摘 要：為探索雷達(dá)流量計(jì)在鑒江流域流量測驗(yàn)中的應(yīng)用條件和應(yīng)用范圍，在鑒江流域上游曹江大拜水文站使用雷達(dá)流量計(jì)與常規(guī)測流方法進(jìn)行比測率定。根據(jù)大拜水文站測驗(yàn)條件，本文主要討論在渠道斷面條件下，雷達(dá)流量計(jì)的應(yīng)用及比測效果，旨在為雷達(dá)流量計(jì)在渠道的流量測驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)流量計(jì)；率定；渠道；曹江

中圖分類號：TV 21" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著現(xiàn)代化建設(shè)不斷推進(jìn)，流量測驗(yàn)斷面越來越多，但水文職工的數(shù)量并沒有增加，使流量在線監(jiān)測需求逐漸增大，一些學(xué)者對流量自動(dòng)監(jiān)測進(jìn)行了研究，徐立[1]研究了測掃雷達(dá)在黃尾河水文站的應(yīng)用，有效提高了測站自動(dòng)化水平。孫正熙[2]在高州水文站進(jìn)行了H-ADCP比測，有效解決了受水利工程影響的流量自動(dòng)監(jiān)測問題。牛萌萌[3]在超聲波時(shí)差法的引用中進(jìn)行了誤差矯正，有效提升了測驗(yàn)精度。莊小冰[4]將引用在海洋中的深層析運(yùn)用到河道中，實(shí)現(xiàn)了流量、流速、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，傳統(tǒng)的流量在線監(jiān)測，例如ADCP法、時(shí)差法、測掃雷達(dá)等受斷面因素、河道特征、泥沙情況、成本較高等影響，覆蓋難度較大，而雷達(dá)流量計(jì)具有成本低、測流歷時(shí)短、不接觸水體、不擾動(dòng)流產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，雖然受表面流速脈動(dòng)的影響較大，但在渠道站這種水流集中斷面具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

1 雷達(dá)流量計(jì)工作原理和技術(shù)指標(biāo)

雷達(dá)流量計(jì)的工作原理與電波流速儀類似，采用多普勒頻移測量的方式來確定待測點(diǎn)的速度，其傳感器探頭既是發(fā)射器又是接收器。本次率定分析采用奧地利Sommer公司生產(chǎn)的型號為RG30-T的測速探頭。RG30-T的外殼是由防水材料構(gòu)成并自帶防雷裝置，確保探頭可以在不同天氣條件下正常工作。該測流系統(tǒng)受頻率和波長的限制，最小波長為3mm，流速測量范圍為0.3m/s～15m/s，流速測量距離為0.5m～35m，流速的測量精度為±0.02m/s或讀數(shù)的1%，流速分辨率為1mm/s。

在測速過程中，雷達(dá)探頭發(fā)射某一固定頻率的超聲波，該超聲波經(jīng)水體反射被雷達(dá)探頭接收。假設(shè)雷達(dá)探頭測驗(yàn)出的水面起伏可以代表附近區(qū)域表面水體的流速，當(dāng)水體的移動(dòng)方向靠近雷達(dá)探頭時(shí)，其接收到的回波頻率會(huì)高于發(fā)射時(shí)的頻率；當(dāng)水體的移動(dòng)方向遠(yuǎn)離雷達(dá)探頭時(shí)，其接收到的回波頻率會(huì)低于發(fā)射時(shí)的頻率，通過計(jì)算超聲波發(fā)射時(shí)和接收時(shí)的頻率差得到頻移數(shù)值[5]。

本文采用指標(biāo)流速法的方式開展流速率定，通過建立雷達(dá)流量計(jì)測量流速與斷面平均流速的關(guān)系實(shí)現(xiàn)流速自動(dòng)監(jiān)測，結(jié)合斷面測量成果完成流量計(jì)算。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)斷面的具體情況可采用單點(diǎn)直接推求或多點(diǎn)加權(quán)平均推求。本次率定分析所在斷面為發(fā)電渠道，斷面穩(wěn)定形狀規(guī)則，采用單點(diǎn)流速進(jìn)行流量推求。

