碾盤莊（三）站RG-30型非接觸式流速儀與旋漿式流速儀測流比測分析

薛海榮

（新疆維吾爾自治區(qū)昌吉水文勘測局，新疆 昌吉 831100）

根據(jù)RG30型非接觸式流速儀與旋漿式流速儀測得的32組實測流量數(shù)據(jù)，建立相關(guān)關(guān)系，剔除偽數(shù)據(jù)后的系統(tǒng)誤差和相對偏差小，相關(guān)顯著性高，均符合《水文巡測規(guī)范》（SL 195-2015）有關(guān)技術(shù)要求，所以剔除偽數(shù)據(jù)后的流量比測結(jié)果合理、可靠。RG30型非接觸式流速儀可以作為流量測驗設(shè)備在測站使用。

1 基本情況

碾盤莊（三）站是昌吉市境內(nèi)的三屯河水量控制站，設(shè)立于1956年6 月，屬省級重要水文站和自治區(qū)級報汛站。集水面積1636 km2，河長103 km，測站高程1088 m，河道縱坡降為17.3‰。流域來水量主要以冰川融雪和降水補給為主[1]。

2 比測目的

為了提高水文測驗科技含量和自動化水平，適應(yīng)現(xiàn)代社會對水文測驗的要求，降低野外測驗人員工作強度，實現(xiàn)水文測驗資料監(jiān)測自動化。

3 儀器設(shè)備類型及技術(shù)指標(biāo)

RG-30型非接觸式流速儀（以下簡稱微波流速儀）工作原理：脈沖雷達波測距，采用發(fā)射—反射—接收的工作模式。電磁波通過雷達天線發(fā)射出，經(jīng)被測物表面反射后，再被天線接收。該設(shè)備自帶垂直角度修正傳感器，可以在固定安裝和移動過程中測得可靠數(shù)據(jù)。另外，雷達傳感器可以在河流兩用（可以輸入與主流夾角）、渠道、柔性纜道上測量流速，微波流速儀主要技術(shù)參數(shù)見表1[2]。

表1 RG-30型非接觸式流速儀主要技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計表

碾盤莊站的4 臺微波流速儀安裝在測驗斷面專用纜道上，布設(shè)在測驗河段主流位置，分別布設(shè)在測驗斷面起點距14.0 m、18.0 m、24.0 m、30.0 m 處，與流速儀測速垂線位置重合并同步進行流速測量。

4 測站水位（流量）級劃分

碾盤莊站為流量測驗二類精度水文站，根據(jù)頻率計算劃分出：比測水位當(dāng)水位低于1083.21 m 時，流量小于30.1 m3/s 時為低水，水位在1083.21 m～1084.11 m 時，流量在30.1 m3/s～120 m3/s時為中水，水位高于1084.11m，流量大于120m3/s時為高水。

5 比測資料的選取與分析

為保證比測數(shù)據(jù)時間的同步性和比測數(shù)據(jù)系列的一致性，比測方法采用旋漿式流速儀（以下簡稱流速儀）測得流量與微波流速儀同步測得流量進行對比分析，分析資料選用2020年5 月11 日～9 月28 日同步實測資料48 份。碾盤莊站的4 臺微波流速儀安裝在測驗斷面專用纜道上，布設(shè)在測驗河段主流位置，分別布設(shè)在測驗斷面起點距14.0 m(微波測速儀4#探測器)、18.0 m（微波測速儀1#探測器）、24.0 m（微波測速儀2#探測器）、30.0 m（微波測速儀3#探測器）處，與流速儀測速垂線位置重合并同步進行流速測量。微波測速儀3#測速儀在起點距30.0 m 處，碾盤莊站斷面為復(fù)式斷面起點距30.0 m（微波測速儀3#探測器）處在河道左岸常期無水，3#微波測速儀測得流速不具有代表性，分析數(shù)據(jù)時舍去。微波測速儀2#測速儀在起點距24.0 m 處，24.0 m 處在左岸水邊，所以不做單獨分析。1#測速儀在18.0 m處，所處主流位置流速較為穩(wěn)定可作為單獨分析數(shù)據(jù)。4#測速儀在14.0 m 處，所處次主流位置流速較為穩(wěn)定可作為單獨分析數(shù)據(jù)。1#和4#測速儀位置流速較為穩(wěn)定可作為合并分析數(shù)據(jù)。1#、4#、2#測速儀均分布在主流、次主流、岸過位置，使用與流速儀實測流量計算方法進行計算流量。剔除5 份微波測速儀不完整流速，選取43 份流速測驗流量作為分析資料進行分析[3]。

