鐘維斌

(黃山水文水資源局，安徽 黃山 245000)

1 屯溪水文站概況

屯溪水文站設(shè)立于1950年6月，集水面積為2670km2，屬錢塘江流域新安江水系，是新安江干流的主要控制站，同時(shí)也是國家重要站。該站為皖南山區(qū)1000～3000km2區(qū)域代表站，為防汛抗旱、水資源監(jiān)測(cè)管理保護(hù)、水土流失監(jiān)測(cè)與保護(hù)、水生態(tài)治理、水環(huán)境保護(hù)等提供服務(wù)。

測(cè)驗(yàn)河段順直長度約3.0km，河槽呈U形，河底平均高程為119.0m。左岸為護(hù)堤，右岸為景觀帶自然護(hù)坡，中低水主槽寬度約200.0m，高水主槽寬度約230.0m；河底水生植物較少，右岸灘地靠岸邊部分有景觀植物。屯溪水文站基下4.1km處建有湖邊水利樞紐工程，正常蓄水位為122.3m。平水期間，流量主要受蓄水、發(fā)電影響，測(cè)流斷面處水深變化在3.1～3.5m之間，流速較?。缓樗陂g，受樞紐工程閘門啟閉影響，同等級(jí)流量條件下水位變幅較自然條件下減小。

2 雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)安裝施測(cè)

2.1 系統(tǒng)簡介

屯溪站定點(diǎn)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)是非接觸測(cè)流系統(tǒng)，由6個(gè)測(cè)流傳感器、測(cè)流控制器、雷達(dá)水位計(jì)和供電系統(tǒng)組成。雷達(dá)波系統(tǒng)測(cè)速基于多普勒原理，能定時(shí)或人工召測(cè)采集流速、水位、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊發(fā)送到測(cè)流平臺(tái)，平臺(tái)根據(jù)流速面積法計(jì)算得到流量，不受漂浮物、渾水等條件影響，安全高效，全程跟蹤洪水過程，特別適合高洪流量監(jiān)測(cè)[1]。

2.2 安裝位置及方法

系統(tǒng)設(shè)備安裝在屯溪水文站基上86.0m跨河公路橋梁上，測(cè)流傳感器探頭對(duì)準(zhǔn)上游電波流速儀橋測(cè)斷面。結(jié)合測(cè)流斷面地形、水流特性、精度要求和設(shè)施等條件，分析代表垂線平均流速與斷面平均流速關(guān)系的穩(wěn)定性，確定能夠控制斷面地形和流速沿河分布的代表垂線位置[2]。

2.3 代表垂線位置分析

2.3.1 斷面流速分布

屯溪水文站電波流速儀橋測(cè)斷面處河段順直，高低水無岔流、串溝等情況。河床左部為卵石，洪水期稍有沖淤變化，右部為連片巖石，沖淤變化小。屯溪水文站電波流速儀測(cè)流斷面見圖1。

圖1 屯溪水文站電波流速儀測(cè)流斷面

以橫坐標(biāo)為起點(diǎn)距，縱坐標(biāo)為高程，同時(shí)點(diǎn)繪手持電波流速儀測(cè)得的各垂線多年平均流速，見圖2。手持電波流速儀測(cè)得的斷面流速橫向變化趨勢(shì)與斷面河底變化基本一致，說明手持電波流速儀所測(cè)流速橫向分布合理。

圖2 屯溪水文站電波流速儀斷面與流速橫向分布套繪圖

2.3.2 代表垂線平均流速與斷面平均流速關(guān)系分析

根據(jù)屯溪水文站電波流速儀測(cè)流斷面圖、電波流速儀斷面與流速橫向分布套繪圖，選取均勻分布在測(cè)驗(yàn)斷面處，且對(duì)水深和流速橫向分布能夠較好控制的斷面起點(diǎn)距0、30.0m、82.6m、114.6m、152.6m和187.6m 6條垂線進(jìn)行分析，并在各個(gè)流量級(jí)進(jìn)行流量精簡計(jì)算。所得精簡流量與實(shí)測(cè)流量進(jìn)行比對(duì)，成果見表1，精簡前后最大誤差為3.7%，最小誤差為0，平均誤差為0.2%，說明精簡后垂線代表性較高，能控制斷面流量。6個(gè)測(cè)流傳感器探頭可安裝在起點(diǎn)距0、30.0m、82.6m、114.6m、152.6m和187.6m大橋上游一側(cè)。

