东至（二）水文站侧扫雷达比测分析

2023-07-28张若野

陕西水利 2023年7期

张若野

（安徽安庆水文水资源局,安徽安庆 246000）

1 测流概况

1.1 测站特性

东至（二）水文站位于安徽省池州市东至县尧渡镇樟树村。东至（二）水文站于1958年6 月设立,原名为至德站,1972年改称东至站,2001年1 月由尧渡镇金家湖村下迁4 km 至尧渡镇汪庙村,改称东至（二）站,控制面积由原451 km2变为458 km2。为皖南山区200 km2~500 km2代表站,国家基本站、省级重要站、二类精度站,具有防汛抗旱、水资源管理、水质监测、墒情监测、地下水监测等功能。工作任务包括降水、蒸发、水位、流量、水质、墒情、水文调查等。

本站测验河段较顺直,河床为岩石组成,稳定无分流,基本水尺断面为梯形,水面宽变幅100 m~180 m。测验断面左岸为206 国道,右岸为护城堤。基本水尺断面上游742 m 处有一公路桥,高水期间河道漂浮物过多或缆道不能正常运行时,采用在公路桥上电波流速仪施测流量；上游3.0 km 处有一蓄水发电站,蓄水坝坝顶高20.03 m。下游3.8 km 处有一橡胶充气坝,对测站起低水控制作用。

1.2 雷达安装位置

侧扫雷达在本站的安装地点为岸边,水泥浇筑基础,见图1,供电方式为交流220 V 转直流12 V,安装位置的高程为22 m。

2 比测数据说明

2.1 数据来源

此次比测使用数据来源于2021年3 月1 日13 时~2022年8 月25 日15 时期间侧扫雷达运行数据。

2.2 数据初步分析

侧扫雷达数据于2021年3 月1 日13 时~2022年8 月25 日15 时期间,在202年3 月17 日 13:08,水位为17.83 m,出现最大流量,最大流量为1175 m3/s,对应平均流速为2.67 m/s,在2021年8 月8 日 16∶30，水位为14.4 m，出现最小流量为3.06 m3/s，对应平均流速为0.23 m/s,雷达在测流期间水位动态范围见图2。

图2 水位动态范围图

2.3 数据完整度

实时数据完整率为实际接收数据数量与预期数据接收数量的比值,表示了实时数据是否完整。本次侧扫雷达数据提供了10 min 平均值统计数据,每10 min 包含20 个测距段,各测距段的数据量、完整率见表1。

探测距离/m 实际数据量/个预期数据量/个完整率/%12 69443 76764 90.46 22 69443 76764 90.46 32 69443 76764 90.46 42 69443 76764 90.46 52 69443 76764 90.46 62 69443 76764 90.46 72 69443 76764 90.46 82 69443 76764 90.46 92 69443 76764 90.46 102 69443 76764 90.46 112 69443 76764 90.46 122 69443 76764 90.46 132 69443 76764 90.46 142 69443 76764 90.46 152 69443 76764 90.46 162 69443 76764 90.46 172 69443 76764 90.46 182 69443 76764 90.46 192 69443 76764 90.46 202 69443 76764 90.46

2.4 数据缺测说明

侧扫雷达在实际运行过程中会受到外部环境（水文站断电、人工调试）以及内部环境（路由传输）等影响,导致雷达出现数据缺失现象。经统计分析,东至站共缺失7321 组数据,均非单一时段缺失数据,为传输不稳定导致以及断电所致。

3 测扫雷达数据分析

3.1 流量计算方法说明

侧扫雷达测流系统软件利用流速面积法进行断面流量的计算,依据布拉格散射和多普勒原理得到各距离段表面流速分布,加上已知的河流横截面及根据测站自记水位计查得相应水位,从而算出河流流量。侧扫雷达测流系统的默认水面系数设置为“1”。采用《河流流量测验规范》均匀浮标法的流量计算方法,把实测表面流速当做浮标流速,逐条测段累加：部分平均流速、部分面积、部分流量。断面流量的计算方法与流速仪法测流计算方法相同。具体计算公式如下。

