甘棠江电波流速仪比测分析

刘春杰

（桂林水文中心站，广西 桂林 541200）

灵川水文站流量测验依靠走航式ADCP在断面下游300 m的灵川三桥施测，存在费时、费力和安全隐患问题。根据便携式电波流速仪应急桥测洪水有关技术要求，在灵川三桥应用便携式电波流速仪进行流速关系比测率定的目的是分析便携式电波流速仪测量的流速与走航式ADCP施测的流速的相关关系，以获得各水位级电波流速仪流速系数，通过比测分析，（掌握便携式电波流速仪在灵川水文站应用的系数，在应急等特殊情况下直接测验流量）稳定性、准确性和适用性等，摸索便携式电波流速仪在灵川水文站进行流量测验的可行性，以实现灵川水文站流量应急监测“单兵作战”模式。

1 测站概况

1.1 测站河段概况

灵川水文站位于广西桂林市灵川县三桥上游300 m，是漓江右岸一级支流甘棠江的主要控制水文站，站址距河口距离10 km，集水面积672 km2，主要测验项目有水位、降水、流量。测验河段顺直，基本断面呈“U”形，上游700 m处有一浮桥，下游300 m有灵川三桥大桥，该处为有一急滩，作为低水控制水流湍急。断面上游17 km 有青狮潭水库，集水面积474 km2，为多年调节水库，对断面的来水时程分配有较大的调节作用。洪水历时一般为30～70 h，洪峰历时为1～2 h左右，水位流量关系基本呈单一曲线。

1.2 水文特征

根据实测及历史调查资料，灵川水文站历年最高水位162.96 m，最大流速3.10 m/s，最大流量1430 m3/s，均出现在2017年8月14日。

按国家现行标准《河流流量测验规范》（GB50179-2015）规定，灵川水文站为二类测验精度水文站，高、中、低水位级划分如下：高水为162.00 m 以上；中水为159.50～162.00 m；低水为159.50 m以下，以上水位均采用1985国家高程基准。

2 测验情况

2.1 电波流速仪原理

便携式电波流速仪SVR 是一种手持式表面测速雷达，参照均匀浮标法，在桥上利用便携式电波流速仪测定多条垂线的水面流速（见图1），按照流速面积法计算断面虚流量Q0，乘以断面平均水面流速系数K1，得到断面流量Q，即Q=Q0×K1。

图1 电波流速仪测速示意图

2.2 测验断面布设

便携式电波流速仪测流断面位于灵川三桥上游，自左岸至右岸与桥呈水平6°，桥上观测点到临时断面平均距离34.40 m，确定9 条测速垂线，监测断面示意图见图2。

图2 灵川三桥监测断面示意图

2.3 流速测验方法

准备好便携式电波流速仪主机、三角架、无线WiFi、便携平板电脑、配套最新Windows操作系统和测流软件，到达测流桥上标识的固定位置，将电波流速仪安装在三脚架上，检查仪器电压、倾角，将水平角设置为零度、测量单位选择为m/s。在桥上架好电波流速仪，打开平板电脑，启动测流软件，连接WiFi，并将仪器对准水流方向。

2.4 流量测验成果分析

比测采用德卡托便携式电波流速仪与瑞智走航式ADCP 在灵川三桥同步进行流量测验，桥上布设垂线9条，比测从2017年5月23日开始至2018年8月17日结束，测次布设在高、中、低水位级，共比测10 份流量，其中比测最高水位为162.85 m，比测最低水位为158.65 m，实测最大流量1330 m3/s，实测最小流量15.0 m3/s，经过比测最大流量系数0.869，最小流量系数0.223，根据不同水位级得出不同流量系数，实测流量与虚拟流量比测成果为单一曲线，结果见图3和表1。

图3 虚拟流量与ADCP流量关系图

表1 ADCP与电波流速仪虚拟流量系数分析计算表

通过虚拟流量与实测流量回归方程相关系数达到0.9 981，建立水位与系数的关系图（见图4），经过人工修订水位系数方程y=0.0 143x3-6.9 797x2+1 131.8 075x-61 175.883，分别计算每个水位级相关系数分别在0.21～0.85之间，中、高水以后系数较为稳定基本在0.85 左右，具体查看水位系数关系图4及电波流速仪水位系数查算表2。

图4 水位系数关系图

选取10份实测资料进行分析，在低水使用电波流速仪测速时流速小于仪器允许误差，我们舍去低水2份资料，第4和第5份资料在实测对比时由于受外部环境下雨和汽车过马路的影响舍去突出点2份资料，我们只采用6份流量进行检验，随机不确定度为6.90%＜18.0%，见实测与线上流量检验表3。

表2 电波流速仪水位级系数查算表

表3 实测与线上流量检验表

通过以上实测与线上流量分析，随机不确定度在允许范围内，但为了简化测速方案分别试算2 条和5条测速垂线成果，选取以断面起点距为61、81 m的2条测速垂线试算，随机不确定度为22.2%，已超出允许范围；选取以断面起点距为21、41、61、81、101 m 的5 条测速垂线试算，随机不确定度为12.1%；在以下3个测速方案中5条和实测资料都在允许范围内，但为简化测速垂线以5 条测速垂线为最佳测速方案（见表4）。

表4 灵川水文站电波流速仪测速优化方案取舍

3 结论

灵川水文站采用2017-2018年两年实测电波流速资料进行对比分析。通过在甘棠江灵川县城（三桥）布设的固定电波流速仪断面，使用ADCP走航式与电波流速仪在不同水位级进行同时比测，经过分析虚拟流量与实测流量相关系数达0.9 981，找出水位与系数相关关系，计算水位与系数表。简化垂线数最终选取5 条垂线为最佳测洪方案，通过以上两项分析成果得出，灵川水文站电波流速仪系数分析成果可靠实用，在大洪水应急监测时可作为最佳测洪方案，但由于资料甚少，在今后工作中需增加比测资料，再次进行分析和检验。