大藤峡水文站五探头固定式雷达测流系统比测分析_李永华.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）1测站及断面概况1.1流域概况黔江河段，起于广西壮族自治区象州县石龙镇三江口与柳江汇合处，至桂平市郁江河口结束，上游为红水河段，下游为浔江河段，共长122 km，河道平均坡降为0.0 625，区间集水面积（不包括柳江）为2561 km2，有流域面积大于100 km2以上的一级支流6条（不包括柳江）。黔江段流经武宣县、桂平市2个县（市），该河段河道狭窄弯曲，有滩险29处。其中从勒马至弩滩是有名的大藤峡峡谷，长44 km，有滩险10处，水流汹涌，航行十分艰险，峡内深潭最深处达85 m，目前河段内已建设大藤峡水利枢纽工程。所处流域属南亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛，多年平均年降水量1 714.5 mm，年际变化不均匀。多年平均径流量为1 349.1亿m3，其中510月的径流量占年径流量的80%，58月的径流量占年径流量的64.5%，67月的径流量占年径流量的37.3%。年径流量的变差系数为0.21，实测最大年径流量为1910亿m3（1968年），是最小年径流量689亿m3（1963年）的2.8倍。1.2测站概况大藤峡水文站设立于1955年8月，位于广西桂平市南木镇弩村，集水面积198 595 km2，是珠江流域西江水系黔江河段的控制站。受大藤峡水利枢纽淹没影响，2020年，大藤峡水文站进行了重建，其中大藤峡（坝上）站在原址进行了重建，其观测项目为水位、雨量。因电站蓄水影响，其水位明显抬高，另在大藤峡坝下建立了大藤峡（坝下）水文站，于2021年3月建成正式投入使用，目前观测项目有降水、水位、流量、气温、蒸发、风向、风速等。大藤峡水文站洪水来源主要是由黔江上游的红水河、柳江、洛清江及区间暴雨洪水，较大洪水往往是由以上河流同时发生洪水所致，如洪峰遭遇区间暴雨，洪峰量级明显加大，如1998年和2005年洪水。大洪水持续时间较长，一般可达1个月，较高洪峰水位也维持在1个星期左右，峰平时间为37 h，峰形一般为驼峰。1.3测验断面情况大藤峡水文站测验河段顺直，基上6400 m出现转弯，基上2000 m为大藤峡水利枢纽交通桥（五探头安装处），基上3000 m为电站大坝，基下2500 m为黔江大桥，基下3000 m为桂平水文站，基下6500m与郁江汇合后流入浔江，河面宽在300500 m之间，断面呈“U”型，测验断面垂直水流方向。中高水以上断面流速分布均匀，所处河道常年基本稳定，断面面积变化率很小，断面稳定、控制良好（见图1）。1.4水文特征自建站以来，大藤峡水文站实测最高水位45.30 m（85基准），发生于1994年6月。本次率定分析的是大藤峡（坝下）站，该站由于2021年3月才建成投入使用，收集的资料系列相对比较短，其实测大藤峡水文站五探头固定式雷达测流系统比测分析李永华（贵港水文中心桂平水文中心站，广西桂平537200）摘要为了更好解决黔江桂平段河道断面流态复杂、流速变化大、流量测验难等问题，大藤峡水文站于2021年3月安装了五探头固定式雷达测流系统。通过2021年37月与走航式ADCP进行比测率定分析，验证五探头固定式雷达测流系统在大藤峡站的可行性，为进一步提升水文站水文测报自动化水平，提高测报一体化服务能力提供保障。关键词五探头固定雷达；流量比测；率定分析；大藤峡水文站中图分类号P332；P335文献标识码A文章编号1003-1510（2023）01-0030-03收稿日期2022-12-12作者简介李永华（1978-），男，广西陆川县人，贵港水文中心桂平水文中心站工程师，学士，主要从事水文测报工作。新技术研究与应用 30DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.01.008广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）最高水位 34.75 m（2021 年 7 月 4 日），最低水位23.38 m（2021年8月12日）。