安顺场水文站在线雷达波流速仪水面系数比测分析

(四川雅安水文水资源勘测局，四川 雅安，62500)

1 测站基本概况

安顺场水文站位于四川省雅安市石棉县安顺乡安顺村松林河右岸，东经102°17′，北纬29°17′。于1960年3月设立，集水面积1452km2。主要作用为流域洪水预警预报、资料收集及流域特性分析研究。站址处距大渡河约500m，为国家基本水文站。流量测验精度为三类精度站，主要测验项目有水位、流量、降水量、含沙量。其中含沙量于2017年经上级批准取消日常测验。本站有一雨量站：新乐站，在本站上游约10km处。

测流断面与基本水尺断面重合，断面呈U型，河宽为52.0m，河床由砂卵石组成。右岸为站房堡坎，左岸原为农田，2015年县水务局修建为防洪堤。基本水尺断面下游约80m处为松林河河口电站引水处，枯期用堆石坝拦河抬水发电，抬水期间基本水尺断面水位受回水影响，洪水期间逐渐冲垮堆石坝后恢复到自然水位，枯季又影响，2015年下游河口电站堆石坝冲毁后未再维修抬水发电。基本水尺断面较之前变化较小。基本水尺断面采用测深杆测量，每年汛前汛末各施测大断面一次，汛期按测站任务书每月施测一次，大洪水后及时施测水淹部分。流量测次的布设：洪水期按洪水涨落过程布置测次，平枯水期按水位变化及测站任务书要求布设测点。

安顺场水文站地处四川盆地与青藏高原过渡连接地带，汛期主要受高压低槽影响，降水集中、强度大，山高坡陡汇流时间短，洪水历时短，水位呈暴涨暴落趋势，属典型的山溪性河流类型。流域内山高谷深，地表岩石为灰岩，岩石陡立，河谷两岸和山坡地带分布有冲沟，崩塌坡积物，出露岩体较破碎，且风化严重，加之山高坡陡，遇暴雨、山洪暴发，常常发生滑坡、崩塌及泥石流。再加上本站上游电站较多，规模以上中小电站依次为：洪一、洪二、洪三、大金坪、松源等水电站。但其库容较小，调节能力差，汛期蓄满便泄对本站水位影响较大。特别是上游支沟发生暴雨、特大暴雨所引发的山洪泥石流时，上游电站全部开闸泄流，造成水位从起涨到洪峰历时短，并且河道中漂木滚石较多，导致峰前测流布点困难。本站受涨落率、断面冲淤、变动回水等因素影响，水位-流量关系多为多线型，流量资料整编采用临时曲线法，其中2017年由于断面控制较好，4月份之后为单一曲线。

2 在线雷达波流速仪介绍

2.1 仪器简介

全自动在线雷达波流速仪测流设备采用从美国进口的多普勒雷达波测速传感器，型号为S3 SVRIV。以非接触方式测量水流表面流速，然后将所测流速和水位数据通过无线模块发送到测流控制器，通过系统流量测验软件平台，借助断面数据，用测到的水面垂线数据自动计算出断面流量，并实时上报。除雷达波流速仪外，全自动在线雷达波测流系统还包括简易缆道、自动行车、测流控制器、太阳能供电系统和水位计等组成部分。

2.2 主要参数指标

测速范围：0.2m/s～18m/s；

测速精度：±0.05m/s；

测速计时：精度1s，分辨率0.1s；

测速历时：0～99.9s；

波速宽度：12°；

发射功率：50mW；

微波频率：Ka波段；

有效测程：0～100m；

行车速度：≤60m/s；

故障反应：出现故障后自动返回停泊点；

无线通信：通信距离1000m；

行车定位精度：±1‰；

供电状况：24V锂电池，连续工作3h以上；

无线模块：电台475MHz；

适应环境：全天候、雷雨天可正常测流。

2.3 在线雷达波测流

2.3.1 安装说明

在线雷达波测流系统现场设备由简易缆道、无线遥控雷达波测流仪(自动行车上)、测流控制器、水位计、GPRS无线模块及太阳能供电系统等组成。悬挂于简易缆道上的无线遥控雷达波测流仪沿缆道行走，并停留在逐条垂线位置，测量垂线表面流速，测完所有垂线后自动返回停泊点，由太阳能板为其充电。

在测流控制器上预设测站参数，包括大断面数据、测流垂线、水面流速系数、岸边系数、测速历时等测流参数。

系统按以下四种方式启动测流，计算当前流量：

(1)根据预设的时间间隔定时测流，通过电脑设置段次测流，每天1次到48次定时自动运行施测流量；

(2)根据预设的水位变率启动测流，设置涨退水幅度(如0.1m或0.2m等)加测流量，系统根据设置好的涨幅达到后自动施测流量；

(3)从远程服务器启动测流，可通过电脑或手机端软件启动测流；

(4)现场操作测流控制器启动测流。

2.3.2 在线雷达波流速仪测流原理和工作方式

当在线雷达波流速仪达到预设测流时间或接到招测命令时，测流控制器启动测流命令，在线雷达波流速仪在行车的驱动下到达第一根测速垂线，水位计开始施测河道水位，流速探头开始施测垂线水面流速，然后每根测速垂线都重复相同的工作，直至最后一根测速垂线测量完成。通过流量测验软件平台根据已经预设好的断面数据，计算出断面面积与断面流量，自动生成流量测验成果表，并将数据实时上报。