2 比測試驗(yàn)概況

2.1 大拜站概況

曹江是鑒江一級支流，發(fā)源于高州馬貴雞籠頭蘭逢嶺，在高州的帥堂以下5km六羅合叉口匯入鑒江。全長100km，流域面積874km2，總落差870m，平均坡降2.76‰。流域內(nèi)多年平均降水量2105mm，1960年中游興建石骨水庫（高州水庫的組成庫），控制集雨面積509km2，占流域面積的58.0%，總庫容5.12億m3，本次比測選擇曹江上游大拜水文站開展雷達(dá)流量計(jì)比測率定。

曹江屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量較多，汛期為4—10月，每年降雨多集中在汛期，約占全年降水量的85%。降雨主要分為峰面雨和臺(tái)風(fēng)雨，因此降水有明顯的前后汛期之分，前汛期（4—6月）主要是西南低空急流暴雨和鋒面雨，后汛期（7—10月）的降雨以臺(tái)風(fēng)雨為主。

大拜水文站是高州水庫進(jìn)庫站，屬于二類精度的水文站，集水面積394km2。大拜（渠道）站為大拜水文站流量測驗(yàn)輔助站點(diǎn)，用于推算枯水期曹江流量，建立于1972年1月，在基本水尺斷面水位下游232m處，當(dāng)基本水尺斷面水位低于96.26m時(shí)，水流無法經(jīng)過基本斷面下游攔河壩，在渠道站進(jìn)行測流，受上游閘門開關(guān)和下游大拜電站蓄放水的影響。通過分析2005—2023年的資料，渠道引水流量基本在0.00m3/s（渠干）～23.0m3/s，實(shí)測最大流量29.4m3/s（2016年），最小流量0.50m3/s（2014年），最大流速1.99m/s（2016年），最小流速0.16m/s（2014年）。

在經(jīng)過多年的測驗(yàn)摸索后，大拜（渠道）站最終確立以功率-流量關(guān)系線法推求渠道流量，但由于渠道上游閘門改建，電站發(fā)電情況復(fù)雜，人員變動(dòng)導(dǎo)致發(fā)電功率記錄不清晰，水位流量關(guān)系混亂，需要耗費(fèi)大量人力物力開展流量測驗(yàn)，為有效解決流量測驗(yàn)困難，經(jīng)比較分析，考慮大拜（渠道）站測流條件，引入雷達(dá)流量計(jì)進(jìn)行流量自動(dòng)監(jiān)測。

2.2 率定斷面基本情況

大拜（渠道）站斷面為大拜站低水輔助測流斷面，為推求枯水期高州水庫入庫流量所建。大拜渠道為人工開鑿發(fā)電所用，全斷面均為混凝土澆筑而成，測驗(yàn)斷面順直規(guī)整，下游約1km為大拜電站，在枯水期也具有較大流速。水位臺(tái)設(shè)在左岸，設(shè)有流速儀測流斷面，水流與斷面垂直，斷面穩(wěn)定形狀呈“口”型。

2.3 安裝位置選擇

通過非接觸式雷達(dá)測量的具有較好代表性的局部流速（即指標(biāo)流速）與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，一般根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和水流特性采用單點(diǎn)法或多點(diǎn)法進(jìn)行代表線在線監(jiān)測，大拜（渠道）站為人工渠道，水流相對集中、無回水、紊流等情況，水文條件良好，綜合考慮現(xiàn)場條件和成本，采用單點(diǎn)法進(jìn)行流量在線監(jiān)測。

經(jīng)過流速橫向分布分析，結(jié)合大拜（渠道）站實(shí)際地形、流態(tài)等情況，雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)安裝在流速儀測流斷面起點(diǎn)距3m位置（如圖1所示），該處流態(tài)穩(wěn)定，無回流干擾，流速具有較好的代表性；配套設(shè)備安裝在纜道房內(nèi)，通過有線傳輸，確保信號順暢。

