雷达波测流系统在金沙江攀枝花水文站的应用研究及误差分析

胡 江,宋小燕

（长江委水文局长江上游水文水资源勘测局攀枝花分局,四川 攀枝花 617000）

1 概述

近年来,随着金沙江中游梯级水电站的兴建,金沙江攀枝花水文站受金沙水电站蓄、放水的影响,水位变幅较快,流量测验的时机难以掌握,用传统的流速仪测验方法,任务繁重,时效性差,测验误差较大且不能及时准确地反映流量变化过程[1]。为了解决以上问题,提高测验精度,推广新仪器新技术的运用,攀枝花水文站引进雷达波测流与传统流速仪法进行比测试验以分析新设备的适用性[2]。

2 测量原理

2.1 仪器使用范围

适用于中小型河流高洪水流量测验、浅滩过水流量测验、省界流量测验等。

2.2 测量原理

雷达波测流主要采用微波对河流表面流速进行测量,根据表面流速和断面平均流速拟合出表面流速与断面平均流速间的关系方程,通过方程式计算出断面平均流速,最后根据流量计算公式,计算出河道流量[3]。

2.3 工作原理

雷达波测流系统通过架设简易缆道,采用直径大于8 mm的钢丝绳做导轨,缆道上悬挂雷达运行小车,在计算机上输入测量断面的水位、大断面和测流垂线等数据,遥控定位雷达运行小车自动测验逐条流速垂线,流速数据通过无线方式发送到终端计算机中,有软件计算出相应流量,从而实现断面无人值守自动测验[4]。

2.4 仪器的性能及主要参数

雷达波流速测量范围：0.15 m/s～15 m/s；河流宽：≥30 m,≤500 m；测验河段相对顺直,断面流态相对稳定,无回流或旋涡。

2.5 优势

雷达波为非接触测流系统,功耗低、维护少、不惧泥沙,可实现无人值守,全自动采集和计算流量。同时在测流过程中系统可根据水位变化,自行调整测流垂线的数量,测量历时短[5-6]。

3 雷达波测流在攀枝花水文站的实际应用

3.1 攀枝花站水文特性

攀枝花水文站位于金沙江干流攀枝花市区,是为控制雅垄江汇入前金沙江干流河段水情的一类精度流量站、一类精度泥沙站。该站测流断面位于弯道顺直段,顺直长约1400 m,最大水面宽约190 m,断面下游500 m 的浅滩,起低水控制作用；下游弯道和密地大桥起高水控制作用；下游15 km 雅砻江从左岸汇入,高水时有回水顶托影响。断面呈“W”型,左深右浅,两岸为乱石组成,河床为乱石夹沙,断面变化甚微,水位流量关系多年基本稳定。

3.2 仪器安装

雷达波测流系统采用双轨缆道设计,分别在河道左右岸埋设镀锌钢管（双杆）,采用直径≥8 mm 双钢丝绳横跨河道,钢丝绳轨道间距宽度≤300 mm。双轨缆道上悬挂雷达运行小车,钢丝绳一端固定在双轨小车上,另外一端拉到河对岸,穿过转向轮后垂直悬挂一定重物,保持钢丝绳热胀冷缩仍能达到同一垂度,水文站站房同侧双杆顶部安装缆道小车控制和充电平台等[7]。

图1 雷达波测流系统示意图

3.3 比测及率定

雷达波测流系统位于流速仪测流断面下游6 m 处,其测速小车平行于测流断面运行,雷达波测流系统比测期间采用与流速仪常测法测量相同的测速垂线、相同时间段同步比测,同时设定时段及涨落率自动测流方式,系统参数借用的断面数据与流速仪测流断面保持相同。

本次分析在收集雷达波实测测流资料基础上,采用雷达波实测资料建立水位流量关系与流速仪的水位流量关系进行对比分析,分析相同水位下雷达波实测流量的稳定性,再确定分析范围、分析方法（线性关系、多项式关系）以及计算样本系统误差、随机不确定度,评估其还原性,最后确定最优本雷达测流系统虚流量换算断面流量的适用公式[8]。

