雷 鳴,姜滿川
(寶雞水文水資源勘測(cè)中心,陜西 寶雞 721000)
雷達(dá)波流速儀是一種用于測(cè)量水流表面流速的儀器,被廣泛應(yīng)用于野外巡測(cè)、防洪防澇、污水監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域。該儀器本身其具備測(cè)速快、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn),尤其適用于汛期和突發(fā)狀況下的水文監(jiān)測(cè),由于測(cè)速方式為非接觸式,不受水面漂浮物、泥沙、水流狀態(tài)等因素的影響,而且流速愈大,漂浮物愈多,流速愈快,雷達(dá)反射波將愈強(qiáng),反而有利于雷達(dá)波流速儀工作,其完全可以用來(lái)代替浮標(biāo)法測(cè)流,實(shí)現(xiàn)水文流量的快速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
雷達(dá)波流速儀測(cè)流系統(tǒng)主要是由系統(tǒng)控制部分、測(cè)速控制部分、供電控制部分和軟件控制部分四部分組成。而走航式雷達(dá)波流速儀的系統(tǒng)控制部分可以依托現(xiàn)有的水文纜道,利用水文纜道實(shí)現(xiàn)不同垂線間的流速測(cè)量;供電控制部分主要由蓄電池和太陽(yáng)能電池板組成,也可選配外接電源進(jìn)行充電;軟件控制部分主要由測(cè)站的計(jì)算機(jī)及其流速接收數(shù)據(jù)處理軟件組成;測(cè)速控制部分主要由測(cè)速雷達(dá)組成。
雷達(dá)波流速儀是通過(guò)發(fā)射Ka波段微波,采用多普勒效應(yīng),即通過(guò)被測(cè)物體同儀器間相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)物體按照一定速率向著某一方向移動(dòng)時(shí),受到傳播路程差方面的影響,則會(huì)在頻率及相位方面發(fā)生一定的變化,雷達(dá)波流速儀就是利用多普勒頻移原理進(jìn)行水流表面流速測(cè)定。安裝測(cè)速部分的行車(chē)架接收到前進(jìn)命令后,會(huì)到達(dá)指定的測(cè)速垂線,首先雷達(dá)波流速儀向水流方向發(fā)射無(wú)線電波,電波在水流區(qū)域形成一個(gè)橢圓型波束,這個(gè)波束的大小取決于天線到水面的距離,當(dāng)被側(cè)區(qū)域距離雷達(dá)天線愈遠(yuǎn)時(shí),這個(gè)區(qū)域就變的愈大。當(dāng)電波的能量撞擊到水面時(shí),電波能量的一小部分會(huì)返回到雷達(dá)設(shè)置天線,當(dāng)水中漂浮物越多,其反射回來(lái)的電波就會(huì)越大,然后雷達(dá)設(shè)備根據(jù)發(fā)射和返回信號(hào)頻率的不同,測(cè)定水流速度,測(cè)出該點(diǎn)流速以后,裝置會(huì)將流速信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)給RTU控制器,RTU控制器再將實(shí)時(shí)流速發(fā)給軟件控制系統(tǒng),在軟件操作界面接收到流速數(shù)據(jù)后通過(guò)流速面積法計(jì)算流量,水道斷面面積可使用實(shí)測(cè)資料或借用大斷面施測(cè)資料,最后得出斷面的平均流量,在整個(gè)測(cè)速過(guò)程中雷達(dá)波流速儀具有較強(qiáng)的信號(hào),不容易受到來(lái)自外界因素的干擾,因此具有較為準(zhǔn)確的測(cè)量特性(圖1)。
圖1 雷達(dá)流速儀原理示意圖
雷達(dá)波流速儀、轉(zhuǎn)子式流速儀。雷達(dá)波流速儀參數(shù):測(cè)速范圍0.20~18.00 m/s,最大有效測(cè)程60 m,發(fā)射角度45°,微波功率50毫瓦,ka波段頻率34.7 GHz,搭載平臺(tái)為水文纜道。
雷達(dá)波流速儀采用非接觸式測(cè)流,相比轉(zhuǎn)子流速儀不受含沙量、水面漂浮物的影響,具有測(cè)速歷時(shí)快,攜帶便捷等特點(diǎn)。同時(shí),雷達(dá)可以設(shè)置不同發(fā)射頻率,在多點(diǎn)近距離探測(cè)時(shí),可有效地避免相鄰產(chǎn)品的雷達(dá)波束互擾影響。另外,監(jiān)測(cè)單位可根據(jù)探測(cè)獲得的速度值(多點(diǎn)測(cè)量),加之河道斷面幾何形狀信息等,對(duì)天然河流、城市河流、渠、管道剖面水流量進(jìn)行測(cè)定。