2.4 參數(shù)設(shè)置

雷達(dá)流量計(jì)面向上游與垂直方向夾角為58°，每5min采集1次數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)采集4s，共采集8次數(shù)據(jù)，指標(biāo)流速由每次采集數(shù)據(jù)的平均值得到，采集終端會(huì)記錄指標(biāo)流速和其對應(yīng)的回波強(qiáng)度，通過GPRS天線傳輸回?cái)?shù)據(jù)平臺(tái)。

3 率定分析

3.1 試驗(yàn)方法

大拜（渠道）站常規(guī)流量測驗(yàn)在上游測橋拖拽走航式ADCP和流速儀實(shí)測流量，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范要求[6]。當(dāng)河道流量相對穩(wěn)定時(shí)，對2個(gè)測回?cái)嗝媪髁窟M(jìn)行測量，往返各2次，取其均值作為實(shí)測流量值，流量短時(shí)間內(nèi)變化較大時(shí)或特殊情況可以適當(dāng)減少測回，以減小流態(tài)脈動(dòng)引起的流量誤差，當(dāng)半個(gè)測回流量值與平均值的偏差小于或等于5%認(rèn)為測驗(yàn)合理，反之則根據(jù)水情變化情況和測驗(yàn)過程進(jìn)行分析。

水位采用傳統(tǒng)的浮子式水位計(jì)，浮子水位計(jì)安裝在自計(jì)井中，通過沉沙井與河道相連，井內(nèi)水位平穩(wěn)，可以有效代表基本水尺斷面水位。

流速儀法和走航式ADCP法采用實(shí)測斷面，雷達(dá)流量計(jì)測流系統(tǒng)借用最新實(shí)測斷面。實(shí)測流量計(jì)算的斷面平均流速V平均與雷達(dá)流量計(jì)同步測出的指標(biāo)流速V指標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系；由于雷達(dá)流量計(jì)每5min計(jì)算1次流速，為確保2組數(shù)據(jù)的一致性，在系統(tǒng)中選擇相同開始結(jié)束時(shí)間的指標(biāo)流速平均，如果實(shí)測流量開始（結(jié)束）時(shí)間不是整5min，就選擇最近的整5min作為開始（結(jié)束）時(shí)間，如公式（1）所示。

（1）

式中：V指標(biāo)為選擇時(shí)段內(nèi)雷達(dá)流量同步測出的指標(biāo)流速；n為選擇時(shí)段內(nèi)的采樣次數(shù)；Vi為雷達(dá)流量計(jì)選擇時(shí)段內(nèi)的單次采樣數(shù)據(jù)。

3.2 率定數(shù)據(jù)對比分析

在大拜（渠道）站共收集分析30份率定資料，覆蓋渠道高、中、低水，流速見表1。在基下232m渠道測流斷面采用雷達(dá)測速儀得到指標(biāo)流速，用流速儀和走航式ADCP施測計(jì)算斷面平均流速。

其中，第16、20、22、23測次流速超過歷年最大流速，查閱實(shí)測資料，4個(gè)測次對應(yīng)的基本斷面水位均超過96.26m，這4個(gè)測次應(yīng)在基本斷面測流，由于增加流速數(shù)據(jù)的跨度能提高率定的準(zhǔn)確性，因此保留這幾個(gè)測次的率定數(shù)據(jù)。此外，當(dāng)電站關(guān)閘蓄水和閘門檢修時(shí)，渠道流速不足0.3m/s，低于儀器測量范圍，以最小功率機(jī)組發(fā)電時(shí)的流速為0.5m/s～0.6m/s，無法測得與歷年最低流速相近的數(shù)據(jù)。

3.3 關(guān)系率定

回歸分析法是統(tǒng)計(jì)學(xué)中用于分析相互獨(dú)立兩要素間相關(guān)關(guān)系的方法，是水文統(tǒng)計(jì)中常用到的一種數(shù)學(xué)方法，回歸系數(shù)越接近1代表兩要素的關(guān)系越緊密，通過回歸分析可以直觀看出兩要素的相關(guān)關(guān)系。