3 在线雷达波流速仪水面系数的比测分析

为响应水文体制改革，全面实行巡测方案及为中小河流水文站测验方式改革作试点研究，雅安局在2017年经考察研究后，在安顺场水文站建成全自动在线雷达波流速测验系统，该系统具有高度的自动化、智能化，无需进入水体，对于高洪时多漂木、大流速、陡涨陡落的山溪性河流来说是一种较为理想的测验方式。

为了让在线雷达波流速仪早日投入使用，实现安顺场水文站的水位流量自动化在线监测及更好地为防汛部门预警预报洪水信息，现对在线雷达波流速仪进行比测分析。

3.1 比测分析的仪器与方法

3.1.1 比测仪器

根据《河道流量测验规范》(GB 50179-2015)和《水文资料整编规范》(SL 247-2012)等相应规范的有关技术要求，采用转子式流速仪与在线雷达波流速仪进行比测分析。转子式流速仪型号为LS25-1型。

3.1.2 比测方法

由于施测流量时转子式流速仪大部分时间未与在线雷达波流速仪同时施测。故采取分别拟合各自的水位流量关系曲线，利用同水位节点相关。前提是转子式流速仪和在线雷达波流速仪的水位流量关系曲线各自都能满足《河道流量测验规范》的定线误差。

3.2 比测资料系列选用

本次比测资料选用2017年转子式流速仪与在线雷达波流速仪实测资料，其中转子式流速仪施测34份，在线雷达波流速仪施测53份，转子式流速仪实测最低水位891.11m，最高水位892.50m，在线雷达波流速仪实测最低水位891.11m，最高水位892.59m。比测水位级在891.10m到892.60m之间。

3.3 在线雷达流速仪水面系数的比测分析

3.3.1 转子流速仪水位流量关系及三线检验

转子式流速仪施测的流量拟合为单一的水位流量关系曲线，水位流量关系如表1所示，并对其进行了三线检验，检验成果见表2。

表1安顺场转子流速仪水位流量关系

表2安顺场转子流速仪三线检验成果

由公式及表2可得，系统误差为

(1)符号检验为

式中：u——统计量；

n——测点总数(样本个数)；

k——正号个数。

(2)适线检验为

式中：u——统计量；

n——测点总数(样本个数)；

k——变换符号次数。

(3)离数值检验为

n——测点总数(样本个数)；

pi——测点与关系曲线的相对偏离值。

由《水文资料整编规范》(SL247-2012)第3.4.5条规定并查临界值表3.4.1-1及3.4.1-2，符号检验显著水平α=0.25，u(1-α/2)=1.15；适线检验α=0.05～0.10，u(1-α)=1.64；偏离数值检验α=0.10～0.20，t(1-α/2)=1.7；由计算结果可知三种检验结果均小于查表临界值，故定线合理。

3.3.2 在线雷达波水位流量关系及三线检验

在线雷达波流速仪施测的流量拟合的也为一单一的水位流量关系曲线，水位流量关系如表3所示，三线检验成果见表4。

表3安顺场在线雷达波水位流量关系

表4安顺场在线雷达波流速仪三线检验成果

由公式及表4可得，系统误差为

(1)符号检验为

(2)适线检验为

(3)偏离数值检验为

三线检验公式中各符号意义同上(3.3.1)。

由《水文资料整编规范》(SL 247-2012)第3.4.5条规定并查临界值表3.4.1-1及3.4.1-2，符号检验显著水平α=0.25，u(1-α/2)=1.15；适线检验α=0.05～0.10，u(1-α)=1.64；偏离数值检验α=0.10～0.20，t(1-α/2)=1.68；由计算结果可知三种检验结果均小于查表临界值，故定线合理。

3.3.3在线雷达流速仪水面系数分析

通过在线雷达波流速仪拟合的过程线的节点与转子式流速仪拟合的单一线的节点流量数据相比，得出各节点的系数，再计算出系数的平均值即为在线雷达波水面系数(系数成果见表5)。计算公式如下：

表5水面系数分析

式中：Qi——在线雷达波流速仪流量，m3/s；

Qci——转子式流速仪流量，m3/s；

k0.0——节点系数平均值。

3.4 误差评价分析

将比测的在线雷达波流速仪水面系数，按流速仪施测流量时的水位所对应的在线雷达波流速仪所对应的流量乘以水面系数，与转子式实测流量进行误差分析，采用系统误差和随机不确定度来进行误差评价。计算公式如下：

表6误差统计

注：Qi=Q×0.73中0.73为表5分析出的水面系数。

式中：Qi——在线雷达波流速仪流量，m3/s；

Qci——转子式流速仪流量，m3/s。

误差统计如表6。

由公式及表6可得，系统误差为：

标准差为：

随机不确定度：

根据《河流流量测验规范》(GB 50179-2015)第6.1.2条规定，三类精度站单次流量测验允许误差中高水位级总随机不确定度小于8%，系统误差在±1%以内。本次分析结果满足规范要求。故安顺场水文站水面流速系数经分析为0.73。

4 结语

科技的进步发展带动了水文仪器、技术的更新换代，从传统的手摇缆道到现代的电动智能缆道，从费时费力、测验精度较差的高洪浮标测验到现在高度智能化、自动化、测验精度较高的全自动在线缆道测流，体现了水文由传统到现代，由人工到智能的发展趋势。全自动在线雷达波流速仪既可在无人值守的情况下，将完整的洪水过程测得出，同时可及时地将数据发送至防汛部门，保证了中小河流高洪时“测得出，测得准，报得及时正确”，为国家防洪提供了可靠的决策依据。