宜昌站SVR電波流速儀測(cè)量數(shù)據(jù)分析淺談

0 引言

為了摸清水位流量關(guān)系變化，提高流量整編精度，在葛洲壩和三峽水利樞紐聯(lián)合調(diào)度對(duì)水沙過(guò)程影響較大情況下，宜昌站通過(guò)大量增加外業(yè)測(cè)驗(yàn)頻次（每年測(cè)流80～100次），基本控制了水位流量關(guān)系。但特殊水情下，憑借增加測(cè)次的方式仍不能完全控制出水位流量關(guān)系變化過(guò)程，反而加大了測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)把握難度、測(cè)驗(yàn)成本、勞動(dòng)強(qiáng)度和人身安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)引進(jìn)電波流速儀，宜昌水文站探索了新的測(cè)驗(yàn)方法和手段，既能收集反應(yīng)本站特性下的流量變化過(guò)程，又能減少測(cè)驗(yàn)成本和外業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1 電波流速儀應(yīng)用背景

1.1 目前宜昌水文站測(cè)驗(yàn)手段

宜昌水文站流量測(cè)驗(yàn)方法主要是流速儀法和ADCP走航式。目前采用測(cè)船進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)度調(diào)洪（可調(diào)洪20000m3/s以上），結(jié)合流域防洪預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，綜合確定宜昌站將流量超過(guò)76900m3/s的洪水作為超標(biāo)洪水。

為縮短測(cè)驗(yàn)歷時(shí)及搶測(cè)洪峰、增加測(cè)驗(yàn)安全，水文站引進(jìn)了電波流速儀測(cè)流，為了保證電波流速儀在該站的測(cè)驗(yàn)精度，使測(cè)驗(yàn)資料可靠性有所保證，本站進(jìn)行了電波流速儀系數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，并進(jìn)行了分析。本次分析采用2020年資料。

1.2 電波流速儀工作原理

SVR電波流速儀是一款在水利環(huán)保領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的手持非接觸式測(cè)速設(shè)備。作為世界上首款專為液體表面流速測(cè)量的設(shè)備，SVR電波流速儀集成了多項(xiàng)世界領(lǐng)先的專利技術(shù)，比如自適應(yīng)微波收發(fā)強(qiáng)度控制模塊、32位高速多普勒DSP芯片等，大幅提高設(shè)備在各種復(fù)雜條件下的準(zhǔn)確性和靈敏性，專門為液面流速測(cè)量開(kāi)發(fā)的智能表面回波分析算法，可有效排除與液面流速無(wú)關(guān)的干擾信號(hào)，測(cè)量液面流速穩(wěn)定可靠。大功率微波發(fā)射單元保證設(shè)備具備極高的檢測(cè)靈敏度，同時(shí)大大增加有效測(cè)程距離（大于100m）。

SVR電波流速儀可廣泛應(yīng)用于野外巡測(cè)和洪水、潰壩、決口、泥石流等應(yīng)急測(cè)量，尤其適用于汛期搶測(cè)洪峰。自動(dòng)化程度高、性能可靠、工作穩(wěn)定、維護(hù)方便。

如圖1所示。

圖1 SVR電波流速儀及組件

SVR電波流速儀發(fā)出一個(gè)微波能量束（無(wú)線電波），當(dāng)這個(gè)波的能量撞擊水面時(shí)，波能量的一小部分返回到雷達(dá)設(shè)備天線，返回信號(hào)的頻率變化與目標(biāo)速度成比例（多普勒效應(yīng)，最小流速0.3m/s），根據(jù)發(fā)射和返回信號(hào)頻率的不同，測(cè)定水面流速，如圖2所示。

