雷达波在线测流在渔梁水文站的应用

李 佳

(黄山水文水资源局,安徽 屯溪 245000)

山区河流河道坡度大,洪水过程陡涨陡落,流速大、冲刷力强,含沙量大、破坏力强,且涨水段漂浮物佷多,中高水测量阻力大[1-2]。传统的转子式测流方法自动化水平低,接触测流工作效率低,难以适应山区河流水文测验点多面广、任务繁重的新形势;当水位过高时,比降-面积法和浮标法进行流量测验时精度较差[3-5]。因此选用一种非接触的测流方式对于山区高洪期的安全监测意义重大。随着雷达波在线测流系统的普及,相较于传统测流方式,非接触的雷达波测流方式操作简单,自动化程度高,受气象环境的扰动小,监测精度高,装置易于维护,更适合山区流域的流速测量,尤其在中高水测流中作用显著。目前,雷达波在线测流已在各站点推广使用,但由于山区河流的复杂性,不同站点的使用场景、系数率定情况各不相同。本文结合渔梁水文站独特的水文特点,对雷达波在线测流成果进行比测分析,为雷达波测流方式的推广使用提供参考。

1 基本概况

1.1 水文站概况

渔梁水文站设立于1955年7月,位于皖南山区歙县徽城镇渔梁街,属钱塘江水系新安江流域主要支流练江,控制面积为1599km2。渔梁水文站是省级重要水文站、皖南山区1000～2000km2代表站兼新安江水库入库站、水利工程服务站,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。渔梁水文站冻结基面与1985国家高程基准差值为109.125m。

1.2 测验河段概况

测验河段顺直,左右岸均为浆砌块石护岸。中低水主槽宽度约220m,高水主槽宽度约250m,高低水无岔流、串沟等情况。河床左部为卵石,右部为砂土及卵石,洪水期冲淤变化小。河底水生植物较少,右岸滩地靠岸边部分有景观草坪。下游约1.8km处有始建于隋朝的渔梁坝,对中高水起控制作用。

2 雷达波在线测流系统

2.1 安装施测

渔梁水文站使用的是在线雷达波自动测流S3 SVRⅢ系统(简称“雷达波在线测流系统”),属非接触测流系统,由6个测流传感器总成、测流控制器、水位计和太阳能供电系统组成。6个测流传感器总成固定在桥梁上,定时采集流速和水位数据,根据流速面积法计算得到流量,其不受漂浮物、浑水、恶劣天气影响,可全程跟踪洪水过程[6-8]。

测流传感器总成安装在渔梁水文站基本断面上游950m处的太平桥上,测流传感器探头对准太平桥上游,结合太平桥上游地形、河道情况、水流特性、精度要求和设施等条件,确定了6条能够控制断面地形和流速沿河宽分布的代表垂线位置,分别安装在起点距25m、58m、93m、128m、165m及198m处,测量测流断面流速,并同步到雷达波在线测流系统中。考虑到左岸河道较顺直,河岸陡峭;右岸桥下游处有大片滩地、园地,容易阻水以及漫滩,流速很小,经过研究,探头靠近左岸方向安置,见图1。

图1 渔梁水文站雷达波在线测流探头位置

2.2 运行情况

雷达波在线测流系统自2019年8月26日建成使用至今,运行情况良好,可以满足长时间的测量需求。只有少部分时间系统出现错误,是因为非汛期时,水位低、流速小,达不到雷达波在线测流系统测量条件,测量会出现低于起测水位和有效垂线不足的提示,属正常现象。运行至今,练江发生了几场较大洪水,尤其是“2020·7·7”洪水达到50年一遇,通过使用雷达波在线测流系统可发现,流量级分布合理,比测成果较为可靠。

3 监测系统率定分析

3.1 适用性范围分析

雷达波在线测流系统断面与渔梁水文站测流断面间距约1km,中间无出入流,但渔梁水文站所处河段属于山区性河流,河底坡降较大,同时间的水位和通过两个断面的流量是不同的,特别是水位变化快时尤为明显,故在雷达波在线测流系统比测时,应根据水位流速情况进行时间上的延伸。比测方法为对采用渔梁水文站转子式流速仪和走航式ADCP所测流量与雷达波在线测流系统所测流量进行率定分析。

3.1.1 资料收集

比测资料采用2020年3—10月渔梁水文站实测流量资料,为了使雷达波在线测流系统与渔梁水文站实测流量资料时间同步,指标流量选取与渔梁水文站实测流量平均时间最近的雷达波在线测流系统所测的流量Q虚。共收集52份比测资料,其中流速仪比测资料39份,ADCP比测资料4份,电波流速仪比测资料9份,水位(冻结基面以上)变幅为1.86～9.34m,流量变幅为39.6～5130.0m3/s,平均流速变幅为0.12～3.61m/s,比测期间该站流量测次分布均匀,能控制流量变化过程,比测成果合理有效。

