切德克水文站RG30型雷达波流速仪水面系数比测分析

宋 健

（伊犁水文勘测局,新疆 伊宁 835000）

1 前言

切德克水文站是发源于新疆伊犁地区天山山脉科古尔琴山的切德克河流域上的控制性水文站,汛期在高压低槽影响下降水突发、集中,洪水历时短,水位陡涨陡落,具有明显的山溪性河流特征,其水位流量关系呈多线型。切德克水文站于2020年建成全自动RG30 型雷达波流速仪测验系统,该系统对于流速大、漂木多、陡涨陡落的山溪性流域而言具有自动化、智能化、测流历时短精度高、非接触等优势。为促进该测流系统早日投运以及不同测流系统之间的有效衔接,必须进行RG30型雷达波流速仪水面系数比测分析［1］。

2 RG30型雷达波流速仪概况

2.1 仪器参数

RG30型非接触式雷达波流速仪在测流过程中,必须与自动行车、简易缆道、测流控制器、水位计、供电系统、GPRS模块等配套使用。非接触式雷达波流速仪测流系统适用于0.2 m/s~18 m/s的流速范围,测量精确度可达到±0.05 m/s,流速测量历时仅为0~99.9 s,分辨率可达到0.1 s,测速所对应波速的宽度范围为±12°,Ka微波波段发射功率50 mW,有效测程可以达到0~100 m,在60 m/s以下的自动运行速度下,若突发故障,测流仪器便会自动返回停泊点。RG30 型非接触式雷达波流速仪在一次测流过程中可同时输出移动平均、最小值平均、中值平均等多种数据,并可在雷雨等恶劣天气条件下全天候测流。

2.2 在线测流

测流开始前,按照测流方案,将RG30 型非接触式雷达波流速仪悬挂在简易缆道处,并使其沿缆道行走至逐条垂线处停留,以测量垂线处水体表面的实际流速,完成后自动返回设计停泊处。按照测流方案在测流控制器上预先设置包括断面数据、水面流速系数、测流垂线、岸坡系数、测流历时等在内的测站基本参数,并主要采取以下2 种测流启动及流量计算方式：一是依据电脑预先设定的段次和时间间隔定时测流,施测频次为1次/d~48 次/d；二是通过电脑、手机端软件等远程服务器启动施测；三是现场进行测流控制器操作以启动施测。待RG30 型非接触式雷达波流速仪接收到施测命令或达到预设测流时间时,便由控制器发出测流命令,流速探头采用相同方式进行每条测速垂线处水位及流速施测。基于预先设定的断面数据,由流量测验软件平台进行断面面积、流量等的计算,并生成测流成果表。

3 RG30型雷达波流速仪水面系数比测

3.1 比测方法

切德克水文站在测流系统升级前主要使用的是LS25-1型转子式流速仪,根据《水文资料整编规范》及《河道流量测验规范》等相关规定,进行LS25-1型转子式流速仪和RG30型雷达波流速仪比测。考虑到流量施测期间内转子式流速仪在大多数时间并未和RG30型雷达波流速仪同时进行流速测量,故在转子式流速仪和RG30型雷达波流速仪水位流量关系曲线均满足规范定线误差的基础上,分别进行各自水位流量关系曲线的拟合,并进行同水位相关节点［2］的确定。

3.2 比测资料选用

以2020年切德克水文站转子式流速仪和RG30 型雷达波流速仪实测资料为比测资料,其中转子式流速仪实测数据21份,实测最高水位和最低水位分别为899.21 m和898.30 m；RG30 型雷达波流速仪实测资料40 份,实测最高水位和最低水位分别为899.59 m和898.62 m。故将比测水位区间确定为898.3 m~899.6 m。

3.3 比测过程及结果分析

3.3.1转子流速仪三线检验

LS25-1型转子式流速仪所得到的切德克水文站水位流量关系数据见表1,将表中转子式流速仪施测流量结果拟合为单一水位-流量关系曲线,同时进行符号检验、系统误差、偏离值等三线检验,结果见表2。

表1 LS25-1型转子式流速仪水位流量关系 单位：m3/s

表2 转子流速仪三线检验成果

根据《水文资料整编规范》相关规定,符号检验过程中的显著水平 取0.25,u（1- /2）=1.9105；适线检验过程中的显著水平 取0.10,u（1- /2）=2.0742；偏离数值检验所对应的显著水平 取0.20,t（1- /2）=1.9651。根据计算结果,符号检验、适线检验及偏离值检验结果均比规范所规定的临界值小,所以切德克水文站水位流量定线结果合理。

3.3.2RG30型雷达波流速仪三线检验

切德克水文站RG30型雷达波流速仪水位-流量关系取值见表3,将表中RG30型雷达波流速仪施测流量结果拟合为单一水位-流量关系曲线,并进行符号检验、系统误差、偏离值等三线检验,结果见表4。

表3 RG30型雷达波流速仪水位流量关系 单位：m3/s

表4 RG30型雷达波流速仪三线检验成果

根据《水文资料整编规范》相关规定,符号检验显著水平 取0.25,u（1- /2）=1.5218；适线检验显著水平 取0.10,u（1- /2）=-2.1297；偏离数值检验显著水平 取0.20,t（1-/2）=0.7502。根据计算结果,符号检验、适线检验及偏离值检验结果均比规范所规定临界值小,所以切德克水文站水位流量定线结果合理［3］。

3.3.3RG30型雷达波流速仪水面系数

切德克水文站RG30型雷达波流速仪所拟合得过程线节点与转子式流速仪所拟合得单一线节点之比,即为切德克水文站各节点水面系数,具体结果见表5,再计算出系数均值0.95,便为RG30型雷达波流速仪水面系数。

表5 RG30型雷达波流速仪水面系数

3.4 水面系数比测误差

按照流速仪进行流量施测时的水位所对应的流量与比测得RG30型雷达波流速仪水面系数相乘,并与转子式流速仪进行误差对比分析,并应用系统误差和随机不确定度等参数进行误差评价,具体过程如下：

随机不确定度为：X＇Q=2Se。

式中：Qi为RG30型雷达波流速仪流量与对应的水面系数之积,m3/s；Qci为转子式流速仪实测流量,m3/s。误差统计结果见表6。

表6 水面系数比测误差统计

由表6统计结果可知,系统误差为49.14/21=2.34%,标准差为3.68%,随机不确定度为7.36%。参照相关规范,三类精度站流量测验误差随机不确定度允许值应不超出±8%,系统误差应不超出±3%。故本次分析结果符合相关规范要求。

4 结论

综上所述,切德克水文站RG30型雷达波流速仪水面系数为0.95,且其与转子式流速仪的测流误差完全符合相关规范要求,故该测站新建测流系统能实现早日投运以及与转子式测流系统之间的有效衔接。RG30型雷达波流速仪测流技术先进,运行稳定,可进行测流数据连续采集,且数据质量稳定可靠,测流过程不受天气条件的影响,也不会发生数据丢失、传输中断等故障。