双轨全自动雷达波在线测流系统应用研究_赵勋攀.pdf

2023.No.3四 川 水 利双轨全自动雷达波在线测流系统应用研究赵勋攀1，徐 翔2(1.四川省南充水文水资源勘测中心，四川 南充，637000;2.四川省水文水资源勘测中心，成都，610036)【摘要】为了探索双轨全自动雷达波在线测流系统在李子溪流量测验中的应用条件和应用范围，以李子溪干流中游区域代表站赵家祠(二)水文站双轨全自动雷达波在线测流系统实时测验计算流量数据与该站历年水位流量关系数据为依据，通过比测分析，解决双轨全自动雷达波在线测流系统用于赵家祠(二)水文站测验时的流量计算问题。【关键词】双轨全自动雷达波在线测流系统赵家祠(二)水文站流量测验中图分类号:P332.4文献标志码:A文章编号:20951809(2023)030099051基本情况1.11.1测站基本情况测站基本情况赵家祠(二)水文站上游集水面积 425km2，距河口 24km，主要集水面积为四川省南充市嘉陵区双店乡的北方、西北方和西南方。赵家祠(二)站下游 1km 处有双店电站，下游 11km 处有嘉陵区吉安镇及广安市武胜县八一乡两个人口集镇。赵家祠(二)水文站监测项目有水位、流量、悬沙、降水、蒸发、水质，是嘉陵江右岸一级支流李子溪区域代表站、中央报汛站，属流量二类精度站、泥沙三类精度站。主要功能为基本资料收集、水文分析计算、防汛、水资源管理。测验河段顺直长约 400m，顺直段上、下游为弯道，基本断面处于测流河段中部。基下 490m处有一跌坎，基下 55.0m 至 75.0m 有一套槽堰，中、低水时受堰槽控制，高水时受下游弯道及跌坎控制，控制稳定;基上 27.0m 处有一深潭，基上25.0m 处河中有一约 8.0m3的乌龟型巨石，对中泓流速有影响。左岸有一人工引水渠，基上 8.5m为渠道测流断面;基下 11.0m 有一人工跌坎为渠道控制，控制稳定。该站中、低水时受标准巴歇尔堰槽控制，高水时受下游弯道及跌坎控制，控制稳定，水位流量关系呈单一线型。测流断面与基本水尺断面重合，基本断面呈“U”形，断面两岸为沙质土壤，河底为石岩组成，断面稳定。高、中、低水中泓位置基本垂直于断面，中泓受乌龟石影响，水流有紊动，对测验精度有一定影响。根据本站近 10a 所刊印的实测基本水尺断面，采用 10a 的平均水位计算各次断面面积，再分别进行比较，从比较表(见表 1)可以看出近 10a 本站断面相对稳定。图 1赵家祠(二)20152019 年大断面99赵勋攀，徐 翔:双轨全自动雷达波在线测流系统应用研究2023.No.3表 1赵家祠(二)站近 10a 断面变化情况统计序号施测日期断面面积(m2)变化情况(%)较 1 号断面相邻断面12010041515.822011042216.11.91.932012041616.43.81.942013051016.75.71.252014041616.65.00.562015040216.97.01.872016041416.54.42.482017040416.01.33.092018040816.22.51.2102019032816.22.50平均值16.33.20.6赵家祠(二)水文站洪水为上游来水及当地降雨形成，陡涨陡落，持续时间短，涨率快。来沙为上游雨坡侵蚀与河床冲刷形成。雨量丰沛，降雨量时空分布不均匀。59 月为降雨集中时段，其降雨量占年总降雨量的 80%左右，是夏季洪涝的重要原因。洪水季节的变化与暴雨时程分布基本一致，年最大洪峰流量出现在 57 月，尤以 7月居多，洪水历时一般 1d 2d，洪峰形状大多为单峰。且涨水过程比较频繁，一般年份洪峰流量在 400m3/s600m3/s 左右。赵家祠(二)水文站特征值见表 2。表 2赵家祠(二)水文站水文特征值统计统计要素数值出现时间施测方法实测最高水位(m)31.102013/7/19水尺读数实测最大流量(m3/s)14402013/7/1中泓浮标实测最大流速(m/s)4.032013/7/1中泓浮标实测最大水深(m)5.602013/7/1中泓浮标根据历年年内水位流量资料分析，赵家祠(二)水文站中、低水时受标准巴歇尔堰槽控制作用明显，控制良好，水位流量关系为单一线，历年综合水位流量关系线中低水基本稳定无变化，高水时受下游弯道及跌坎控制，控制稳定，水位流量关系呈单一线型。河道水位在 25.40m26.60m之间时用巴歇尔验槽推流，水位流量关系线为单一线;河道水位在 26.60m 30.00m 之间流量实行间测，采用综合水位流量关系线推流(见图2)。