3.1.2 可靠性分析与适用范围

雷达波在线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,雷达波在线测量系统工作越稳定[9]。反之,雨强较大或流速很小时,雷达波在线测流系统测流结果不可靠。渔梁水文站平均流速、水位与雷达波测流比测系数见图2、图3。由图2可知,平均流速小于0.50m/s、大于3.00m/s时,系数点极其分散。由图3可知,当渔梁水文站基本断面水位低于3.00m时,流速小,雷达波测流结果不可靠。渔梁水文站水位在8.30m时,相应雷达波在线测流系统测流断面水位为9.30m,洪水逐渐淹没桥孔,桥梁阻水作用明显,过桥孔的洪水水流形态发生改变。当断面流速分布和流向均发生改变时,由于雷达波系统探头位置固定,所测水面流速与垂线流速、断面流量不成关系。因此,8.30m水位以上雷达波在线测流系统不再适用。当水位介于3.00～8.30m时,系数相对稳定,雷达波测流结果相对可靠。桥梁在一定程度上限制了雷达波的测流范围。

图2 渔梁水文站平均流速与雷达波测流比测系数

图3 渔梁水文站水位与雷达波测流比测系数

3.2 系数率定

结合测点情况,对3.00～5.00m和5.00～8.30m水位进行分段分析,对雷达波在线测流系统所测虚流量(横坐标)与流速仪、电波流速仪、ADCP、比降面积法等测验方法所测实流量(纵坐标)建立相关关系,见图4、图5。由图4、图5可知,两者相关系数均在0.9970以上,相关性强,其中3.00～5.00m水位率定系数为0.9315,5.00～8.30m水位率定系数为0.9503。

图4 实测流量与雷达波虚流量对比分析(3.00m≤z≤5.00m)

图5 实测流量与雷达波虚流量对比分析(5.00m＜z≤8.30m)

3.3 误差分析

根据系数率定成果计算雷达波系统所测成果,与实测流量进行比对分析,误差情况见表1。相对误差均小于10%,系数率定成果可靠,满足规范要求[9]。

表1 实测流量与雷达波流测流量比测误差情况

4 适用性校核

4.1 系数再率定

已率定的系数所用资料为2020年实测资料,为了对率定系数进行校核,利用2021年资料进行系数再率定。2021年汛前对雷达波在线测流系统断面进行了测量,断面面积冲淤变化小。此次率定的数据采用2021年5月16日至6月28日渔梁水文站实测流量资料,共收集17份比测资料,水位变幅为3.16～4.19m,比测期间该站流量测次分布均匀,能控制流量变化过程,比测成果见表2。对数据进行分析,建立相关关系,见图6。本次比测数据水位变幅在3.16～4.19m,系数为0.9334,与首次比测水位在3.00～5.00m的系数一致,系数率定成果可靠。

图6 渔梁水文站实测流量与雷达波虚流量对比分析

表2 渔梁水文站实测流量与雷达波测流流量比测成果

4.2 系数适用性验证

将率定后的系数用于分析2021年的数据,检查成果可靠性与适用性。截至2021年9月1日,取最大洪峰段数据进行系数校核,使用雷达波虚流量乘相应系数后的水位-流量关系与实测水位-流量关系线进行对比,结果见图7。通过对比可以看出,实测水位-流量关系与雷达波水位-流量关系基本一致,系数率定成果适用。

图7 实测水位-流量关系与雷达波水位-流量关系对比分析

5 结 语

渔梁水文站位于山区河流区域,山区河流的站点一般会选择在桥梁上安装定点式雷达波在线测流系统,优点是易固定、费用少且便于安装,但当桥梁两端出现漫滩时,雷达波测流的数据就失去了参考和应用意义,因此雷达波测量装置在安装位置和方法的选取上尤为重要。本文对雷达波测量装置在渔梁水文站的使用情况进行了长期监测和率定分析,结合成果分析:当渔梁水文站基本水位在3.00～8.30m范围内时,雷达波在线测流系统测量的数据成果参考性较强;当渔梁水文站水位低于3.00m时,流速偏小,超过雷达波在线测流系统使用范围,成果不可用;当水位超过8.30m时,水面将漫过太平桥桥孔,流速分布、流向发生改变,水流特性变化使雷达波在线测流系统测量数据不能作为参考和应用。雷达波的瞬时测量值存在变化,考虑到雷达波在线测流系统的自动化、高效化,可以将雷达波测流方法作为备用测验手段。本文结合渔梁水文站水文特点总结出的使用雷达波测流装置的使用方法和适用条件,可为其他类似的山区河流水文站提供参考。■