罗敷河罗敷堡水文站雷达流量计系数分析

马 博

（陕西省水旱灾害防御中心,陕西 西安 710004）

1 概况

1.1 流域概况

罗敷河发源于秦岭山北麓港子山沟,流域呈羽毛状,河长47.2 km,流域面积190 km2,平均坡降23.6‰。罗敷河流域属于关中少水区,流域内山峰陡峭,悬崖陡壁,山高沟深为其地貌显著特征。罗敷镇以北至河口,为渭河冲积平原,流域内天然林木较多,灌木丛生,植被良好,流域内地下水蕴藏较丰富,主要由裂缝水形成补给河流。

1.2 测站基本情况

渭河南岸小面积区域代表站,国家基本水文站。1955年6月由陕西省水利局设立为罗敷堡水文站,1968年断面下迁1.0 km,站名变为罗敷堡（二）,1999年1月1日断面下迁1.0 km改站名为罗敷堡（三）。地址位于陕西省华阴市敷水镇明星村,集水面积122 km2,距河口里程16.0 km。

测验河段较顺直,基下50 m有一处滚水坝。基本断面兼测流断面和浮标中断面,断面间距100 m。水位流量关系为绳套曲线。上游3000 m处有罗敷河水电站,受其蓄、排水影响,枯季水位呈锯齿形变化。

1.3 水文特性

洪水主要由暴雨形成,7月、8月两个月为洪水多发期,近年来由于气候异常,5月、10月洪水频繁发生。洪峰陡涨陡落,峰型尖瘦。洪水时伴有滚石,河床冲淤变化大,水位流量关系散乱。

根据1965年～2014年水文资料统计,实测最大流量340 m3/s（1998.7.13）,次大流量252 m3/s（2010.7.24）,第三大流量194 m3/s（1965.7.21）,实测最小流量0.008 m3/s,多年平均流量1.05 m3/s；多年平均径流量0.3336亿m3、最大径流量0.7560亿m3、最小径流量0.1011亿m3,降水量637.2 mm,年最大降水量984.4 mm,年最小降水量335.3 mm。

1.4 雷达流量计测量的目的和任务

罗敷河是典型的山溪性河流,洪水暴涨暴落,在洪水涨落急剧时,伴有大量滚石,流速仪难以施测。采用浮标法施测流量,浮标成活率低,而且精度低。采用雷达流量计施测水面流速,可以弥补浮标法测流成活率低的缺陷,雷达流量计具有测验精度高,劳动强度低的特点。采用该系统将显著地提高罗敷堡站的测报能力,为实现无人值守、有人看护的测验方式转变积累经验。2016年罗敷堡（三）站开始进行雷达流量计系数率定工作,即采用铅鱼缆道流速仪测流或人工涉水测流同时,用雷达流量计也施测流量。

2 雷达流量计的测量原理

雷达流量计测量原理采用多普勒效应。通过测量频差,计算得到水流的速度。雷达流量计测量水面流速,具有操作方便、安全、快速等优点。

3 比测资料收集

3.1 资料选用

罗敷堡（三）站2016年4月上旬开始雷达流量计系数率定分析工作,截至目前共取得31次比测资料。比测最大流量64.3 m3/s,相应水位389.16 m；最小流量0.451 m3/s,相应水位387.60 m；水位变幅1.56 m；实测最大水深1.66 m；雷达流量计实测最大流速4.74 m3/s,最小流速0.24 m3/s。

3.2 资料一致性分析

罗敷堡（三）站31 次比测资料为流速仪与雷达流量计在缆道上同期比测资料。由于雷达流量计固定在缆道行车架上,测量过程中存在晃动现象,测量结果存在一定的误差。

3.3 资料合理性检查

雷达流量计布设的测深、测速垂线与吊仪测流布设的垂线一致,计算方法符合规范要求。通过对雷达流量计、吊仪实测的流量过程与水位变化过程对比分析,变化过程基本一致,所以比测的资料是合理的。

3.4 比测资料系列

本年共做比测分析31次,以31次比测资料为分析计算系列,满足水文分析计算要求。

4 雷达流量计系数分析计算

4.1 均值法

根据31次比测资料的流速仪实测流量与雷达流量计实测的流量,按下式计算：

式中：K为雷达流量计系数；Q流为流速仪实测流量,m3/s；Q雷为雷达流量计实测流量,m3/s。

分别计算雷达流量计各次的系数,取均值,计算得雷达流量计系数为0.75。罗敷堡（三）站雷达流量计系数计算表见表1。

表1 罗敷堡（三）站雷达流量计系数计算表

4.2 相关曲线法

根据罗敷堡（三）站31次比测资料建立相关关系,点绘流速仪实测流量与雷达流量计实测流量相关关系图,计算得相关系数为0.75,相关图见图1。

图1 罗敷堡（三）站流速仪实测流量与雷达流量计实测流量相关图

4.3 回归方程法

采用回归方程法计算雷达流量计系数,依据比测资料,计算y=0.75 x,相关系数0.75,相关关系为0.99。其相关点据比较密集,分布成一带状。

4.4 雷达流量计系数的确定

分别采用均值法、相关曲线法和回归方程法进行分析计算,得均值法系数为0.75；相关曲线法系数为0.75；回归方程法系数为0.75,罗敷堡站雷达流量计系数确定为0.75。

4.4 相关系数检验评定

（1）相关曲线的三项检验

偏离数值显著性水平α选用0.20,适线检验显著性水平α选用0.10, 符号检验显著性水平α选用0.25。经计算结果满足规范要求。

（2）雷达流量计系数质量评定

通过比测资料分析计算,罗敷堡（三）站系数确定为0.75,计算最大误差3.52%,最小误差0%,罗敷堡站属流量二类站,相对误差按5%控制,其合格率为100%,检验结果满足规范要求,该仪器可作为该站的常规流量测验仪器。

5 结语

5.1 存在问题

（1）比测率定采用缆道流速仪与雷达流量计同步测流的方法,因受漂浮物、波浪、滚石等因数影响,比测结果存在一定误差。

（2）罗敷堡（三）站断面为窄深河床,洪水涨落急剧,特别是涨水历时较短,常测法测流存在较大困难,造成了比测结果的局限性。

（3）本年比测大部分集中在中低水区域,根据情况增加比测次数,提高准确度。

5.2 雷达流量计的应用

根据分析可以确定罗敷堡（三）站流量在0.451 m3/s～64.3 m3/s、水位在387.60 m～389.16 m时可以采用雷达流量计实测流量,精度完全能满足规范要求,大大降低了罗敷堡站测流的劳动强度,为实现有人看管、无人值守的测验方案提供了基础资料。

5.3 结论

（1）比测率定：根据水流条件用精测法和常测法与雷达流量计同步比测,比测率定采用缆道流速仪法与缆道雷达流量计同步测流。

（2）比测率定资料系列：通过2016年4月～10月,共收集比测资料31次,常测法资料27次,精测法1次,中泓浮标法3次。最大流量64.3 m3/s,最小流量0.451 m3/s。

（3）分析计算方法：采用均值法、相关曲线法及回归方程法等得出的系数一致,采用系数0.75。

（4）雷达流量计的使用：根据不同分析计算方法,可以确定罗敷堡（三）站流量在0.451 m3/s～64.3 m3/s、水位在387.60 m～389.16 m时可以采用雷达流量计实测流量。