黄洞水文站固定式雷达测流系统比测分析_唐万俊.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）1概况1.1流域概况大宁河属珠江流域西江水系贺江一级支流，发源于贺州市八步区开山镇与湖南省江华瑶族自治县大圩、新圩交界的萌渚岭，向东南流经开山、桂岭、大宁、黄洞、贺街等乡镇，于贺街镇大鸭村浮山寺处汇入贺江。大宁河流域总面积2407 km2，河流全长110 km，其中八步区境内长度101.7 km。1.2测站概况1.2.1测验河段概况黄洞水文站建于2013年5月，站址位于大宁河八步区黄洞乡黄洞村马鞍洲河段左岸，是大宁河主要控制站，为国家基本水文站，流量测验为二类精度站，主要测验项目有：水位、流量、降水。该站集水面积 1679 km2，测验河段河道顺直，长度约 500m。河床由岩石夹砂组成，两岸为浆砌石护坡，冲淤较小，河道内无水生植物生长，无跌水、雍水现象，多年来测流断面稳定无迁移，断面面积变化率很小，均在3.2%以内，固定式雷达测流系统断面与基本水尺断面位置相隔5 m，两个断面基本相同。测站基本水尺断面演变情况见图1。本断面上游520m处为马鞍洲电站，下游10 km处为黄洞电站。从20172021年流量测验结果来看，黄洞水文站水位流量均为单一线，关系较为稳定，为固定式雷达测流系统水面系数分析创造了良好条件。图1黄洞水文站基本水尺断面兼测流断面演变情况1.2.2水文特征自建站以来，黄洞水文站实测最高水位134.21m（85基准，下同），最低水位124.88 m；实测最大流量1670 m3/s，最小流量1.14 m3/s；实测最大断面平均流速为3.84 m/s，最小断面平均流速为0.10 m/s。2固定式雷达测流系统基本情况及其原理2.1仪器基本情况黄洞水文站固定式雷达测流系统由测速仪主机、RTU、传感器、减压阀、电缆、安装支架等组成，主机型号为RD-200，波段范围（K波段，24 GHz），测速范围0.0320 m/s，测速精度0.010 m/s。该测流系统于2017年安装完成，仪器固定安装在水位台楼顶，高程140.154 m（为超过100 a一遇洪水位），雷达波探头面向上游，位于雷达测流断面起点距24.9 m黄洞水文站固定式雷达测流系统比测分析唐万俊（贺州水文中心站，广西贺州542800）摘要通过对黄洞水文站固定式雷达测流系统与走航式ADCP等流量测验结果进行对比，分析率定黄洞水文站固定式雷达测流系统水面流速系数。比测结果表明，固定式雷达测流系统在高水和中水水位对黄洞水文站流量实现在线监测是可行的，对低水部分不适用，尤其是在流速小于0.5m/s时（相当于雷达监测系统启动流速），测流精度明显下降。关键词固定式雷达系统；流速系数；比测分析；黄洞水文站中图分类号P332；P335文献标识码A文章编号1003-1510（2023）01-0033-04收稿日期2022-12-12作者简介唐万俊（1993-），男，广西富川人，贺州水文中心贺州水文中心站助理工程师，学士，主要从事水文分析预报工作。新技术研究与应用 33DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.01.002唐万俊:黄洞水文站固定式雷达测流系统比测分析处（当水位低于126 m时流速测量误差较大），安装水平角度0，竖直角度（俯角）54.87。2.2仪器基本原理固定式雷达测流系统测速（单探头）的原理是利用多普勒效应，根据接收到的反射波频移量计算得出被测物体的运动速度。仪器安装在明渠河流正上方，对河流流速进行非接触式实时测量，当仪器与水体以相对速度发生运动时，雷达流速仪所收到的电磁波频率与雷达自身所发出的电磁波频率有所不同，此频率差称为多普勒频移。通过解析频移与相对速度的关系，从而得到水体表面流速。3固定式雷达流速仪比测分析3.1比测方法在洪水期，利用固定式雷达自动监测系统采集断面虚流速Vi，并计算断面虚流量Qi，采用走航式ADCP及电波测速仪等方法同步测定断面平均流速V和流量Q。经过多次同步测验后，形成一系列相关关系点据，当点据达到一定数量时，及时开展流速和流量关系比测分析工作。3.2资料系列选用黄洞水文站20172022年实测流量资料共43份，舍弃明显有问题的、水位低于126.00 m的资料9份，共采用流量资料34份，成果见表1。在比测过程中，实测最高水位133.59 m，实测最低水位125.71 m，实测流量相应水位变幅7.88 m，占历年水位变幅 9.32 m 的 84.5%，固定式雷达虚流速范围0.342.50 m/s。表1黄洞水文站20172022年实测点流量统计表序号12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334施测时间2017-05-04 14：082017-05-15 16：262017-07-03 09：562017-07-03 13：382017-07-03 14：302017-08-30 11：342018-01-08 08：382018-05-28 15：002018-09-17 10：432019-03-13 12：162019-04-28 13：192019-06-12 14：502019-06-13 09：282019-06-13 13：092019-06-13 15：362019-06-13 16：312019-06-14 14：322019-06-23 14：192019-06-23 15：482019-08-26 13：392019-10-25 14：062019-12-11 11：162020-04-03 13：182020-07-27 10：122021-03-24 09：462021-05-18 11：162021-05-20 13：482021-05-21 10：372022-04-14 10：142022-05-10 11：162022-06-06 