2设备引进及安装调试情况2.1任务由来因大藤峡水利枢纽的建设，黔江桂平城区河道的流态发生了改变，加之大藤峡水文站没有大的测量船进行流量测验，为了更好解决河道断面流态复杂、流速变化大、流量测验难等问题，同时为进一步提升水文站水文测报自动化水平，提高测报一体化服务能力，大藤峡站于2021年3月安装了5探头固定式雷达测流系统，并实施试运行和开展同步流量比测率定工作。2.2固定式雷达测流系统简介雷达波在线测流系统是以雷达流速仪为传感器，根据断面测速垂线布设要求，在断面安装一个或多个雷达波流速仪，在控制单元的控制下，自动完成各条垂线流速测量、断面流量计算、数据分析、报表输出等功能的全自动流量在线监测系统。2.3系统构成2.3.1雷达波流速仪（1）雷达波流速仪。采用多普勒雷达传感器，可对河流、泥浆、污水等表面流速进行测量，测量精度高、体积小、重量轻、功耗低，不受污水腐蚀、不受泥沙影响、保障人员安全等优点。（2）水位计。本系统还可对接浮子式数位计、气泡式水位计、雷达水位计，为流量计算提供水位数据。（3）控制单元。包括系统控制器、GPRS（4G）通信模块、流量计算单元等。其主要功能是与平台软件的通信、控制雷达波流速仪工作、采集水位数据、进行流量计算，并完成流量数据的存储和发送。（4）供电单元。包括太阳能电池板、太阳能控制器（开关电源）、蓄电池等，为系统工作提供电源。（5）平台软件。包括用户权限管理模块、站点管理模块、测流计算模块、数据报表模块等。主要功能为站点管理、测流数据处理及相关统计分析。2.4系统功能（1）定时施测。用户根据测流需要，设定测流时间，系统按照设定的时间自动完成测流工作（目前按每5 min施测1次）。（2）水位变幅施测。用户设定需要测流的水位变幅（涨、退），当水位变幅达到设定值后，系统自动进行测流。2.5设备安装调试大藤峡五探头测流系统安装在基上2000 m（大藤峡水利枢纽大坝下游1000 m）大藤峡交通桥上，分别在起点距152.6、222.6、252.6、314.1、385.8 m处安装了5台雷达流速仪，其河底高程分别为17.12、17.62、17.72、17.82、19.42 m，雷达波探头面向上游，水位由雷达水位计采集。3比测率定情况（1）大藤峡固定式五探头雷达法，是利用多普勒效应，以雷达测速探头测验5条垂线的水面流速，然后计算出雷达断面平均虚流量，获得的雷达断面平均虚流量Qi与ADCP测得的量建立相关关系，通过试运行与率定分析，论证自动监测系统的稳定性、准确性和可行性，从而解决本站中高水非接触流量测验问题。（2）率定方法。利用五探头固定式雷达自动监测系统测量雷达各条垂线的流速，然后计算出断面平均虚流量Qi，数据采集频次为5 min/次；由于五探头测流断面距离电站大坝只有1000 m，流速较大，考虑人员安全，故采用走航式ADCP法在五探头固定式雷达测验断面下游6000 m的桂平水文站断面同步施测断面平均流量Qm（雷达测流断面至桂平水文站断面之间没有支流汇入，集水面积只增加0.03%，两断面的流量基本一致），经过多次同步测验后，形成一系列相关关系点据，点据达到一定数量时，即时开展QiQm流速关系率定分析工作。（3）率定资料收集情况。2021年38月期间，共收集27份中高低水位级率定成果，率定水位范围23.8034.55 m，雷达虚流量范围269022 300 m3/s；实测水位范围23.6435.30 m，率定水位变幅占测站历年实测水位变幅的92.3%。4率定分析图1大藤峡水文站测验大断面图31李永华:大藤峡水文站五探头固定式雷达测流系统比测分析4.1率定成果根据走航式ADCP施测的流量与雷达虚流量数据点绘雷达虚流量Qi实测断面流量Qm相关关系图（见图2）。从图2可以看出关系点据呈明显带状分布，规律性好，无异常突出点，相关系数为0.997，表明两者之间相关关系非常密切。