多点雷达波流量在线监测在水文站的应用

2021-10-22嵇海祥李仲仁韩宝豆

水利技术监督 2021年9期

嵇海祥，李仲仁，梅宏，韩宝豆

(1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京 210012；2.安徽省芜湖水文水资源局，安徽芜湖 241003)

1 基本情况

宁国水文站位于宁国市中东津河左岸，距河口(汇入水阳江)2.6km，流域面积1335km2，为皖南山区1000～2000km2代表站，国家级基本站和省级重要水文站。主要监测中东津河的水情变化情况。历史最高水位为49.87m(2019年8月11日)，最大流量为3730m3/s(2019年8月11日)。

水文站测验河段较顺直，左岸为标准堤防，右岸有山体控制，右岸护坡为竹林，对流量测验有一定影响。低枯水时，右岸有近60m长滩地。河床由卵石组成，2016年经过断面整治后，断面趋于稳定，无明显冲淤变化。断面上游约300m处有西津办事处潘村金桥大桥一座，上游约5.4km处有中津河汇入，下游100m处有排灌站一座，下游2.6km处汇入水阳江。站点大断面如图1所示。

图1 宁国水文站大断面图

2 多点雷达在线流量监测系统

2.1 雷达波测流原理

RQ30作为定点式雷达测流系统[1]的一种，其测流原理如图2所示，其设备包括一体化嵌入系统装置，嵌入系统内置SIMK(simulation of k)模型和预先设置的断面及边界数据，将传感器采集得到的实时水位以及多个雷达流速采集到的表面流速作为输入，通过SIMK模型算法输出实时流量，从而获得流量的在线监测[5]。SIMK模型是利用水力学原理，结合河道断面特性以熵作为基本概念去求解河道横断面的流速分布方程，通过概率密度函数和熵函数求解并确定整个断面的流速分布[5]。

图2 多雷达测流原理图

建立模型后，将剖面形状、糙率、测量点坐标等数据作为参数输入模型内，模型经过断面流场分布的模拟，利用监测的实时水位以及大断面数据推求出过水断面面积，利用监测的多点表面流速推算出对应点相应断面的平均流速，最终获得单点对应过水断面的瞬时流量[6]。其流量的计算方法同流速仪测流原理类似，即先通过部分流速乘以部分面积求得断面的局部流量，然后将各局部断面流量叠加求出整个断面流量。公式如下：

(1)

式中，Qf—所测断面流量，m3/s；Ai—部分断面面积，m2；Vi—部分平均流速，m/s；qi—部分断面流量，m3/s。

2.2 在宁国水文站的应用

多点雷达在线流量系统安装在宁国水文站基本测流断面上游200m处金桥大桥上，安装方式采用桥上安装，传感器垂直面向上游来水方向，现场布设1(RQ30D型)+2(RG30D型)共计3个非接触式传感器控制断面，传感器之间通过通信线缆连接，测站将实时采集的水位流速流量等信息每5min实时传输到中心站数据服务平台。

3 成果分析

宁国水文站多点雷达在线流量监测系统安装调试完成后已正常运行近1年，期间水文站共实测流量28次，采用走航式ADCP施测2次，其余均采用缆道流速仪施测。为鉴定在线流量监测成果是否可用，将水文站实测流量整编成果与该测流时段内在线流量监测数据的平均值进行比测分析[7]，其一分析在线监测数据的准确性，其二分析在线监测数据与实测数据的相关性[8]，并按SL 247—2012《水文资料整编规范》[10]要求进行成果的三项检验，结果见表1。

表1 三项检验成果计算表

3.1 水位流量关系分析

从目前运行期间的水位流量过程线(如图3所示)以及相应的水位流量关系曲线节点表(见表2)进行分析，多点雷达在线流量监测系统数据水位流量整体涨落关系良好，水位流量过程平滑，少有跳变，多次洪水过程成果均能够满足相关规范要求，仪器工作稳定，测流数据稳定。

表2 在线监测水位流量关系曲线节点表

图3 断面水位流量过程线

多点雷达在线流量监测系统数据以实测流量的时段对应的流量取均值后，对水位流量关系进行定线分析。曲线拟合后的系统误差仅为0.8%，如图4所示。标准差、随机不确定度及三项检验结果均合格，满足一类精度站的资料整编规范要求。

图4 在线监测水位流量关系曲线图

3.2 在线流量与人工流量比测分析

通过在线流量监测数据与水文站人工实测流量数据进行对比，在低水、中水、高水不同阶段，在线流量与实测流量呈现不同关系(见表3)。根据站点实测大断面情况进行分析，在水位42.45m以上有滩地，过水断面面积增大，其水位流量关系相关性不好，故以水位42.45m，流量100m3/s为界分段分析实测流量与在线流量相关关系。在低水状况下，由于受到雷达波本身限制，测流范围在0.3m/s以上，低水测流状况不好，但在中高水阶段测流的精度满足规范要求。