电波流速仪流量测验在贵港水文站的可行性分析

2020-03-11邓振翔

广西水利水电 2020年1期

陈丽，邓振翔

（贵港水文中心，广西贵港 537100）

1 基本情况

1.1 测站概况

贵港水文站是国家重要水文站，设立于1941年，位于贵港市港北区贵城镇震塘村郁江河段左岸，是珠江流域西江水系郁江出口控制站。该站集水面积86 333 km2，主要测验项目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、岸温、水质。自建站以来最高水位46.93 m（2001年7月10日）（85基准，下同），最低水位26.18 m（1964年1月17日），实测最大流量16 000 m3/s（2001年7月9日），实测最小流量64 m3/s（1998年5月11日）。历史调查最高水位47.77 m（1913年），最大流量19 400 m3/s（1913年）。

1.2 测站附近水利工程情况

（1）西津水电站。位于郁江中上游，距上游南宁市约 100 km，于 1958年 10月动工兴建，1966年 7月开始蓄水发电，总装机容量234.4 MW，年均发电量10.91 亿kW·h，该电站对上游南宁站10 000 m3/s以下洪峰来水起到明显调峰、削峰作用。

（2）贵港仙衣滩航运枢纽。位于西津电站下游114 km 及贵港水文站基本断面上游6.5 km 处。总装机容量120 MW，1997年底建成，对贵港水文站中低水流量测验有一定影响。

（3）桂平马骝滩航运枢纽。位于西津电站下游215 km处有桂平马骝滩航运枢纽，总装机容量46.5 MW，1992年建成，对贵港水文站中低水流量测验有一定影响。

1.3 流量测验

目前，贵港水文站常规流量测验方式，采用的是定点式ADCP 流速剖面仪，该测验方式在贵港站已通过比测率定，并且每年采用走航式ADCP 进行校测，成果可靠。

2 可行性比测分析

为加大推广水文新仪器设备应用力度，提高流量测验效率，减轻劳动强度，依靠贵港水文站河段现有的设施等便利条件，在该站开展电波流速仪流量测验，同时与定点式ADCP 在线监测的流量对比分析，验证电波流速仪流量测验在贵港水文站的可行性，达到单兵作战和提高测验安全的效果。

2.1 参与比测仪器设备情况

（1）定点式ADCP。采用美国RDI 公司生产的新一代ChannelMaster600 型水平ADCP（简称CM 型H-ADCP），它具有结构紧凑、标准配置高、功能强等特点。测速范围±5 m/s，单元数为1～128，测到的剖面范围最大90 m。该仪器同时配有压力式水位计、超声波水位计及温度探头。

（2）电波流速仪。采用美国ACI（Applied Concept Inc.）公司生产的斯德克电波流速仪Stalker II SVR，该设备轻便、简洁，易于安装。主要性能指标如下：①测速范围：0.20～18.00 m/s；②测速精度：±3 cm/s；③ 测速计时：精度1 s，分辨率0.1 s；④ 测速历时：1～99.9 s；⑤ 波束宽度：12°；⑥ 微波功率：50 mW；⑦微波频率：Ka 波段34.7 GHz；⑧最大测程：100 m；⑨显示内容：瞬时流速、平均流速、测速历时、回波强度、流速方向和发射状态；⑩角度补偿：内置俯仰角传感器自动补偿，水平角手动输入。

2.2 断面布设

2.2.1 断面选址

贵港水文站测验河段顺直、稳定，断面沿程变化均匀，河段内无暗礁、深潭、跌水等阻碍正常水流；流量测验断面形状基本呈U型，左岸为岩石，河底为石质，右岸为粘土和泥沙，水流较集中，无分流、岔流、回流、死水等现象发生，水流较平稳，无急剧的涌浪、漩涡。断面选址见图1；电波流速仪测流断面大断面见图2。

图1 贵港水文站测验断面布设示意图

图2 贵港水文站电波流速仪测流断面大断面图（基下200 m）

2.2.2 断面布设

贵港站测流断面下游230 m 处建有罗泊湾大桥，该桥为拉索桥，桥面基本水平。桥面平均高程约64 m，电波流速仪测流断面布设在基本测流断面下游200 m 处，距罗泊湾大桥上游面摆电波流速仪位置30 m，贵港站最高实测水位46.93 m，受电站影响后最低水位约32.0 m，经计算，在最高、最低水位时电波流速仪的俯角在30°～45°之间，符合仪器要求。电波流速仪断面共设置12条垂线，起点距分别为 40、80、110、125、155、185、220、260、300、330、360、390 m，设置的垂线与贵港水文站原流速仪测流断面垂线起点距一致。电波流速仪测流垂线布设见图3。