6 比測分析方法及誤差評定

分析方法主要根據(jù)《水文巡測規(guī)范》(SL 195-2015)有關(guān)技術(shù)要求，采用流速儀實測斷面流量與微波流速儀實測斷面流量進行分析，微波流速儀流量計算采用面積流速法計算，計算流量有單條測速垂線、兩條測速垂線和三條垂線。單條垂線流量計算：實測斷面面積乘以垂線流速求得。兩條垂線流量計算：實測斷面面積乘以兩條垂線平均流速求得流量。三條垂線流量計算與流速儀實測流量計算方法相同。

比測時段分布于主汛期5 月11 日～9 月28 日間，共比測43次，比測水位變幅1082.73 m～1083.85 m、流量變幅9.85 m3/s～84.2 m3/s、流速1.35 m/s～2.79 m/s 之間、低水26 次、中水64 次。

比測數(shù)據(jù)分析過程如下：一次分析，起點距18.0m（微波測速儀1#探測器）、14.0 m（微波測速儀4# 探測器）、14.0 m 和18.0 m（微波測速儀1#和4#探測器）處2 臺微波流速儀分別測得水面流速，采用中泓浮標(biāo)法、14.0 m 和18.0 m 和24.0 m（微波測速儀1#和2#和4#探測器）處3 臺微波流速儀分別測得水面流速采用均勻浮標(biāo)法原理對測驗數(shù)據(jù)進行處理，計算得出90 份斷面虛流量，與流速儀實測斷面流量進行相關(guān)線性和多項式分析，分析結(jié)果見表2。

表2 第一次線性和多項式分析

從分析結(jié)果來看，測點合格率較低。相關(guān)線性分析：相對誤差超過±5%的測點有101 個，占總數(shù)的57.1%，測點平均合格率為42.9，系統(tǒng)誤差在-1.87～-0.29 之間。

多項式分析：相對誤差超過±5%的測點有101 個，占總測點數(shù)57.1%，測點平均合格率為42.9，系統(tǒng)誤差在-1.56～4.64 之間。與《水文巡測規(guī)范》（SL 195-2015）技術(shù)要求，單次流量比測相對偏差范圍±5%以內(nèi)，系統(tǒng)誤差范圍-2.5%～1%以內(nèi)要求偏差較大。

二次分析，起點距18.0 m（微波測速儀1#探測器）、14.0 m（微波測速儀4#探測器）、14.0 m 和18.0 m（微波測速儀1#和4#探測器）處2 臺微波流速儀分別測得水面流速，采用中泓浮標(biāo)法、14.0 m 和18.0 m 和24.0 m（微波測速儀1#和2#和4#探測器）處3 臺微波流速儀分別測得水面流速采用均勻浮標(biāo)法原理對測驗數(shù)據(jù)進行處理，計算得出90 份斷面虛流量，見附表，與流速儀實測斷面流量進行相關(guān)線性和多項式分析，分析結(jié)果見表3。

表3 第二次線性和多項式分析

從分析結(jié)果來看，相關(guān)線性分析：相對誤差超過±5%的測點有14 個，占總數(shù)的15.6%，測點平均合格率為83.2，系統(tǒng)誤差在-0.14～0.05 之間。其中1#、4#探測器相對誤差超過±5%的測點有2 個合格率較高，系統(tǒng)誤差為-0.02。

多項式分析：相對誤差超過±5%的測點有17 個，占總測點數(shù)18.9%，測點平均合格率為81.1，系統(tǒng)誤差在-0.26～1.85之間。與《水文巡測規(guī)范》（SL 195-2015）技術(shù)要求，單次流量比測相對偏差范圍±5%以內(nèi)，系統(tǒng)誤差范圍-2.5%～1%以內(nèi)要求偏差較大。

7 結(jié)論與建議

7.1 結(jié)論

微波測速儀90 份實測流量與流速儀測得43 份實測流量數(shù)據(jù)，建立相關(guān)線性與多項式關(guān)系，其相關(guān)顯著性R 值均在0.9902～0.9955 之間，其兩組數(shù)據(jù)相關(guān)顯著性高，滿足推算要求。從以上分析結(jié)果來看，微波測速儀滿足水文測站在線測量使用。

測站使用微波測速儀換算公式見表4。

表4 微波測速儀換算公式

7.2 建議

1）通過碾盤莊站流量測驗對比分析。微波流速儀具有傳感器信息采集數(shù)據(jù)可靠，內(nèi)置電臺通訊暢通、軟件操作和設(shè)備安裝簡便，易行易會，能夠在特殊水情下(漂浮物多)和大雨、黑夜等惡劣自然環(huán)境中穩(wěn)定地工作。經(jīng)分析證明微波流速儀可作為測站流量測驗和中小河流應(yīng)急監(jiān)測的可選設(shè)備。推薦選用1#+4#探測器的微波平均流速計算斷面流量，備用1#探測器，4#探測器,1#+2#+4#探測器的微波平均流速計算斷面流量。

2）在今后的測驗中應(yīng)盡量收集中、高水比測資料，完善分析方案。

3）出現(xiàn)問題及時維護校測，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。