雷达波在线测流系统在屯溪水文站的应用

钟维斌

(黄山水文水资源局，安徽 黄山 245000)

1 屯溪水文站概况

屯溪水文站设立于1950年6月，集水面积为2670km2，属钱塘江流域新安江水系，是新安江干流的主要控制站，同时也是国家重要站。该站为皖南山区1000～3000km2区域代表站，为防汛抗旱、水资源监测管理保护、水土流失监测与保护、水生态治理、水环境保护等提供服务。

测验河段顺直长度约3.0km，河槽呈U形，河底平均高程为119.0m。左岸为护堤，右岸为景观带自然护坡，中低水主槽宽度约200.0m，高水主槽宽度约230.0m；河底水生植物较少，右岸滩地靠岸边部分有景观植物。屯溪水文站基下4.1km处建有湖边水利枢纽工程，正常蓄水位为122.3m。平水期间，流量主要受蓄水、发电影响，测流断面处水深变化在3.1～3.5m之间，流速较小；洪水期间，受枢纽工程闸门启闭影响，同等级流量条件下水位变幅较自然条件下减小。

2 雷达波测流系统安装施测

2.1 系统简介

屯溪站定点雷达波在线测流系统是非接触测流系统，由6个测流传感器、测流控制器、雷达水位计和供电系统组成。雷达波系统测速基于多普勒原理，能定时或人工召测采集流速、水位、风速等数据，并通过GPRS模块发送到测流平台，平台根据流速面积法计算得到流量，不受漂浮物、浑水等条件影响，安全高效，全程跟踪洪水过程，特别适合高洪流量监测[1]。

2.2 安装位置及方法

系统设备安装在屯溪水文站基上86.0m跨河公路桥梁上，测流传感器探头对准上游电波流速仪桥测断面。结合测流断面地形、水流特性、精度要求和设施等条件，分析代表垂线平均流速与断面平均流速关系的稳定性，确定能够控制断面地形和流速沿河分布的代表垂线位置[2]。

2.3 代表垂线位置分析

2.3.1 断面流速分布

屯溪水文站电波流速仪桥测断面处河段顺直，高低水无岔流、串沟等情况。河床左部为卵石，洪水期稍有冲淤变化，右部为连片岩石，冲淤变化小。屯溪水文站电波流速仪测流断面见图1。

图1 屯溪水文站电波流速仪测流断面

以横坐标为起点距，纵坐标为高程，同时点绘手持电波流速仪测得的各垂线多年平均流速，见图2。手持电波流速仪测得的断面流速横向变化趋势与断面河底变化基本一致，说明手持电波流速仪所测流速横向分布合理。

图2 屯溪水文站电波流速仪断面与流速横向分布套绘图

2.3.2 代表垂线平均流速与断面平均流速关系分析

根据屯溪水文站电波流速仪测流断面图、电波流速仪断面与流速横向分布套绘图，选取均匀分布在测验断面处，且对水深和流速横向分布能够较好控制的断面起点距0、30.0m、82.6m、114.6m、152.6m和187.6m 6条垂线进行分析，并在各个流量级进行流量精简计算。所得精简流量与实测流量进行比对，成果见表1，精简前后最大误差为3.7%，最小误差为0，平均误差为0.2%，说明精简后垂线代表性较高，能控制断面流量。6个测流传感器探头可安装在起点距0、30.0m、82.6m、114.6m、152.6m和187.6m大桥上游一侧。

表1 测速垂线精简前后流量误差

3 分析率定

雷达波在线测流系统断面与屯溪站测流断面间距离短、无出入流，但中间有公路桥，对水流分布影响较大，故雷达波在线测流系统比测采用屯溪站转子式流速仪、走航式ADCP等仪器所测流量与雷达波在线测流系统所测虚流量进行率定分析。

3.1 资料收集

比测资料采用2020年4月3日至7月10日屯溪站实测流量资料，为了使雷达波在线测流系统测量数据与屯溪站实测流量资料时间同步，指标流量选取与屯溪站实测流量平均时间相对应的雷达波在线系统流量Q虚。共收集120份比测资料，屯溪站实测流量变幅为37.3～5210.0m3/s，平均流速变幅为0.058～3.290m/s，比测期间本站流量测次分布均匀，能控制流量变化过程，比测成果见图3。

图3 屯溪站实测流量与雷达波虚流量比测成果

3.2 分析范围

雷达波测流系统基于多普勒测速原理，流速越大，漂浮物越多，反射波越强，系统工作越稳定[3]。

将雷达波虚流量作为横坐标，各流量对比系数作为纵坐标，点绘成图(见图4)。由图4可以看出，雷达波虚流量小于600m3/s时系数变幅大，雷达波测流系统不稳定。而雷达波虚流量不小于600m3/s时系数基本稳定在0.8～1.0之间，系统所测流量相对可靠，可作为研究分析对象。各流量级对比系数在0.8～1.0之间的占比见表2。