2018 年 12 月 14 日之前左岸站房下的电站引水渠道测取渠道流量，2018 年 12 月 14 日电站正式停止发电渠道流量正式取消测流，只测取基本断面流量。图 2赵家祠(二)水文站历年综合水位流量关系趋势1.21.2双轨全自动雷达波在线测流系统概述双轨全自动雷达波在线测流系统概述1.2.11.2.1系统组成和工作原理系统组成和工作原理双轨全自动雷达波在线测流系统由雷达表面流速传感器、雷达运行车(含全时四驱系统、雷达测速控制器、锂电池、无线电台、倾斜计等)、遥测终端系统(含 TU/GPS 通信模块)、在线自动充电箱、供电系统(含太阳能板/蓄电池/充电控制器)、外接水位计(浮子、气泡或雷达)和软件等组成，系统组成见图 3。图 3双轨全自动雷达波在线测流系统结构双轨全自动雷达波在线测流系统利用两根直径 5mm 的 304 不锈钢钢丝绳做导轨，将雷达波表面测速传感器、全时四驱系统、雷达测速控制器、锂电池、无线电台、倾斜计等设备安装在雷达运行车内，雷达运行车通过驱动轮和转向轮悬挂在导轨绳上1。当雷达测速控制器通过无线电台接收到运行指令，控制雷达运行车内的电机控制指令将雷达运行车运行到测流断面指定位置，然后将到位信息通过无线电台发送给系统控制器，系统控制器再通过电台给雷达测速控制器发送测流指令2。雷达测流控制器接收到测流指令后，控制雷达测速探头开始测速测验，并及时将雷达测0012023.No.3四 川 水 利速探头实测流速数据通过无线电台发送给系统控制器，系统控制器同时采集水位数据，再将水位、流速等数据发送给流量计算终端，实时计算断面流量，从而实现断面无人值守自动测验。当完成测流后，将雷达运行车开回室内，自动对准充电控制箱进行充电3。雷达运行车与充电装置如图 4所示。图 4雷达运行车与充电装置示意1.2.21.2.2系统特点系统特点根据水文发展趋势，以及大水文适应社会经济发展的需要，新增站点数量多，迫使水文测验向无人值守、远程遥测、实时在线、测、报、整自动化、通信网络化等技术层面的大飞跃。该系统的主要工作特性为:(1)采用 2 根不锈钢钢丝绳作为雷达流速仪的自行缆道运行索;(2)系统自动运行雷达流速仪到设定垂线，完成垂线水面流速测量;(3)系统根据流速、实时水位和借用断面资料，计算出流量;(4)系统自动检测雷达测速探头倾斜角度并修正;(5)全天候，大、中、小及暴雨天均可正常测量流速。2比测目的和方法赵家祠(二)水文站发生大洪水时，主河道漂浮物较多，采用常规流速仪测验方法及走航式ADCP 测验方法进行流量的测验较为困难，存在一定的安全风险，且站点比较偏远、人员偏少、巡测支援时效性低、工作强度大。2018 年该站配备了一套双轨全自动雷达波在线测流系统，为了分析双轨全自动雷达波在线测流系统流量与原断面稳定流量的相关关系，充分发挥该系统无人值守、安全实用、实时监测的优势。采用双轨全自动雷达波在线测流系统本身自带的气泡水式遥测水位计摘录的水位，利用自动巡航实测和人工招测的方式收集全断面实时流量，再用实时流量与同水位历年水位流量关系流量数据(线上流量)进行对比分析。3流量样本选取情况双轨全自动雷达波在线测流系统在赵家祠(二)水文站的流量测验中，2020 年 6 月 27 日2021 年 7 月 18 日一共实测了 70 份全断面流量，因测流系统测验精度受低水位、大风速、雨滴、自身晃动等外界影响，通过分析比较发现该系统在水面流速低于 0.50m/s 时受外界因素影响较大。为了保证样本的一致性，最终选取测点齐全、测速垂线流速在 0.50m/s 以上的 41 份资料(见表 3)，实测最大流量 295m3/s，相应水位 28.21m，最小流量 40.5m3/s，相 应 水 位 27.00m，水 位 变 幅1.21m。赵家祠(二)水文站雷达测流和同水位历年水位表 3流量关系流量(线上流量)样本序号测流时间水位(m)雷达流量(m3/s)线上流量(m3/s)12020 年 6 月 27 日27.1265.956.922020 年 7 月 15 日27.28103.582.332020 年 7 月 16 日28.0027523642020 年 7 月 16 日28.0027323652020 年 7 月 16 日27.9425422062020 年 7 月 17 日27.6417215172020 年 7 月 17 日27.5013812482020 年 7 月 17 日27.3911010392020 年 7 月 17 日27.2483.874.9102020 年 7 月 17 