通過多次測量構(gòu)建非接觸式雷達(dá)實(shí)測V指標(biāo)與常規(guī)測驗(yàn)實(shí)測流速V平均的相關(guān)關(guān)系，通過回歸方程得到線上理論流速V線，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》和《聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》要求對V指標(biāo)～V平均～V線關(guān)系進(jìn)行三線檢驗(yàn)，如果系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度、符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離度檢驗(yàn)這些統(tǒng)計(jì)量均滿足相應(yīng)精度水文站的規(guī)范要求，就認(rèn)為流速率定合格，如果有某一個(gè)或多個(gè)統(tǒng)計(jì)量超過規(guī)范要求，就認(rèn)為流速率定不合格。

雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)安裝后，總共收集了30份實(shí)測資料，實(shí)測流量變幅為10.8m3/s～32.2m3/s，流速變幅為0.74m/s～

2.66m/s，基本覆蓋渠道流量變幅。采用電腦EXCEL自動(dòng)定線率定出V指標(biāo)～V平均關(guān)系曲線，關(guān)系式如公式（2）所示。

V平均=0.968V指標(biāo)+0.167 （2）

如圖2所示，V指標(biāo)～V平均關(guān)系曲線率定點(diǎn)子在高、中、低水分布均勻，線性關(guān)系良好。

對雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)率定的V指標(biāo)～V平均關(guān)系曲線進(jìn)行符號、適線和偏離數(shù)值3個(gè)檢驗(yàn)分析，分別如公式（3）～公式（5）所示。

（3）

式中：n為測點(diǎn)總數(shù)；k為正號或負(fù)號個(gè)數(shù)。

（4）

式中：n為測點(diǎn)總數(shù)；k為變換符號次數(shù)。

（5）

式中：為平均相對偏離值；n為測點(diǎn)總數(shù)；pi為測點(diǎn)與關(guān)系曲線的相對偏離值。

三線檢驗(yàn)成果見表2。

本次雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)率定，V指標(biāo)～V平均率定關(guān)系能通過三線檢驗(yàn)，認(rèn)為定線正確。隨機(jī)誤差為9.2％，小于或等于15％，系統(tǒng)誤差為0.6％，小于或等于±1％，根據(jù)聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范，滿足二類站的比測率定精度要求，經(jīng)

V指標(biāo)～V平均關(guān)系線推算流量與實(shí)測流量并進(jìn)行相對誤差計(jì)算，合格率見表3。

由圖2、表3可知，V指標(biāo)～V平均關(guān)系點(diǎn)子分布集中，測驗(yàn)精度較高，相對誤差較小，具有明顯的變化規(guī)律。綜上分析，認(rèn)為流速關(guān)系線滿足率定要求。

4 結(jié)語

通過比測大拜（渠道）站雷達(dá)流量計(jì)的代斷關(guān)系，在各流速級具有較好的相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過多年的運(yùn)行故障率較低，數(shù)據(jù)完整性較好，能有效完成該站監(jiān)測流量的設(shè)站任務(wù)，滿足資料整編的要求，該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)該站流量自動(dòng)監(jiān)測具有重要意義。

從測驗(yàn)精度角度來看，雷達(dá)流量計(jì)V指標(biāo)～V平均關(guān)系線能通過符號、適線和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，指標(biāo)流速和斷面平均流速測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差為3.9％，隨機(jī)誤差為7.8％，系統(tǒng)誤差為0.1％，滿足比測要求，可以投產(chǎn)使用。

雷達(dá)流量計(jì)具有安裝簡便、日常運(yùn)行成本低、維護(hù)少，快捷、實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，對外界抗干擾能力強(qiáng)，在水流相對集中的渠道站中有較好的適用性，但在使用前需要查清流速橫向分布特點(diǎn)，尋找合適的安裝位置，以提高測驗(yàn)數(shù)據(jù)的代表性。

非接觸式雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)具有安裝簡便、日常運(yùn)行成本低、維護(hù)少、快捷、實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，為流域水文特性收集、地方防汛減災(zāi)、全流域流量數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測全覆蓋提供解決思路，有效解決了受水利工程影響、發(fā)電功率記錄不齊全、斷面無水位流量穩(wěn)定關(guān)系的難題，利用在線測流系統(tǒng)可減少水文職工工作量，有更多的人力、物力繼續(xù)推進(jìn)水文現(xiàn)代化建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

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