图4 雷达波虚流量与对比系数关系

表2 各虚流量级对比系数在0.8～1.0之间的占比

3.3 系数分析

将雷达波测流系统所测虚流量不小于600m3/s的测次与屯溪站实测流量共76组数据分流量级建立相关关系[4]，以雷达波虚流量Q虚为横坐标，屯溪站实测流量Q实为纵坐标点绘成图，见图5～图7。由图5～图7 可以看出，各流量级相关关系为线性关系，曲线2、曲线3相关系数在0.90以上，相关性较高，而曲线1相关系数为0.73，有一定相关性但关系较差，见表3。

图5 雷达波虚流量600m3/s≤Q虚<1000m3/s 流量比测相关分析

图6 雷达波虚流量1000m3/s≤Q虚<2500m3/s 流量比测相关分析

图7 雷达波虚流量2500m3/s≤Q虚流量比测相关分析

表3 各曲线关系式

4 误差分析

根据雷达波系统流量Q雷与雷达波系统虚流量Q虚的相关关系式，计算雷达波系统流量Q雷，分析Q雷与实测流量Q实的误差，相对误差精度不大于10%的合格率达92.1%[5-6]。

4.1 关系曲线检验分析

屯溪站实测流量Q实与雷达波测流系统所测虚流量Q虚符合曲线关系，对3条关系曲线进行三项检验，经检验计算，成果见表4、表5、表6。符号检验、适线检验及偏离数值检验方面3条曲线均合格；随机不确定度、系统误差方面曲线2、曲线3较小，比测精度指标符合《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)的要求，而曲线1偏大，超出规范要求[7]。

表4 曲线1三项检验

表5 曲线2三项检验

表6 曲线3三项检验

4.2 突出点分析

对研究分析测次进行突出点分析，发现影响雷达波测验稳定性的主要因素为风力风速、雨强、湖边枢纽调控等。

4.2.1 风力风速影响

选取测验时有风的测次，对流速与风速进行对比，点绘流速/风速-系数关系图，见图8。由图8可以看出，流速/风速小于1时，即流速小于风速，大多数比测系数不在0.8～1.0之间，风速对雷达波测验影响较大。反之，流速/风速大于1时，比测系数基本稳定在0.8～1.0之间。

图8 流速/风速-系数关系

4.2.2 降水影响

选取所有比测时有降水的测次，点绘雨强-系数-流速关系图，见图9。由图9可以看出，雨强大于0.04mm/min且流速小于1.0m/s时，雷达波系统所测虚流量偏大，系数偏小；流速越小雨强越大，所受影响越明显；当流速足够大时，雨强对测验影响减弱。

图9 雨强-系数-流速关系

4.2.3 水利枢纽调控影响

屯溪站水情稳定性主要受湖边枢纽调节影响[8-10]。雷达波测流系统仅监测河流表面流速计算流量，闸门调控时不能很好地监测断面流量变化，此时所测虚流量偏小，系数偏大。

5 成果验证

5.1 流量过程线对比

选取屯溪站最大7d洪量流量过程线与雷达波流量过程线进行对比，见图10。流量过程基本一致，但有小部分雷达波流量测次出现跳变情况。分析原因主要是受降雨等因素影响，部分测次垂线信号差不能测得流速，雷达波虚流量偏小；雷达波施测时有游船、飞鸟等物体快速通过，使部分测次垂线流速偏大，雷达波虚流量偏大。

图10 流量过程对比

5.2 最大径流量对比

将屯溪站与雷达波测流系统最大1d、最大3d、最大7d径流量进行对比，结果见表7。相对误差最大的是最大7d径流量，为1.1%；最小的是最大3d径流量，为0。各对比项相对误差均小于3.0%，说明雷达波测流系统推流精度较高。

表7 径流量对比

6 结 语

本文对屯溪水文站雷达波在线监测系统的仪器安装、位置选择、分析率定、误差分析等进行了研究，结果表明，比测期间雷达波在线测流系统总体运行良好，系统虚流量不小于1000m3/s时，测量结果符合《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)中浮标法测流精度要求，可以作为屯溪水文站流量测验方法使用。虽然雷达波测流系统在使用中具有一定局限性，但相对于传统测流方法来说，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、完整、高效的流量测验，提高了测流成果的时效性，为实现水文现代化、自动化提供了有效技术支撑[11-12]。