日27.1468.859.7112020 年 7 月 17 日27.0862.551.1122020 年 7 月 17 日27.0758.849.7132020 年 7 月 17 日27.0253.443142020 年 7 月 18 日27.0046.440.5152020 年 7 月 26 日27.88248205162020 年 7 月 26 日27.70185163172020 年 7 月 31 日28.18328286182021 年 7 月 17 日27.2180.770.2192021 年 7 月 17 日27.3110887.8202021 年 7 月 17 日27.42126109212021 年 7 月 17 日27.53149130222021 年 7 月 17 日27.60173143232021 年 7 月 17 日27.76226177242021 年 7 月 17 日27.85266198252021 年 7 月 16 日28.21372295262021 年 7 月 16 日28.11344266272021 年 7 月 16 日27.70203163282021 年 7 月 16 日27.51153126292021 年 7 月 16 日27.1375.058.3302021 年 7 月 11 日27.2387.473.2312021 年 7 月 11 日27.2290.371.7322021 年 7 月 10 日27.1779.664.1332021 年 7 月 10 日27.3010186342021 年 7 月 10 日27.38119101352021 年 7 月 10 日27.52157128362021 年 7 月 10 日27.61182145372021 年 7 月 10 日27.72218167382021 年 7 月 10 日27.84255195392021 年 7 月 10 日27.91268213402021 年 7 月 10 日27.77231179412021 年 7 月 10 日27.64199151101赵勋攀，徐 翔:双轨全自动雷达波在线测流系统应用研究2023.No.34双轨全自动雷达波在线测流系统系数分析对本次选取的 41 次双轨全自动雷达波在线测流系统实测断面流量与同水位历年水位流量关系流量数据(线上流量)，建立相关关系。以同一水位历年水位流量关系流量数据(线上流量)为纵坐标，双轨全自动雷达波在线测流系统实测断面流量为横坐标点绘关系图(见图 5)，进行曲线拟合，综合相关系数 =0.9971，进行对比分析，得到关系式 y=0.8157x，即线性回归方程 Q线上=0.8157Q雷达。图 5双轨全自动雷达波在线测流系统实测断面流量与同水位历年水位流量关系对本次选取的 41 次双轨全自动雷达波在线测流系统实测断面流量用拟合得到的线性回归方程式计算得到计算流量，见表 4。表 4用拟合得到的线性方程式计算流量序号测流时间水位(m)雷达流量(m3/s)线上流量(m3/s)相关系数计算流量(m3/s)12020 年 6 月 27 日27.1265.956.90.815753.822020 年 7 月 15 日27.28103.582.30.815784.432020 年 7 月 16 日28.002752360.815722442020 年 7 月 16 日28.002732360.815722352020 年 7 月 16 日27.942542200.815720762020 年 7 月 17 日27.641721510.815714072020 年 7 月 17 日27.501381240.815711382020 年 7 月 17 日27.391101030.815789.792020 年 7 月 17 日27.2483.874.90.815768.4102020 年 7 月 17 日27.1468.859.70.815756.1112020 年 7 月 17 日27.0862.551.10.815751.0122020 年 7 月 17 日27.0758.849.70.815748.0132020 年 7 月 17 日27.0253.443.00.815743.6142020 年 7 月 18 日27.0046.440.50.815737.8152020 年 7 月 26 日27.882482050.8157202162020 年 7 月 26 日27.701851630.8157151172020 