式中：Q为雷达流量；

3.2 雷达数据筛选

2021年3 月1 日13 时~2022年8 月25 日15 时期间,侧扫雷达有效数据共69443 条,无效数据7321 条（因设备调试,状态调整,断电等原因）,数据到达率为90.46%。另外,统计同一时间段不同探测距离信号强度,依据河流断面最深处信噪比为参考,信号强度小于80%数据,应给予剔除,剔除后数据占比为91.49%。信号强度分布见图3。

3.3 雷达数据成果

3.3.1 过流面积分析

选用2021年3 月1 日13 时~ 2022年8 月25 日15 时期间共69443 组自动测流实测数据,绘制水位过流面积见图4,可以看出,Z~A 关系曲线近似于一条直线。

3.3.2 流量成果

本报告选用2021年3 月1 日13 时~2022年8 月25 日15 时期间共69443 组数据绘制雷达流量散点图,见图5。从水位流量散点图可以分析出,低水下因受橡胶坝蓄水顶托影响,流量分布较为离散,洪峰时出现绳套型水位流量关系曲线。

3.3.3 流速成果

考虑到流量计算结果受流速的影响,需进一步对流速分布及可信度进行分析,从大断面图可以看出,左岸（近端）,右岸（远端）为防洪堤,见图6。从图7 雷达流速分布图可以看出,在近半年的水位最大流速出现在80 m 处,参考大断面图可以看出,该条河流的最深处大约在40 m~140 m 左右,与现场实际情况相符。

图6 大断面图

图7 雷达流速分布图

参照雷达水位流量散点图,对水位流速关系进行分析,结果见图8,从图中可以看出,流速水位关系基本与流量水位关系一致,符合实际情况。

图8 水位流速散点图

4 比测数据分析

选取人工测流时段雷达流量均值比对,采取回归方法进行率定,建立两种测验方法的流量相关关系,绘制流量关系曲线,最终确定待率定测流系统相关方程式（系数）,以达到推求流量过程的目的[1]。

侧扫雷达测流系统的水面系数设置为“1”。采用《河流流量测验规范》均匀浮标法的流量计算方法,把实测表面流速当做浮标流速,逐条测段累加,包括部分平均流速、部分面积、部分流量。断面流量的计算方法与流速仪法测流计算方法相同。

具体比测方法：根据测站每次测验的起始时间、结束时间,选取对应时间内侧扫雷达所有测次的流量均值进行比测。利用线性回归分析方法建立流量关系模型,通过比较各模型可决系数（R2）,判断最优雷达虚流量与断面流量关系方程式（系数）,最终根据水文整编资料规范相关要求,以人工测得流量作为真实值,计算率定后雷达流量得系统误差以及随机不确定度,检验模型精度。

4.1 人工实测数据选取

（1）资料收集的时间范围

从2021年5 月10 日00∶00 至2022年8 月17 日9∶00。

（2）资料收集的水位、流量及代表性

考虑到测站存在顶托回水情形,雷达在低流量,低流速测验误差较大,达不到比测要求,选用人工实测流量数据大于50 m3/s 进行比对分析,共计53 组。

4.2 雷达比测数据选取

1）资料收集的时间范围。从2021年3 月1 日13∶00 至2021年8 月25 日15∶00。

2）资料收集的水位、流量及代表性。全部69443 组雷达实测测流数据,涵盖低、中、高水位。

4.3 比测分析

选取人工实测对应时间侧扫雷达测流均值,两者比测系统误差为26.49%。从图9、图10 可以明显看出,雷达测得流量与人工测得流量整体趋势吻合,但是雷达测得流量偏大,因为雷达测得为表面流速,与实际情况相符。雷达测得虚流量需进一步率定。

图9 水位流量散点图（率定前）

图10 流量对比折线图（率定前）

4.3.1 雷达成果数据关系率定

考虑到侧扫雷达实测虚流量为河流表面流量,相较断面流量偏大,故需对侧扫雷达实测数据进一步率定。取东至站人工测得断面流量与对应雷达虚流量建立线性回归关系模型,率定结果见图11。从率定结果可以得出,雷达和人工实测率定系数为Q率定= 0.8111Q雷达-4.007,拟合度为0.998,两者相关性较高。雷达与人工水位流量散点和折线图见图12、图13,可以看雷达率定以后,与人工实测基本吻合,相对误差稳定在5%左右。