图3 电波流速仪测流垂线布设图

2.3 比测方法

将电波流速仪安装在三脚架上，平稳放置在设置好的起点距位置上，量取仪器高，填写电波流速仪安装参数记录表，根据水平方位角、俯角调整仪器姿态，将电波流速仪探头瞄准到测流断面垂线上。利用电波流速仪进行测量，测量时长约30～60 s，当显示的读数稳定时，可认为是水流表面速度。根据不同的水位级施测8～10 条垂线，然后采用流速面积法计算断面虚流量，与定点式ADCP 在线测流系统实测流量数据进行对比分析。

2.4 比测情况

贵港水文站水位分级为：低水（33.0 m以下）、中水（33.0～43.0 m）、高水（43.0 m 以上）。由于本年度该站未发生高洪以上水位，故只比测到中洪水位级，低水位级因为流速小，不进行比测。其水位变幅范围为34.16～40.50 m，流量变幅范围为2820～7840 m3/s。共比测30份流量测次，既测有涨水面流量数据，也测有退水面流量数据，还有受浔江顶托时的测流数据，所选取的数据均合理可靠。同时，定点式ADCP使用正常，同步开展测验，数据也合理可靠。比测成果见表1。

表1 贵港水文站流量比测成果表

2.5 比测分析

点绘电波流速仪流量与固定式ADCP流量关系曲线图，建立线性关系，确定电波流速仪水面系数，根据水文特性选定直线y=bx进行两者的相关分析计算，采用最小二乘法计算出水面系数K=1.0 868，相关公式y=1.0 868x，R2=0.949，采用水文计算习惯，选用信度水平α=0.05，根据30 次的对比资料，查相关系数临界值表，得Rα（n-2）=R0.05（28）=0.3 620，R＞R0.05（28），说明两者相关比较显著，说明建立的回归方程是显著的（见图4）。

图4 电波流量与ADCP流量关系图

通过公式Q电计=1.0 868Q电，用电波流速仪测量的断面虚流量与水面流速系数相乘，计算出相应的断面流量（Q电计），再与固定式ADCP 测量断面流量进行关系曲线检验。检验表见表2。

表2 Q 电计与QADCP关系曲线检验及标准差统计表

序号日期 QADCP/（m3/s）（m3/s） p%Q 电计/适线检验方法（P%）2（P--P）（P--P）2 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30样本容量：N=30 正号个数：14 符号交换次数：15符号检验：u=0.00 允许：1.15（显著性水平a=0.25）合格适线检验：U=-0.37 允许：1.28（显著性水平a=0.10）免检偏离数值检验：|t|=0.61 允许：1.30（显著性水平a=0.20）合格标准差：Se=5.93% 随机不确定度：11.86% 系统误差：-0.62%7月18日7月18日7月19日7月19日7月19日8月5日8月5日8月6日8月6日8月7日8月8日8月9日9月3日9月4日5680 5660 4770 4530 4200 7360 7090 7710 7720 7840 6890 2560 6100 5980 5280 5740 4270 4880 4400 7190 7330 7900 8110 8150 7010 2610 6230 6300-7.04 1.41-10.48 7.73 4.76-2.31 3.39 2.46 5.05 3.95 1.74 1.95 2.13 5.35 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 49.56 1.99 109.83 59.75 22.66 5.34 11.49 6.05 25.50 15.60 3.03 3.80 4.54 28.62-6.42 2.03-9.86 8.35 5.38-1.69 4.01 3.08 5.67 4.57 2.36 2.57 2.75 5.97 41.2 164 4.1 209 97.2 196 69.7 225 28.9 444 2.8 561 16.0 801 9.4 864 32.1 489 20.8 849 5.5 696 6.6 049 7.5 625 35.6 409

当前，国内未出台相关电波流速仪流速关系率定的技术规范和标准，本次分析主要参考《水文资料整编规范》（SL247-2012）中的水位流量关系定线精度要求：

（1）采用常规的接触式测流方法时，依据《水文资料整编规范》（SL247-2012）中表3.3.2-1，比测结果的相对系统误差在±1%内，且随机不确定度不超过8%时，流速比测合格。

（2）电波流速仪测流技术，其实质就是对水流表面流速的测量，从原理上与水面浮标法类似。因此，其精度评定可参照水面浮标法标准，即定线随机不确定度允许误差可增大2%～4%，即为10%～12%的误差范围。

从检验结果可知，各项指标参数检验均达到了规范要求，是合理的。