拓石水文站設(shè)立于2003年6月1日,位于寶雞市陳倉(cāng)區(qū)拓石鎮(zhèn),地處東經(jīng)106°32′、北緯34°30′,集水面積29 092 km2,距河口470 km。本站為渭河入陜第一站,屬省級(jí)重要站,測(cè)驗(yàn)河段順直,左岸為人工砌石護(hù)岸,右岸為自然坡岸,本站測(cè)驗(yàn)斷面共設(shè)有3個(gè),分別為上、下比降水尺斷面、基本水尺斷面,基本水尺斷面同時(shí)作為浮標(biāo)中斷面和流速儀測(cè)流斷面,上下斷面間距離為150 m?;舅邤嗝婕茉O(shè)有水文纜道一座,基上70 m處有一水泥大橋,受橋墩疏水影響,主流比較分散,在20~50 m范圍內(nèi)。河床斷面跨度120m,上下游無(wú)水利工程,斷面比較穩(wěn)定,主流擺動(dòng)不大。本站來(lái)水來(lái)沙年際變化大,年內(nèi)分配不均,具有暴漲暴落、洪峰高、沖淤變化劇烈以及含沙量大的特點(diǎn),7、8月洪水災(zāi)害最為頻繁,洪水主要來(lái)源于降水,以暴雨洪水為主,相對(duì)于中下游來(lái)說(shuō),渭河上游洪水發(fā)生次數(shù)明顯少于中下游。
(1)為進(jìn)行雷達(dá)波流速儀在水文監(jiān)測(cè)中的適用分析本文選用拓石水文站2020年雷達(dá)波流速儀和轉(zhuǎn)子流速儀同步比測(cè)資料,篩選其中18份流量作試驗(yàn)分析,水位變幅在868.43~870.62 m之間,流量變幅在33.6~684 m3/s,基本控制各水位級(jí)流量變化范圍。轉(zhuǎn)子流速儀采用常規(guī)水文纜道0.6一點(diǎn)法測(cè)得各垂線流速,水深采用測(cè)深桿進(jìn)行實(shí)測(cè),最后求得斷面平均流量,雷達(dá)波流速儀測(cè)得流速數(shù)據(jù)為表面流速(水深為0.0),水深測(cè)深桿實(shí)測(cè),求得斷面虛流量,該流量值大于轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)得的斷面流量值,通過(guò)對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,最終確定雷達(dá)波流速儀系數(shù)。兩種儀器比測(cè)斷面均與拓石站流量測(cè)驗(yàn)斷面重合,無(wú)明顯的流態(tài)變化和水位變動(dòng),所以計(jì)算斷面誤差相同。
(2)通過(guò)表1兩種測(cè)速儀器同斷面對(duì)比數(shù)據(jù),利用算數(shù)平均法分析得出各個(gè)測(cè)次流速儀與雷達(dá)測(cè)得流量之比的平均值為0.978,各測(cè)次的流量比值分布如圖2所示。
表1 雷達(dá)波流速儀流量與實(shí)測(cè)流量統(tǒng)計(jì)表
圖2 流量比值分布圖
再按照表1中的數(shù)據(jù)對(duì)雷達(dá)波流速儀虛流量與轉(zhuǎn)子流速儀實(shí)測(cè)流量進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算,以雷達(dá)流速儀測(cè)得流量為橫坐標(biāo),流速儀測(cè)得流量為縱坐標(biāo)建立關(guān)系圖,通過(guò)圖解法分析雷達(dá)波測(cè)流系數(shù),得到相關(guān)系數(shù)R2=0.997 1,說(shuō)明相關(guān)關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)為0.981 8。如圖3所示。
圖3 虛流量與實(shí)測(cè)流量關(guān)系圖
通過(guò)計(jì)算后,可得換算關(guān)系公式:
Q雷=KQ虛
(1)
式中:Q雷為雷達(dá)波流速儀實(shí)測(cè)計(jì)算后通過(guò)斷面的流量;Q虛為雷達(dá)波流速儀測(cè)得的斷面虛流量;K為流量換算系數(shù),經(jīng)綜合分析得圖解法流速儀與雷達(dá)其換算系數(shù)K=0.982。
根據(jù)表1中比測(cè)實(shí)驗(yàn)的資料計(jì)算,其流速儀測(cè)得的流量值與雷達(dá)波流速儀比值即為雷達(dá)波流速儀的水面流速系數(shù),并對(duì)表1中每一組雷達(dá)流速儀算的系數(shù)取其平均值為0.978,圖解法雷達(dá)測(cè)流系數(shù)為0.982,說(shuō)明兩者關(guān)系數(shù)基本一致,二者平均值最終確定為0.98,此值為即為雷達(dá)波流速儀水面流速系數(shù)值。
(3)相對(duì)誤差計(jì)算如下:
δ=(Q雷-Q)/Q×100%
(2)
式中:δ為測(cè)量相對(duì)誤差,用百分?jǐn)?shù)表示;Q為流速儀實(shí)際測(cè)得斷面流量;Q雷為雷達(dá)波流速儀實(shí)測(cè)計(jì)算的流量。