（1）稳定性分析。

图2 攀枝花站雷达波与流速仪水位流量关系图

通过选取雷达波测流系统在2020 年12 月20 日至2021年8 月30 日期间3700 多次实测流量资料与流速仪水位流量关系综合线资料进行对比分析,雷达波在各级水位的实测流量点总体呈现带状分布,高、低水部分流量点有一定散乱；雷达波水位流量关系线与流速仪水位流量关系综合线比较分析,两线形态一致,关系稳定。

考虑到雷达波流量与流速仪流量线性关系良好,我们分别建立两者间线性关系和多项式关系,在这两种关系之间进行甄选[9-10]。

（2）线性关系分析

通过选取雷达波实测流量400 次流量资料与流速仪水位流量关系综合线资料建立相关关系,得到雷达波流量与流速仪流量关系公式：

从图3 可以看出雷达波流量与流速仪流量关系,显著性0.98678,线性关系较好。

图3 雷达波流量与流速仪流量线性关系分析图

（3）多项式关系分析

通过选取雷达波实测流量400 次流量资料与流速仪水位流量关系综合线资料建立相关系,得到雷达波流量与流速仪流量关系公式：

从图4 可以看到雷达波流量与流速仪流量关系,显著性达0.9924,线性关系良好。

图4 雷达波流量与流速仪流量多项式关系分析图

（4）同步对比分析

按照《河流流量测验规范》（GB 50179-2015） 中第4.1.2条规定,选取雷达波测流系统在高、中、低不同水位（或者流量）级下与流速仪同步比测39 次。采用流速仪实测流量与雷达波实测流量建立相关关系,通过分析比较确定雷达波测流系统应采用换算断面流量方法。具体见图5。

图5 雷达波与流速仪同步比测流量线性关系

通过图5、图6 可见雷达波与流速仪建立的两种关系的相关性较好,其多项式关系R绝对值更接近于1,相关性更强,进一步佐证了多项式关系的正确性。

图6 雷达波与流速仪同步比测流量多项式关系

3.4 误差分析

还原性分析采用上述线性公式及多项式公式换算雷达虚流量450次,再与流速仪水位流量关系综合线流量比较误差。结果见表1、表2。

表1 雷达波测流线性公式还原误差分析表

表2 雷达波测流多项式公式还原误差分析表

表3 攀枝花站两种方法推求径流量比较误差分析表

由表1、表2 可见雷达波流量线性公式和多项式公式换算的雷达虚流量与流速仪水位流量关系综合线上流量误差分析,线性公式各项误差指标均优于多项式公式[11]。

通过分析建立的相关关系在水文测验实际运用中对资料整编成果特别是对推算河道径流量计算影响较大。下面采用雷达波线性关系、多项式关系和流速仪整编定线资料进行误差对比分析,以检验两种相关关系公式的适用性。通过公式换算的断面流量推算月、年径流量,再与整编定线计算的径流量比较误差[12]。

通过对比分析,采用多项式关系推算2021 年8 个月的径流量与整编成果相对误差未超过2%,累计水量相对误差为0.83%。确定该雷达测流系统比测分析的多项式关系较优,多项式公式Q流=0.00002622Q雷-0.73822166Q雷+56.01084876可以在水位986.22 m～999.75 m,流速0.41 m/s～5.24 m/s,流量462 m3/s～8780 m3/s 以内使用,且数据成果可用于整编,实现在线。

4 结语

（1）通过对攀枝花站雷达波测流系统比测研究分析,根据《水文资料整编规范》要求,认为采用雷达波测流系统进行流量测验,收集到的流量资料进行处理后,可作为流量资料参与水文资料整编,具备投产条件。

（2）雷达波测流系统测得流量换算断面流量应与综合线流量比较,误差大于限差应复测（张落水急剧除外）,二次流量差大于平均值的5%需要再次复测,实测虚流量取最接近二次平均作为测得流量。

（3）启用率定公式后,应在每年高中低水分别与流速仪作比测验证,当雷达测得流量与线上流量比值发生系统偏差,应进一步系统检验使用的率定关系是否改变。

（4）雷达波测流系统使用前应检查电池电压及其工况,双缆线是否平行均衡,尽量避免测时顺、逆风、强雷电。