现剧烈摇晃的情况，容易产生掉落的危险。因此，要对系统进行停测风速的设置，当风速达到一定的值时，停止雷达波系统进行流量测验[7]。

2) 由于该仪器流速测量范围为0.2～18 m/s，故低枯水时河道流速偏小时，仪器不适用。

3) 在高洪期，水位变化过快，雷达波测流系统与流速仪施测时间及水位变幅不一致，导致计算流量差异较大的情况，需在流速仪施测前中后期使用人工控制雷达波系统进行施测，取指标流量均值与流速仪流量进行比测。

7 结语

通过比测，在流量变幅为43.6～1 700 m3/s时，雷达波在线测流系统Q指标～Q实测关系符合幂函数关系，且相关关系较好，关系线通过三线检验，定线精度指标符合《水文资料整编规范》。雷达波在线测流系统在该站适应线良好，可以推广使用。

虽然雷达波在线测流系统在使用中有一些局限性，但相对常规测流方法来说，不仅可以解决高洪时期漂浮物较多的影响，还可以实现自动、高效的流量测验，雷达波在线测流系统可以为腰古水文站实现水文现代化、自动化提供有效技术支撑。