圖2 SVR電波流速儀測(cè)量

參照均勻浮標(biāo)法，測(cè)定多條垂線的水面流速，按照流速面積法計(jì)算斷面虛流量，乘以斷面平均水面流速系數(shù)，得到斷面流量。

1.3 宜昌水文站概況

宜昌水文站（以下簡(jiǎn)稱宜昌站）位于長(zhǎng)江中游干流上段，地理位置東經(jīng)111°17′，北緯30°42′，控制流域面積1005501km2，占全流域面積的55%，屬長(zhǎng)江干流一類基本水文站。測(cè)驗(yàn)河段上下游約3km范圍內(nèi)較順直，測(cè)驗(yàn)斷面呈“U”型，斷面起點(diǎn)距700m以右系亂石陡坡河床，以左為卵石沙質(zhì)河床，低水時(shí)有100m左右的沙灘，左岸河底高程44m以上為混凝土預(yù)制塊護(hù)岸，54m以上是濱江公園平地。本站為三峽出口兼壩下控制站。斷面上游6km有葛洲壩水利樞紐工程，44km有三峽水利樞紐工程；斷面下游2km有夷陵長(zhǎng)江大橋，4.2km有宜萬(wàn)鐵路長(zhǎng)江大橋，下游39km有清江支流匯入。長(zhǎng)期以來(lái)，宜昌水文站為長(zhǎng)江水利水電建設(shè)、水文科研、河演觀測(cè)、中下游防洪預(yù)報(bào)、葛洲壩及三峽水利樞紐工程建設(shè)及運(yùn)行和調(diào)度提供了大量珍貴翔實(shí)的第一手水文資料。

1.4 測(cè)站特性

多年以來(lái)，測(cè)驗(yàn)河段上游相繼建成葛洲壩和三峽水利樞紐，導(dǎo)致宜昌站水流特性較為復(fù)雜，水位流量關(guān)系受影響因素較多，主要受洪水漲落、斷面沖淤、上游葛洲壩和三峽水利樞紐聯(lián)合調(diào)度、下游清江洪水頂托等綜合因素影響，中高水水位流量關(guān)系呈逆時(shí)針繩套曲線和臨時(shí)曲線，低水一般為單一線，具體表現(xiàn)為受電站蓄放水而產(chǎn)生的附加比降的影響，電站放水時(shí)，水位上漲，流速增大，流量也增大；蓄水時(shí)則完全相反。在水位流量關(guān)系線上表現(xiàn)為漲水點(diǎn)偏右，落水點(diǎn)偏左，峰、谷點(diǎn)居中。如不間斷連時(shí)序測(cè)驗(yàn)流量，反映在水位流量關(guān)系上為連續(xù)的繩套。

采用選點(diǎn)法數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪2017-2020年宜昌站25條測(cè)速垂線流速分布如圖3，25條垂線分布較為一致，點(diǎn)繪一條標(biāo)準(zhǔn)垂線分布曲線如圖4，實(shí)際流速分布情況接近對(duì)數(shù)曲線型和指數(shù)曲線型。

圖3 垂線流速分布

圖4 標(biāo)準(zhǔn)垂線分布曲線

采用2017-2020年選點(diǎn)法數(shù)據(jù)，分析不同水位級(jí)情況下流速分布如圖5。從圖5可以看出不同水位級(jí)下流速分布規(guī)律較為一致，兩邊流速較小，中泓流速較大，右岸流速比左岸大，最大流速集中在起點(diǎn)距550-610m之間。

圖5 垂線平均流速橫向分布

2 電波流速儀對(duì)比試驗(yàn)的具體方法

2.1 電波流速儀測(cè)驗(yàn)

電波流速儀測(cè)驗(yàn)地點(diǎn)選在斷面下游2km夷陵長(zhǎng)江大橋處，此處交通方便，且無(wú)支流汊流，測(cè)驗(yàn)得出流量具有代表性，因與斷面不在一個(gè)平面不考慮端面影響因素。

