RG-30型雷达波流速仪在后峡水文站适用性分析

詹 戈

(新疆维吾尔自治区水文局水文实验站，新疆 乌鲁木齐 830000)

随着社会经济的快速发展，水资源研究与管理日益被重视起来，水资源的高效利用成为当前的研究重点。传统的水文测试方法以及测量仪器，已经很难满足现在对于水文研究自动化和信息化的要求，而目前采用的新时代水文研究方法，诸如水文要素自动监测和网络信息传输等测量系统，为水资源管理和社会经济发展提供了可靠的保证，为水文研究的快速发展提供了有力的工具。

1 区域概况

后峡水文站是乌鲁木齐河上游控制站，天山北坡径流试验基地，集水面积381 km2，河道长度33.9 km。经水文站试验，河段顺直、水流集中、断面稳定，可满足高、中、低水位水文试验要求。断面以上各监测点的水文信息能否准确测量和传输，直接影响乌鲁木齐市的防洪指挥，因此其地理位置十分重要。但后峡水文站作为区域代表性站，降水丰富，山洪频发，交通不便，人工流量监测难度较大[1]。

乌鲁木齐河流域位于天山北坡中部，海拔4 479 m以上，西接屯河系，东接板房沟河支流。河流自南向北，随支流汇入乌拉泊水库，全长214 km，总流域面积4 684 km2[2]。该河水来源于冰雪融水、降雨和地下水混合供给。河流径流形成区多位于中山带以上，河流沿斜坡发育，坡度大，流量短。汛期突发性洪水通常是由突发性暴雨或暴雨引起的。最大洪峰流量可达到河流流量的3～10倍，二次洪水总量甚至可以达到年径流量的10%～25%[2-3]。由于洪水变化较大，很难及时准确地估计其洪峰和洪量，这对乌拉泊水库下游的防洪工程和防洪措施构成了威胁，尤其是对乌鲁木齐市的安全造成了特别严重的后果。

2 雷达波流速仪简介

2.1 信息简介

雷达波流速仪是利用雷达波的多普勒效应，以非接触方式测量水流表面速度的仪器。雷达波流速仪在我国不同的河流和环境中都进行了流量试验，试验结果和指标均符合水文试验规范的要求。本研究站采用RG-30雷达波流速仪用于监测研究。RG-30雷达波流速仪是基于面积速度法原理。雷达波传输到非均匀流面时，后向散射会导致多普勒频移[4]。RG-30雷达波流速仪主要功能是使用雷达探头实时监测河流水面流速。可以实现单一测点和多个监测点河流的表面流速的监测，这些数据经过率定就可以推算出河流断面平均流速。对于山区性河流基本稳定的断面，以断面平均流速结合某一水位下的水道断面就可以计算出实时流量，便可得到实时河道流量，对洪水预报和资料累计起到重要作用。

本水文站采用包含RG-30型雷达波流速仪在内的在线监测系统，可以完成流量信息采集(水位、风向、采集速度等)、处理计算、信息存储与传输等一系列功能[5]。该系统的设计与建设结合了计算机处理、网络传输等自动化手段，将常规的人工监测水文要素转化为信息应用的数字化、自动化过程。

无线遥控雷达波数字流量测量系统由雷达波测速探头、无线信号传输装置、流量测量软件、简易索道等部分组成。由岸上计算机控制的雷达波流速仪可实现自动通道定位、自动测速和自动返回等一系列功能。该测量系统自动化程度高，操作方便，测试持续时间短，可在现场安装。

2.2 断面流量计算原理

2.2.1 表面流速横向分布

根据水力学中垂直速度水平分布理论，假设不同垂线的表面速度与水深成正比(假设试验段不存在滞水回流等特殊水力现象)。第m条垂线的表面流速计算公式：

(1)

式中：Vm为第m条垂线的表面流速，Hm为第m条垂线的水深。V测为测试点表面流速，H测为测试点的水深

2.2.2 断面平均表面流速

断面平均表面流速公式如下：

(2)

2.2.3 断面平均流速

断面平均流速公式如下：

V均=K×V面

(3)

式中：K为表面流速系数，釆用经验公式计算：

(4)

式中：c为谢才系数，釆用曼宁公式计算：

(5)

式中：n为河段糙率，R为水力半径。

注：考虑断面滞水回流等特殊水力现象的影响，引入综合修正系数η(0<η<1)，对断面平均流速进行修正，故最终计算公式为：

V均=η×K×V面

(6)

2.2.4 断面流量计算

根据RG-30型雷达波流速仪测出的各代表垂线的区域水面流速，以及由雷达水位计测得实时水位推算出的各代表垂线间的面积，可以推求所需断面流量，其计算公式为：

Q=K∑Amv均

(7)

式中：m为测速垂线数；K为常数；Am为测速垂线间的面积，根据水位数据推算而得；v均为测速垂线间的平均流速。

3 应用实例分析

系统设备安装在乌鲁木齐河上游后峡水文站测流段，垂线位置需要根据测流段的地形、水流特征、流速分布、精度要求和设施条件确定。为了确定所选垂线的流速具有良好的代表性，选取了不同流速下的实测流量数据，统计分析了所选垂线的平均流速与断面平均流速的关系如图1所示。

图1 垂线平均流速与断面平均流速关系图(单位：m/s)

从图1中可以看到曲线拟合结果非常好，R2为0.986，结果表明，选取的平均垂线速度与各级断面平均速度之间关系稳定，具有较好的代表性。

3.1 比测数据成果

采用研究期间获得的40组水位数据和实测流量数据作为分析样本。包括最高水位、最低水位、最大流量、最小流量、最大测点流速、最小测点流速、最高气温、最低气温、最大日降水量、最大风力等指标，涵盖了台站的各种测试环境，数据具有较好的代表性。

3.2 水位测验误差分析

对雷达水位计与人工水尺同步观测的40组数据进行误差分析，具体如表1所示。本次研究置信水平为 95%，由表1可以看出，雷达水位计水位观测精度均符合国家《水位观测标准》(GB/T 50138—2010)的规定。

表1 水位比测数据误差分析统计

3.3 成果分析

采用2019年度RG-30型雷达波流速仪设置的监测系统与铅鱼测流缆道在不同水位、不同时段、不同气象条件下同步测得的 40组流量成果作为分析资料，建立铅鱼测流结果和雷达测流结果的相关关系。如图2所示。

从图2中可以看到曲线拟合结果非常好，R2为0.993，表明两者关系非常良好。将 2019年不同流量级别、水流相对稳定条件下的40组实测流量资料作为样本，对图中拟合的曲线公式进行检验。结果得到如表2所示。均满足《河流流量测验规范)(GB 50179-2015)要求。

图2 雷达实测流量与铅鱼实测流量关系图(单位：m3/s)

表2 流量比测数据误差分析统计 %

4 结语

本文对RG-30雷达波流速仪在乌鲁木齐河上游后峡水文站流量测试中的适用性进行了分析和研究。通过对雷达波流速仪测量数据与传统铅鱼测量数据的对比，并通过相关性分析，得出根据RG-30雷达波流速仪构建的新型测量系统具有较强的快速测量、数据处理和远程传输功能，一定程度上能够满足水文预报方法自动化和信息化的要求，满足社会经济发展对水文信息快速获取的需求。通过传统测量方式与新型雷达波测速仪比测，结果满足相关规范要求，可用于乌鲁木齐河上游后峡水文站水位流量的测量和报告，并可在相似自然条件的水文站场推广应用，同时为相关城市的暴雨防洪、水资源管理和河流水文监测提供了一定的技术支持。