表1 測(cè)速垂線精簡前后流量誤差

3 分析率定

雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)斷面與屯溪站測(cè)流斷面間距離短、無出入流，但中間有公路橋，對(duì)水流分布影響較大，故雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)比測(cè)采用屯溪站轉(zhuǎn)子式流速儀、走航式ADCP等儀器所測(cè)流量與雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)虛流量進(jìn)行率定分析。

3.1 資料收集

比測(cè)資料采用2020年4月3日至7月10日屯溪站實(shí)測(cè)流量資料，為了使雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)與屯溪站實(shí)測(cè)流量資料時(shí)間同步，指標(biāo)流量選取與屯溪站實(shí)測(cè)流量平均時(shí)間相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)波在線系統(tǒng)流量Q虛。共收集120份比測(cè)資料，屯溪站實(shí)測(cè)流量變幅為37.3～5210.0m3/s，平均流速變幅為0.058～3.290m/s，比測(cè)期間本站流量測(cè)次分布均勻，能控制流量變化過程，比測(cè)成果見圖3。

圖3 屯溪站實(shí)測(cè)流量與雷達(dá)波虛流量比測(cè)成果

3.2 分析范圍

雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)基于多普勒測(cè)速原理，流速越大，漂浮物越多，反射波越強(qiáng)，系統(tǒng)工作越穩(wěn)定[3]。

將雷達(dá)波虛流量作為橫坐標(biāo)，各流量對(duì)比系數(shù)作為縱坐標(biāo)，點(diǎn)繪成圖(見圖4)。由圖4可以看出，雷達(dá)波虛流量小于600m3/s時(shí)系數(shù)變幅大，雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)不穩(wěn)定。而雷達(dá)波虛流量不小于600m3/s時(shí)系數(shù)基本穩(wěn)定在0.8～1.0之間，系統(tǒng)所測(cè)流量相對(duì)可靠，可作為研究分析對(duì)象。各流量級(jí)對(duì)比系數(shù)在0.8～1.0之間的占比見表2。

圖4 雷達(dá)波虛流量與對(duì)比系數(shù)關(guān)系

表2 各虛流量級(jí)對(duì)比系數(shù)在0.8～1.0之間的占比

3.3 系數(shù)分析

將雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)虛流量不小于600m3/s的測(cè)次與屯溪站實(shí)測(cè)流量共76組數(shù)據(jù)分流量級(jí)建立相關(guān)關(guān)系[4]，以雷達(dá)波虛流量Q虛為橫坐標(biāo)，屯溪站實(shí)測(cè)流量Q實(shí)為縱坐標(biāo)點(diǎn)繪成圖，見圖5～圖7。由圖5～圖7 可以看出，各流量級(jí)相關(guān)關(guān)系為線性關(guān)系，曲線2、曲線3相關(guān)系數(shù)在0.90以上，相關(guān)性較高，而曲線1相關(guān)系數(shù)為0.73，有一定相關(guān)性但關(guān)系較差，見表3。

圖5 雷達(dá)波虛流量600m3/s≤Q虛<1000m3/s 流量比測(cè)相關(guān)分析

圖6 雷達(dá)波虛流量1000m3/s≤Q虛<2500m3/s 流量比測(cè)相關(guān)分析

圖7 雷達(dá)波虛流量2500m3/s≤Q虛流量比測(cè)相關(guān)分析

表3 各曲線關(guān)系式

4 誤差分析

根據(jù)雷達(dá)波系統(tǒng)流量Q雷與雷達(dá)波系統(tǒng)虛流量Q虛的相關(guān)關(guān)系式，計(jì)算雷達(dá)波系統(tǒng)流量Q雷，分析Q雷與實(shí)測(cè)流量Q實(shí)的誤差，相對(duì)誤差精度不大于10%的合格率達(dá)92.1%[5-6]。

4.1 關(guān)系曲線檢驗(yàn)分析

屯溪站實(shí)測(cè)流量Q實(shí)與雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)虛流量Q虛符合曲線關(guān)系，對(duì)3條關(guān)系曲線進(jìn)行三項(xiàng)檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)計(jì)算，成果見表4、表5、表6。符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)及偏離數(shù)值檢驗(yàn)方面3條曲線均合格；隨機(jī)不確定度、系統(tǒng)誤差方面曲線2、曲線3較小，比測(cè)精度指標(biāo)符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)的要求，而曲線1偏大，超出規(guī)范要求[7]。