11：152022-06-08 10：122022-06-21 10：172022-06-22 09：12断面位置（基上）/m200200200200300020020020020020020030002002002003000300030003000200200200200200200300030002002002003000300030003000水位/m126.52127.07127.82129.26128.70125.94128.69126.72126.58127.13128.40127.28133.59131.79130.94130.56128.79129.54130.23127.02125.77125.71128.06125.71125.81128.09129.33127.56126.52126.39129.70129.49130.40131.97流量Q/（m3/s）93.4146.0268.0516.0380.047.0393.0115.0113.0164.0346.0159.01 670.01 130.0922.0918.0393.0596.0731.0151.038.638.9297.034.037.0328.0533.0193.087.692.7579.0524.0796.01 160.0断面面积/m2139181206261284124222140138151228307435319284369312305306154123126203106126292299158128140324324422310平均流速/（m/s）0.670.811.301.981.340.381.770.820.821.091.520.523.633.343.082.491.261.922.390.980.310.311.460.320.291.121.781.220.640.661.791.621.892.78雷达虚流速Vi/（m/s）0.570.681.281.721.580.401.600.620.580.681.460.702.502.252.101.971.561.841.960.670.360.341.340.340.371.361.791.170.550.541.871.802.022.29雷达面积/m280.9106.0143.0221.0190.056.7189.089.783.5109.0173.0116.0492.0376.0322.0299.0195.0237.0278.0103.049.8.047.5155.047.551.4157.0225.0129.080.975.3247.0234.0289.0387.0雷达虚流量Qi/（m3/s）46.172.1183.0380.0300.022.7302.056.048.074.1253.081.21 230.0846.0676.0589.0304.0436.054569.017.916.2208.016.219.0214.0403.0151.044.540.7462.0421.0584.0886.034广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）3.3比测结果分析对黄洞水文站20172022年实测流量资料进行水位流量关系率定，分析推算固定式雷达系统水面流速系数。3.3.1水位流量关系率定利用计算机将黄洞水文站20172022年共34份流量资料点绘水位流量关系曲线图（见图2），并进行三项检验，标准差为 6.4%，随机不确定度为12.8%，系统误差为0.0%，基本符合规范要求。图2黄洞水文站20172022年实测点水位流量关系曲线图用固定式雷达系统测出的虚流速Vi代替断面平均流速计算出虚流量Qi，点绘固定式式雷达测流系统水位流量关系曲线图（见图3），并进行三项检验，标准差为4.9%，随机不确定度为9.8%，系统误差为0.0%，符合规范要求。图3黄洞水文站固定式雷达测流系统水位流量关系曲线图3.3.2固定式雷达系统水面系数分析通过固定式雷达测流系统虚流量拟合关系曲线线上流量与实测点水位流量关系曲线线上流量进行比较，计算出固定式雷达系统水面流速系数1.312.20（见表2），根据水面系数在各水位级的分布情况，率定水面系数。黄洞水文站高水（127.50 m以上）的水面系数取1.35，中水（125.70127.50 m）的水面系数取2.13。表2水面系数分析序号123456789101112131415161718192021222324252627282930313233水位125.71125.71125.77125.81125.94126.39126.52126.52126.58126.72127.02127.07127.13127.28127.56127.82128.06128.09128.40128.69128.70128.79129.26129.33129.49129.54129.70130.23130.40130.56130.94131.79131.97线上虚流量/（m3/s）16.5016.5018.0019.1022.8039.7045.3045.3047.9054.3070.9074.7079.4094.40129.00165.00200.00205.00252.00298.00300.00314.00390.00401.00426.00434.00461.00552.00583.00612.00685.00846.00880.00实测点线上流量/m3/s）35.1035.1038.8041.3050.1085.7096.9096.90102.00115.00143.00149.00155.00172.00207.00247.00287.00292.00346.00397.00399.00416.00509.00524.00559.00570.00608.00740.00784.00826.00927.001 180