陳細(xì)潤(rùn) 石永恩

摘要：為研究攀枝花水文站移動(dòng)式智能雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)”）與傳統(tǒng)測(cè)流方法之間的關(guān)系，利用攀枝花站水文纜道流速儀法與雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)同步比測(cè)流量，分析兩種儀器在不同水位級(jí)下的流量關(guān)系。結(jié)果表明：水位994.00 m以上的流量比測(cè)成果符合相關(guān)規(guī)范要求，可應(yīng)用于攀枝花站高洪流量在線監(jiān)測(cè)；994.00 m以下的流量比測(cè)成果隨機(jī)不確定度偏大，不符合要求。在水位變化較大時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)流時(shí)間較長(zhǎng)，影響單次流量測(cè)驗(yàn)精度，而雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)具有測(cè)流時(shí)間短、非接觸式、全自動(dòng)運(yùn)行、易維護(hù)、安全等優(yōu)勢(shì)，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方法的缺陷。研究成果可為攀枝花站高洪流量測(cè)驗(yàn)提供新的測(cè)驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：

移動(dòng)式智能雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)； 非接觸式； 流量在線監(jiān)測(cè)； 攀枝花水文站

中圖法分類號(hào)：P335

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.018

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S1-0061-04

0 引 言

攀枝花水文站是雅礱江匯入金沙江前的重要控制站。受上游11 km處金沙水電站蓄放水影響，攀枝花站水位漲落較大。傳統(tǒng)測(cè)流方法耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，水位變幅大，影響單次流量測(cè)驗(yàn)精度，從而影響水位流量整編定線與相應(yīng)流量報(bào)汛精度。

該站安裝的移動(dòng)式智能雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)”）具有測(cè)流時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，能在短時(shí)間內(nèi)完成流量測(cè)驗(yàn)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致流量精度不高的缺陷。本文利用水文纜道流速儀法與雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)比測(cè)流量，建立兩者之間的關(guān)系，確定相關(guān)系數(shù)，通過(guò)雷達(dá)流量換算流速儀測(cè)量流量，提高在水位變化較大時(shí)流量測(cè)驗(yàn)的精度，為國(guó)家防汛抗旱及水資源監(jiān)督管理提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)

1.1 測(cè)流原理

測(cè)流系統(tǒng)由雷達(dá)小車、控制單元、供電單元、運(yùn)行纜道和平臺(tái)軟件等5個(gè)部分構(gòu)成［1］。雷達(dá)小車下的電波流速儀采用多普勒效應(yīng)原理測(cè)流體表面流速。當(dāng)雷達(dá)波與接收體（即探頭和反射體）之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回聲的頻率有所改變，這種頻率變化稱為頻移，即多普勒效應(yīng)。當(dāng)雷達(dá)流速儀與水體以相對(duì)速度發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，雷達(dá)流速儀所收到的電磁波頻率與雷達(dá)自身所發(fā)出的電磁波頻率有所不同，此頻率差稱為多普勒頻移。通過(guò)雷達(dá)發(fā)射固定頻率的電磁波與接收被測(cè)流體表面反射回來(lái)的電磁波兩者之間的頻率差，經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算得到流體表面的流速［2］，進(jìn)而計(jì)算斷面流量。

1.2 工作方式

攀枝花水文站安裝的雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)，是一種新型的水面流速監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，利用兩根水平架設(shè)的鋼繩作為雷達(dá)小車運(yùn)行導(dǎo)軌，通過(guò)控制單元將用戶設(shè)定的測(cè)流參數(shù)（如垂線起點(diǎn)距、測(cè)流時(shí)間等）和測(cè)流指令經(jīng)無(wú)線電臺(tái)發(fā)送至雷達(dá)小車。雷達(dá)小車收到指令后，按照指令要求依次運(yùn)行到各測(cè)流垂線位置，啟動(dòng)雷達(dá)流速儀進(jìn)行流速測(cè)量，并及時(shí)將流速數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電臺(tái)發(fā)送給系統(tǒng)控制單元。控制單元同時(shí)采集水位數(shù)據(jù)，完成流量計(jì)算，并將流量數(shù)據(jù)通過(guò)4G（GPRS）網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器平臺(tái)軟件，從而實(shí)現(xiàn)斷面無(wú)人值守自動(dòng)測(cè)流［2］。測(cè)流完成后，裝載雷達(dá)流速儀的小車自動(dòng)返回儀器室內(nèi)充電，等待下次測(cè)量。

2 流量比測(cè)

2.1 比測(cè)站點(diǎn)介紹

攀枝花水文站位于四川省攀枝花市東區(qū)大渡口，測(cè)流斷面位于金沙江彎道順直段，順直長(zhǎng)約1 400 m，斷面呈“U”形（圖1），左深右淺，兩岸為亂石組成，河床為亂石夾沙，斷面變化甚微。河床高、中、低水位控制良好，水位流量關(guān)系線多年為單一線，中高水位年際間有一定擺動(dòng)（圖2）。

2.2 比測(cè)方法及要求

比測(cè)斷面為攀枝花水文站測(cè)流斷面，比測(cè)儀器采用雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)和LS25-3A轉(zhuǎn)子式流速儀。水位采用攀枝花站自記水位，雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)已接入攀枝花站自記水位儀，方便讀取與計(jì)算流量。

雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程控制的方法進(jìn)行比測(cè)。雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)共有3種測(cè)流方式，攀枝花站根據(jù)不同模式設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，共有3種：① 根據(jù)水位漲落觸發(fā)加測(cè)，攀枝花站設(shè)置水位漲落±0.30 m觸發(fā)加測(cè)；② 定時(shí)測(cè)量，每天最多測(cè)量12組數(shù)據(jù)，設(shè)置偶數(shù)整點(diǎn)時(shí)間測(cè)流，每天至少收集12次雷達(dá)流量；③ 遠(yuǎn)程控制，登錄網(wǎng)頁(yè)即可控制雷達(dá)流速儀測(cè)流。

雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)采用流速儀常測(cè)法相同的測(cè)速垂線，每條垂線測(cè)速時(shí)長(zhǎng)為60 s，進(jìn)行同步比測(cè)，比測(cè)時(shí)間為2021年7月至2022年6月。根據(jù)GB 50179-2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中第4.1.2條規(guī)定，在高、中、低不同水位（或流量）級(jí)下均勻分布比測(cè)測(cè)次，比測(cè)有效次數(shù)不應(yīng)少于30次。

3 成果分析

3.1 原始資料分析

分析流速儀流量，測(cè)驗(yàn)過(guò)程及成果符合相關(guān)規(guī)范要求，做好“四隨”（隨測(cè)、隨算、隨整理、隨分析）工作，并分析雷達(dá)流量數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)流量6 159次，剔除儀器故障及突出反常測(cè)次，不計(jì)入比測(cè)成果中。

由于雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)完成一次流量測(cè)驗(yàn)僅需15～21 min，流速儀施測(cè)一次流量需要40～60 min，相當(dāng)于雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)2～4次流量，因此采用雷達(dá)多次流量的平均值與流速儀法流量進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)分析比測(cè)的原始數(shù)據(jù)，有效比測(cè)34次，達(dá)到了在高、中、低不同水位（或流量）級(jí)下均勻分布比測(cè)測(cè)次要求。

3.2 關(guān)系分析

雷達(dá)流速儀距離水面越遠(yuǎn)，測(cè)速越不穩(wěn)定，攀枝花站雷達(dá)流速儀在中低水位時(shí)距離水面約10～18 m，中低水流速數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定，根據(jù)攀枝花站水位級(jí)劃分，分別建立雷達(dá)流量與轉(zhuǎn)子式流速儀流量高水關(guān)系和中低枯水位關(guān)系。攀枝花站水位級(jí)劃分見(jiàn)表1。

根據(jù)同步比測(cè)流量，以轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測(cè)流量為縱坐標(biāo)、雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)同步施測(cè)流量為橫坐標(biāo)，以水位994.00 m為界，分別建立中低枯水和高水線性關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)水位低于994.00 m時(shí)，關(guān)系式為Q流=0.822 1Q雷，線性關(guān)系見(jiàn)圖3。當(dāng)水位高于994.00 m時(shí)，關(guān)系式為Q流=0.943 3Q雷，線性關(guān)系見(jiàn)圖4。

3.3 關(guān)系檢驗(yàn)

根據(jù)比測(cè)建立的相關(guān)關(guān)系，用率定后的雷達(dá)流量與轉(zhuǎn)子式流速儀流量進(jìn)行檢驗(yàn)。按照GB 50179-2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求，在測(cè)站正式投入使用前，將流速儀與各方法所使用的儀器進(jìn)行比測(cè)，使其符合以下條件：比測(cè)隨機(jī)不確定度不應(yīng)超過(guò)6%，比測(cè)條件較差的不應(yīng)超過(guò)7%；系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過(guò)±1%，條件較差的不應(yīng)超過(guò)±2%。經(jīng)檢驗(yàn)計(jì)算，中低枯水隨機(jī)不確定度為12.8%，系統(tǒng)誤差為0.48%；高水隨機(jī)不確定度為6.4%，系統(tǒng)誤差為0.81%?？芍谒?94.00 m以上比測(cè)的高水流量符合規(guī)范要求，中低枯水隨機(jī)不確定度偏大，不符合比測(cè)要求，檢驗(yàn)成果詳見(jiàn)表2。

4 結(jié) 論

（1） 通過(guò)比測(cè)分析，雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量與轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測(cè)流量高水相關(guān)關(guān)系較好，比測(cè)隨機(jī)不確定度為6.4%，系統(tǒng)誤差為0.81%，符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求。但比測(cè)樣本較少，可繼續(xù)加強(qiáng)比測(cè)。建議高水使用率定系數(shù)0.943 3，通過(guò)雷達(dá)流量換算為轉(zhuǎn)子式流速儀流量，以應(yīng)對(duì)攀枝花站突發(fā)高洪時(shí)的流量監(jiān)測(cè)。需評(píng)估每年高水檢驗(yàn)系數(shù)是否穩(wěn)定，如有變化，需重新比測(cè)率定系數(shù)。中低枯水受下游電站施工影響，比測(cè)結(jié)果不理想，隨機(jī)不確定度偏大，不符合要求，可分段繼續(xù)加強(qiáng)比測(cè)。

（2） 水位變化較大時(shí)，雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)的流量與流速儀實(shí)測(cè)的流量差異較大。由于雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)測(cè)速受外界條件干擾，建議在比測(cè)過(guò)程中盡量避開強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)雷電、水位漲落大等情況。

參考文獻(xiàn)：

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