表4 曲線1三項(xiàng)檢驗(yàn)

表5 曲線2三項(xiàng)檢驗(yàn)

表6 曲線3三項(xiàng)檢驗(yàn)

4.2 突出點(diǎn)分析

對(duì)研究分析測(cè)次進(jìn)行突出點(diǎn)分析，發(fā)現(xiàn)影響雷達(dá)波測(cè)驗(yàn)穩(wěn)定性的主要因素為風(fēng)力風(fēng)速、雨強(qiáng)、湖邊樞紐調(diào)控等。

4.2.1 風(fēng)力風(fēng)速影響

選取測(cè)驗(yàn)時(shí)有風(fēng)的測(cè)次，對(duì)流速與風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比，點(diǎn)繪流速/風(fēng)速-系數(shù)關(guān)系圖，見圖8。由圖8可以看出，流速/風(fēng)速小于1時(shí)，即流速小于風(fēng)速，大多數(shù)比測(cè)系數(shù)不在0.8～1.0之間，風(fēng)速對(duì)雷達(dá)波測(cè)驗(yàn)影響較大。反之，流速/風(fēng)速大于1時(shí)，比測(cè)系數(shù)基本穩(wěn)定在0.8～1.0之間。

圖8 流速/風(fēng)速-系數(shù)關(guān)系

4.2.2 降水影響

選取所有比測(cè)時(shí)有降水的測(cè)次，點(diǎn)繪雨強(qiáng)-系數(shù)-流速關(guān)系圖，見圖9。由圖9可以看出，雨強(qiáng)大于0.04mm/min且流速小于1.0m/s時(shí)，雷達(dá)波系統(tǒng)所測(cè)虛流量偏大，系數(shù)偏小；流速越小雨強(qiáng)越大，所受影響越明顯；當(dāng)流速足夠大時(shí)，雨強(qiáng)對(duì)測(cè)驗(yàn)影響減弱。

圖9 雨強(qiáng)-系數(shù)-流速關(guān)系

4.2.3 水利樞紐調(diào)控影響

屯溪站水情穩(wěn)定性主要受湖邊樞紐調(diào)節(jié)影響[8-10]。雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)僅監(jiān)測(cè)河流表面流速計(jì)算流量，閘門調(diào)控時(shí)不能很好地監(jiān)測(cè)斷面流量變化，此時(shí)所測(cè)虛流量偏小，系數(shù)偏大。

5 成果驗(yàn)證

5.1 流量過程線對(duì)比

選取屯溪站最大7d洪量流量過程線與雷達(dá)波流量過程線進(jìn)行對(duì)比，見圖10。流量過程基本一致，但有小部分雷達(dá)波流量測(cè)次出現(xiàn)跳變情況。分析原因主要是受降雨等因素影響，部分測(cè)次垂線信號(hào)差不能測(cè)得流速，雷達(dá)波虛流量偏?。焕走_(dá)波施測(cè)時(shí)有游船、飛鳥等物體快速通過，使部分測(cè)次垂線流速偏大，雷達(dá)波虛流量偏大。

圖10 流量過程對(duì)比

5.2 最大徑流量對(duì)比

將屯溪站與雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)最大1d、最大3d、最大7d徑流量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表7。相對(duì)誤差最大的是最大7d徑流量，為1.1%；最小的是最大3d徑流量，為0。各對(duì)比項(xiàng)相對(duì)誤差均小于3.0%，說明雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)推流精度較高。

表7 徑流量對(duì)比

6 結(jié) 語

本文對(duì)屯溪水文站雷達(dá)波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的儀器安裝、位置選擇、分析率定、誤差分析等進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，比測(cè)期間雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)總體運(yùn)行良好，系統(tǒng)虛流量不小于1000m3/s時(shí)，測(cè)量結(jié)果符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)中浮標(biāo)法測(cè)流精度要求，可以作為屯溪水文站流量測(cè)驗(yàn)方法使用。雖然雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)在使用中具有一定局限性，但相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)流方法來說，不僅可以解決高洪時(shí)期漂浮物較多的影響，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、完整、高效的流量測(cè)驗(yàn)，提高了測(cè)流成果的時(shí)效性，為實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化、自動(dòng)化提供了有效技術(shù)支撐[11-12]。