年 7 月 31 日28.183282860.8157268182021 年 7 月 17 日27.2180.770.20.815765.8192021 年 7 月 17 日27.3110887.80.815788.1202021 年 7 月 17 日27.421261090.8157103序号测流时间水位(m)雷达流量(m3/s)线上流量(m3/s)相关系数计算流量(m3/s)212021 年 7 月 17 日27.531491300.8157122222021 年 7 月 17 日27.601731430.8157141232021 年 7 月 17 日27.762261770.8157184242021 年 7 月 17 日27.852661980.8157217252021 年 7 月 16 日28.213722950.8157303262021 年 7 月 16 日28.113442660.8157281272021 年 7 月 16 日27.702031630.8157166282021 年 7 月 16 日27.511531260.8157125292021 年 7 月 16 日27.137558.30.815761.2302021 年 7 月 11 日27.2387.473.20.815771.3312021 年 7 月 11 日27.2290.371.70.815773.7322021 年 7 月 10 日27.1779.664.10.815764.9332021 年 7 月 10 日27.3010186.00.815782.4342021 年 7 月 10 日27.381191010.815797.1352021 年 7 月 10 日27.521571280.8157128362021 年 7 月 10 日27.611821450.8157148372021 年 7 月 10 日27.722181670.8157178382021 年 7 月 10 日27.842551950.8157208392021 年 7 月 10 日27.912682130.8157219402021 年 7 月 10 日27.772311790.8157188412021 年 7 月 10 日27.641991510.8157162对本次选取的 41 次计算结果进行水位流程关系曲线 3 种检验，将相关线进行符号检验、适线检验、偏离数值检验，通过表 5 可以看出，系统误差为1.2%，标准差为 5.2%，随机不确定度为10.4%。根据水文资料整编规范(SL 247 2012)表 3.3.21 规定，二类精度站流量定线精度指标中，采用水力因素法的系统误差在2%内，随机不确定度小于 12%，因此，本次比测分析成果均满足规范要求。表 5赵家祠(二)水文站水位流量关系曲线检验计算序号施测号数水位(m)计算流量(m3/s)线上流量(m3/s)偏差 P(%)P(i)P(平)P(i)P(平)211427.0037.840.56.675.5230.4721327.0243.643.01.402.556.5031227.0748.049.73.422.275.1541127.0851.051.10.200.950.905127.1253.856.95.454.3018.4962927.1361.258.34.976.1237.4571027.1456.159.76.034.8823.8183227.1764.964.11.252.405.7691827.2165.870.26.275.1226.21103127.2273.771.72.793.9415.52113027.2371.373.22.601.452.1012927.2468.474.98.687.5356.7013227.2884.482.32.553.7013.69143327.3082.486.04.193.049.24151927.3188.187.80.341.492.22163427.3897.11013.862.717.3417827.3997.11035.734.5820.98182027.421031095.504.3518.9219727.501131248.877.7259.60202827.511251260.790.360.132012023.No.3四 川 水 利序号施测号数水位(m)计算流量(m3/s)线上流量(m3/s)偏差 