分別測(cè)量橋兩站坐標(biāo)，在起點(diǎn)局660m、700m之間布置一條垂線。對(duì)著水流方向，儀器射線與水面成45度角，連續(xù)施測(cè)該垂線水面流速10次，取10次平均值作為測(cè)點(diǎn)流速，同一時(shí)段在宜昌水文站斷面上使用走航式ADCP施測(cè)流量。

2.2 分析方法

用走航式ADCP測(cè)得斷面流量和電波流速儀所測(cè)平均水面流速計(jì)算該次比測(cè)試驗(yàn)的電波流速儀水面系數(shù)。

3 對(duì)比測(cè)驗(yàn)

宜昌水文站電波流速儀系數(shù)試驗(yàn)，在2020年5月至9月期間試驗(yàn)22次，其流速變幅 范 圍 為1.73m/s～4.42m/s，流量 變 幅 為13000m3/s～41900m3/s。對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程中天氣情況良好，流速儀實(shí)測(cè)流量、電波流速儀流速成果對(duì)比表見(jiàn)表1。

表1 麻街站電波流速儀水面系數(shù)計(jì)算表

4 回歸計(jì)算及誤差分析

根據(jù)走航式ADCP實(shí)測(cè)斷面流量與用電波流速儀法實(shí)測(cè)流速進(jìn)行點(diǎn)繪ADCP斷面流量與電波流速儀實(shí)測(cè)流速關(guān)系圖，采取回歸計(jì)算得到線性關(guān)系公式為y=11183x-6455.4，見(jiàn)圖6。

圖6 麻街水文站電波流速儀系數(shù)分析圖

根據(jù)圖6，按照《流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的規(guī)定，相關(guān)系數(shù)r=0.9515，資料的線性相關(guān)性比較好。其中：y為ADCP實(shí)測(cè)流量，即斷面流量，m3/s；x為SVR電波流速儀虛流量，m3/s。

初步確定電波流速儀測(cè)得指標(biāo)流速與ADCP實(shí)測(cè)斷面流量建立的線性關(guān)系公式，得到本站電波流速儀指標(biāo)流速與斷面平均流量推流模型。

建立線性關(guān)系，公式及相關(guān)精度如表2?？煽闯鲫P(guān)系線系統(tǒng)誤差和不確定度兩項(xiàng)指標(biāo)符合《水文資料整編規(guī)范SLT247-2020》定線精度要求（一類精度站，系統(tǒng)誤差不超過(guò)±1%，不確定度不超過(guò)10%，因電波流速儀原理和水面浮標(biāo)法類似，隨即不確定度可擴(kuò)大到12%）。

表2 模型V～Qc關(guān)系線檢驗(yàn)計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

對(duì)所電波流速儀實(shí)測(cè)流速與走航式ADCP所測(cè)斷面流量的線性關(guān)系進(jìn)行符號(hào)、適線、偏離數(shù)值檢驗(yàn)如表2，三項(xiàng)檢驗(yàn)均滿足要求。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)分析，宜昌水文站比測(cè)結(jié)果滿足精度要求，其代表性較好，可用于實(shí)際應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作中。建議下一階段工作應(yīng)盡可能的收集較多的比測(cè)資料，擴(kuò)充樣本容量，增強(qiáng)樣本代表性，并對(duì)率定曲線進(jìn)行重新率定。

電波流速儀應(yīng)用于宜昌水文站，是傳統(tǒng)的流速儀、ADCP等測(cè)驗(yàn)儀器設(shè)備的重要補(bǔ)充方案，在實(shí)際測(cè)量中取得了一定的效果，測(cè)驗(yàn)質(zhì)量滿足水文規(guī)范要求。這樣以來(lái)大大提升報(bào)汛質(zhì)量和時(shí)效性，從根本上解決了受工程影響測(cè)站流量測(cè)報(bào)的難題，提升了超高洪水下水文測(cè)驗(yàn)人員的安全性，同時(shí)也將水文信息化向水文智能化發(fā)展提升了一個(gè)高度。