率定成果方程为Qm=0.9 262Qi-1 164.7。图2大藤峡站QiQm相关关系图（25 m以上）4.2精度评定及误差分析根据率定成果推算相应线上流量，经误差检验和三项检验，计算得标准差 9.8%，随机不确定度19.6%，系统误差-0.8%，满足 中小河流水文监测系统测验指导意见 专用站关系曲线误差不超10%，随机不确定度不超20%的要求。精度检验结果见表1。由表1可知，检验指标均满足规范精度要求。表1大藤峡站雷达ADCP流量关系曲线检验结果表样本容量：N=27符号检验：u=0.00适线检验：U=-0.59偏离数值检验：|t|=0.43标准差：9.8%正号个数：13允许：1.15（显著性水平a=0.25）免检允许：1.70（显著性水平a=0.10）随机不确定度：19.6%符号交换次数：14合格合格系统误差：-0.8%4.3整编成果对比分析采用抽样检验法进行分析。选取2021年6月28日7月24日的洪水过程，分别采用雷达自动监测系统、走航式ADCP的实测推流成果进行资料整编，并将两种整编方法的逐日平均流量成果及洪水总径流量成果、月平均流量成果进行对比分析。计算结果见图3和表2。经计算对比分析，本次洪水过程中，雷达率定成果推流方法与传统整编方法的逐日平均流量偏差在 0.2%17.2%，洪总量则偏大0.6%，小于允许误差5%。雷达率定成果推流方法与桂平站传统整编方法的月平均流量偏差在0.7%7.4%。可见，采用固定式雷达法取代传统方法实施大藤峡站流量测验与整编的方案是可行的。图32021年6月洪水逐日平均流量对照图表22021年37月月平均流量对比表月份3月4月5月6月7月37月平均雷达月平均流量/（m3/s）214027606990501072004820桂平站整编月平均流量/（m3/s）224029806940538071504940误差/%-4.5-7.40.7-6.90.7-2.4备 注由于7月25日至7月31日雷达故障，只对比至7月24日5结语根据以上分析成果，大藤峡站采用五探头固定式雷达自动监测系统进行流量在线监测，并在相应水位、流速、流量适用范围内应用是可行的。与传统流速仪测流方法相比，具有以下优点：自动化，省时省力，操作简单，易于管理和优化升级，解放劳动力，可在线监测河流断面实时的流速、流量变化过程；连续性，每5 min可得一组流速数据，保证水文资料的完整性；实现监测成果与工况信息多要素实时自动测报与调控；安全性，非接触式雷达测流系统测速时设备不受污水腐蚀，不受泥沙影响，安装简单，便于维护，保障人员安全。五探头固定式雷达自动监测系统在使用期间，应加强设备使用与运维管理及已率定的当前流量关系校测分析工作，继续做好当前流量关系适用范围之外的比测率定与分析工作，当设备故障无法短期解决时，立即改用传统监测方法，直到自动监测系统恢复为止。（责任编辑：刘征湛）（英文摘要下转第 36 页）32唐万俊:黄洞水文站固定式雷达测流系统比测分析统进行流量在线监测是可行的。（2）固定式雷达测流系统对低水部分不适用，尤其是在流速小于0.5 m/s时（相当于雷达监测系统启动流速），测流精度明显下降。为解决中低水自动监测问题，拟根据部门预算经费条件，逐步开展如座底式ADCP、二线能坡法、时差法等测流新技术的测试与研究工作。（3）本次率定分析主要在125.71133.59 m水位范围内进行，关系点据并不多，尤其是高水部分点据较少。下一步将根据水情情况，继续加强流速关系空白区，尤其是水位130.00 m以上点据的收集与率定分析工作。（责任编辑：刘征湛）Comparative measurement analysis of fixed radar flow measuringsystem for Huangdong Hydrological StationTANG Wan-jun(Hezhou Hydrological Central Station,Hezhou 542800,China)Abstract:The flow me