從表2可以看出,此次比測(cè)中比測(cè)條件好的相對(duì)誤差不超過(guò)±6.6%,比測(cè)條件差的相對(duì)誤差不超過(guò)±1.0%,系統(tǒng)誤差為0.36%,系數(shù)分析后相對(duì)誤差較小,符合《水文資料整編規(guī)范》和《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求,滿足測(cè)驗(yàn)精度要求,可作為高洪時(shí)期拓石水文站雷達(dá)波流速儀測(cè)流在測(cè)驗(yàn)工作中使用。
在進(jìn)行雷達(dá)波流速儀測(cè)量工作的時(shí)候,影響其測(cè)驗(yàn)結(jié)果的因素主要包括:測(cè)量斷面面積影響、儀器角度因素影響、雷達(dá)探頭距水面的垂直距離影響、測(cè)速歷時(shí)(停表計(jì)時(shí))的影響、外界干擾因素等影響。
針對(duì)上述產(chǎn)生的影響流量測(cè)驗(yàn)精度的因素,使用雷達(dá)波流速儀時(shí)根據(jù)水位計(jì)實(shí)測(cè)的水位數(shù)據(jù)計(jì)算斷面面積,其次要做好雷達(dá)波流速儀日常的維護(hù)工作,可以定期檢測(cè)儀器,首先保證操作的規(guī)范性,通過(guò)多次試驗(yàn)調(diào)整雷達(dá)探頭的俯仰角和儀器探頭距水面的垂直高度,確保其回波信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最佳,正常情況下建議探頭垂直角為45°~60°,探頭位置距水面越低越好;其次在河道流量較小時(shí),可適當(dāng)增加每條測(cè)速垂線的測(cè)速歷時(shí),測(cè)速歷時(shí)設(shè)定在120 s,保證其測(cè)得垂線平均速度的準(zhǔn)確性;如發(fā)現(xiàn)測(cè)得流速瞬時(shí)值突然變大,則可能遇到外界因素干擾(如飛鳥(niǎo)、飛蟲(chóng)、落葉等從探頭前飛過(guò)),這時(shí)應(yīng)重新啟動(dòng)測(cè)量消除誤差提高測(cè)量精度;大雨、風(fēng)力、風(fēng)向等天氣對(duì)雷達(dá)波流速儀的使用也有較大的影響,所以在測(cè)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該做好氣象輔助項(xiàng)目的觀測(cè),以便分析測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否合理。最后由于該測(cè)流系統(tǒng)初步投入使用,應(yīng)該加強(qiáng)儀器穩(wěn)定性和故障排除的分析研究,用好雷達(dá)波流速儀測(cè)流系統(tǒng),使其發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值,為水文測(cè)驗(yàn)現(xiàn)代化積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。
通過(guò)雷達(dá)波流速儀在拓石水文站的實(shí)際應(yīng)用,可以得出以下結(jié)論:
(1)首先通過(guò)對(duì)拓石水文站雷達(dá)波流速儀流量測(cè)驗(yàn)斷面的比測(cè)分析,可以得出雷達(dá)波流速儀測(cè)得的流量與轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)得的流量具有很好的相關(guān)性,所以雷達(dá)波流速儀在該站測(cè)流斷面的水面流速系數(shù)為0.98。
(2)雷達(dá)波流速儀本身具有安全、可靠、方便、不受水面漂浮物和泥沙影響的特點(diǎn),可以在較為復(fù)雜的測(cè)驗(yàn)條件下進(jìn)行水面流速的測(cè)量,因此對(duì)改善測(cè)站工作條件、進(jìn)一步提高職工的工作效率有著明顯的影響,是一種較為理想的測(cè)驗(yàn)儀器。
(3)雷達(dá)波流速儀工作性能十分穩(wěn)定,測(cè)驗(yàn)精度經(jīng)驗(yàn)證完全符合水文資料整編規(guī)范要求,在實(shí)際工作中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,已經(jīng)被水文行業(yè)認(rèn)可。
(4)面對(duì)基層水文站測(cè)驗(yàn)設(shè)備老舊單一,測(cè)洪能力較為低下等情況,測(cè)站可以利用雷達(dá)波流速儀進(jìn)行高洪時(shí)期水面流速的測(cè)定,在具有穩(wěn)定的安全可靠性等特點(diǎn)的同時(shí),還可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的任務(wù)目標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效益,所以雷達(dá)波流速儀具有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。