P(%)P(i)P(平)P(i)P(平)2213527.521281280.001.151.32222127.531221306.155.0025.00232227.601411431.400.250.06243627.611481452.073.2210.3725627.641401517.286.1337.58264127.641621517.288.4371.06271627.701511637.366.2138.56282727.701661631.842.998.94293727.721781676.597.7459.91302327.761841773.955.1026.01314027.771881795.036.1838.19323827.842081956.677.8261.15332427.852171989.6010.75115.56341527.882022051.460.310.10353927.912192132.823.9715.7636527.942072205.914.7622.6637328.002242365.083.9315.4438428.002232365.514.3619.01392628.112812665.646.7946.10401728.182682866.295.1426.42412528.213032952.713.8614.90注:(1)样本容量:N=41;正号个数:17.5;符号交换次数:25。(2)符号检验:u=0.78;允许:1.15(显著性水平 a=0.25);合格。(3)适线检验:U=1.74;免检。(4)偏离数值检验:|t|=1.46;允许:1.67(显著性水平 a=0.10);合格。(5)标准差:Se(%)=5.2;随机不确定度(%):10.4;系统误差(%):1.2。5合理性分析(1)历年水位流量关系流量数据与双轨全自动雷达波在线测流系统实测流量符合幂函数关系，原始分析数据资料真实、计算准确、可靠性强;比测成果从 70 组数据中选取 41 组资料进行 3 种检验，成果满足规范要求，代表性较好，可以反映总体的流量关系情况。(2)线性回归方程 Q线上=0.8157Q雷达的相关系数达到 0.9971，说明方程推算流量与实测流量成果高度相关。其使用条件在水位大于 27.00m以上，垂线表面流速大于 0.50m/s 以上;由于测流系统调试完成后进行比测的时间段，没有出现高水位的洪水过程，收集的比测资料无法有效涵盖高洪水位级，从资料的完整性和代表性而言，水位 28.20m 以上及水位 27.00m 以下需要收集更多比测资料。(3)赵家祠(二)双轨雷达波在线测流系统平行安装在流速仪缆道测流断面上游 5m 处，河床稳定，河段顺直无支流汇入，垂线位置分布合理，对应的流速大小基本一致。高流速、大量漂浮物等各种缆道流速仪测验无法施测的情况下，双轨雷达波在线测流系统可以很好地克服。(4)双轨全自动雷达波在线测流系统在使用过程中受外界因素影响较大，自身晃动及水位低、流速小、风速大、大雨天气的情况下使用效果不佳。一般来说，双轨全自动雷达波在线测流系统在稳定无晃动，水面单点流速大于 0.5m/s 以上测速情况良好，否则测验的数据失真无法使用，应当研究通过技术手段，过滤筛选出虚假的数据，从而取得有效真实的数据。6结语双轨全自动雷达波测流系统属于一种全新的测验模式，根据目前收集到的资料分析可知，双轨全自动雷达波测流系统已达到作为一种高洪应急监测设备的精度要求。同时，其网络远程控制、设备电池连续工作时间长等优点正是当前水文发展的新要求、新方向，解决偏远水文测站的落后监测方式，解放了劳动力。其定时测报、变幅加测等功能的灵活设置，让无人值守的水文测验模式成为可能，真正实现全自动监测。赵家祠(二)水文站还需要继续进行对比总结分析，以便积累更多的使用经验，为双轨全自动雷达波测流系统的常规运用提供技术分析经验。参 考 文 献 1 吴 汉，宋丽琼雷达测速仪水文测验的应用研究 J 中国水利，2014(07):5859 2 周永章雷达波河道流量测验若干问题解决方案和试验分析 C 全国水文监测新技术应用学术研讨会，2015，239245 3 张志斌非接触式高频雷达测流系统在辽宁中小河流自动测验中的改进应用J 水利技术监督，2020(06):3672作者简介:赵勋攀(1985)，男，四川阆中人，大学本科，工程师，主要从事水文水资源勘测工作;Email:170253887 徐 翔(1989)，男，江苏淮安人，大学本科，工程师，主要从事水文水资源水情预报工作。Email:301