特高频雷达在界河水文实时监控过程中的应用

2021-02-26张弘

东北水利水电 2021年2期

张弘

（辽宁省丹东水文局，辽宁丹东118000）

1 研究方法

1.1 研究对象

所选测验河段为界河干流河段，水量丰沛，同时由于多径流汇入历史上有发生较大洪水的水文记录；年内降雨量分布不均，主汛期集中在6—9月；河道比降逐渐减小，平均比降为0.9‰，挟沙能力较弱，并且两岸植被覆盖较好，河流含沙量较小；河段顺直，河床主要由砂石、卵石组成，测验断面年际间及汛前、汛后变化不大，主槽稳定，左右摆动情况较小。

多年来，该河段采取过传统铅鱼船测，但由于单次测验过程的繁琐，实用性显然不能满足现阶段水文监测需求；后又改为ADCP 走航式测量，但考虑高洪水文作业的安全性和界河作业的国际影响，引进特高频雷达实时监测系统。

1.2 研究方向

特高频雷达实时监测系统（RiverSondeTM）是一种与河流无直接接触的河流监测系统。该系统使用了用于监测沿海海洋涌流的海洋探测器技术，是目前唯一用于表面涌流测量，具有良好记录的系统，并因其测量精确和易于使用立于涌流测量技术的前沿。

特高频雷达实时监测系统是安装于河岸之上、与河面无直接接触的河水速度监测系统，系统自动地收集、处理并储存河面数据。应用计算机界面，这些数据可以以表格或图表的形式表现出来，也可传输用于远程归档或处理。

此次研究分两部分进行：一是在中低洪水情形下对比ADCP 走航式测量数据与特高频雷达实时监测系统数据，建立数学模型，确定相关系数；二是在中高洪水情形下，通过定点投放新型GPS浮标，比对浮标流速与特高频雷达覆盖相应点的实时流速，分析特高频雷达数据准确性。

1.3 数据比对

1）ADCP 与特高频雷达实时监测系统数据对比。采用机动测船拖拽ADCP 实测流量，均匀布设流量测次，利用日本拓普康免棱镜全站仪测量固定水边起点距。同时实时监测测流断面的水位，以及非接触式RiverSondeTM 原始测量数据截取，保证数据同步。此次实验自2017年8月3日10 时开始，至8月5日1 时结束，共实测流量7次，水位变幅2.42 m，各水位级流量测次均有分布。对比结果如表1，走航ADCP 与RiverSondeTM 实测流量如图1。

从图1 可知，各时间段速率变化趋势一致，代表了河流表面速度横向分布变化。各测量垂线数据与实际情况相符，代表性较好。

通过绘制ADCP 实测流量与非接触式River-SondeTM 实测流量相关图，确立直线回归方程y=0.84x+14.3，相关度R2=0.993,两者相关关系密切。说明非接触式RiverSondeTM 测量效果满足河道流量测验要求。

表1 相同水位级走航ADCP 与非接触雷达测量数据对比

图1 走航ADCP 与RiverSondeTM 实测流量图

2）新型GPS 浮标与特高频雷达实时监测系统数据对比。漂流浮标用船只投放，投放点离雷达天线沿江距离为大约1000 m，漂至天线另一面距离1000 m 处捞起。共5 只浮标用来做比对实验，浮标离江岸的距离从几十米到几百米不等。浮标的GPS 位置每秒自动纪录，浮标的南北，东西流速分量利用100 s 内的数据点通过最小二乘方求得：

图2 漂流浮标与RiverSondeTM 流速对比

实验数据的对比从浮标的位置信息开始，每30 s 的数据由上述计算式计算出速度。根据浮标在此位置的时间而确定用哪一个径向流速的文件，在径向流速的文件中找出离此位置10 m 内的所有径向流速矢量，将这些流速矢量反投影到平行江岸线的方向，再取平均值。通过绘制流速差值图3，发现浮标所测流速值与特高频雷达实时监测系统所测值吻合良好，流速差在5%～8%。