郭 艺，胡莉君，蒋四维

（长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局,湖北 襄阳 441022）

1 基本情况

向家坪水文站位于陕西省旬阳县白柳镇,距河口12 km是汉江支流旬河基本控制站,属国家二类精度站,集水面积6448 km2。建于1955年7 月。主要观测项目有水位、流量、降水量、含沙量等,该站洪水主要受上游暴雨影响,洪水主要集中在5 月～10 月。受上游干、支流水利工程影响,含沙量大为减少,洪水呈典型的山区河流特征,水位暴涨暴落,变幅大,中、高水时水位-流量关系历年趋势基本一致,呈临时曲线或绳套；测验河段顺直长约2 km,河槽呈U 型,右岸临山,左岸为土坡,河床系砾石、卵石组成,有冲淤变化。

雷达流量计测验断面位于距向家坪水文站下游约2.9 km 白柳大桥上,布置含5 个探头的雷达水位计的雷达波测流系统,2019年11 月至2020年5 月由于电瓶供电不足,数据未能正常采集,疫情过后接市电供电,于2020年05 月11 日开始正常采集数据。比测主要采用ADCP 走航式在桥下游施测,与采集的雷达流量计成果进行分析,率定相关关系,同时建立雷达流量计与向家坪站本站流量的相关关系。雷达流量计现场见图1。

图1 雷达流量计现场图

图2 雷达测速示意图

图3 断面垂线流速分布图

2 雷达波测流原理

2.1 基本原理

雷达波流速仪测速的原理是应用多普勒效应（即移动物体对所接收的电磁波有频移的效应),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。使用雷达波流速仪测量流速时仪器不需接触水体,即可测得水体表面运动速度（水面流速),属非接触式测量。测速时仪器固定在岸上或桥上,工作时雷达波流速仪发射的微波射到被测水体的水面上,一部分微波般水体吸收,一部分微波被水面波浪的迎波面反射回来,产生多普勒频移信息被仪器天线接收。据此测出反射信号和发射信号的频率差,计算出水面流速。雷达波流速仪的特点是测量速度快,适合在洪水期使用。由于测速时不受水面漂浮物、水质、水流状态的影响,而且流速愈大,漂浮物愈多,反射波愈强,有利于雷达波流速仪工作。

在实际应用中,雷达测流仪位于水面上方,以一定的俯角向水面发射雷达波,并接收从水面返回的雷达波信号,根据雷达波反射特性和多普勒测速特性,回波信号的频率变化与水面流速成正比关系,传感器通过检测频率变化得到水面流速。计算公式如下 ：

式中：V 为水面流速；f0为发射声波频率；fD为多普勒频移量（频率差)；C 为电波在空气中传播速度；θ 为发射波与水流方向的夹角,是俯角和方位角的合成。

2.2 流量计算方法

流量采用流速面积法计算。根据当前水位,从断面数据分析水边的起点距。找到左右水边后,计算断面部分面积,各小断面面积流量求和。

均匀部分面积法=Q1+Q2+ Qn+…+Qn+1

Qn=（部分面积*部分流速）×K（浮标系数即表面系数）

Kb、Ke（水边系数即岸边系数）

3 参数设置

雷达波系统可远程设置、读取参数,左右岸系数为0.85,水面系数设置为1.0,见图4～图7。

图4 基本参数设置

图5 断面成果

图6 探头点流速

图7 数据读取

4 雷达流量计成果分析

4.1 向家坪站水位流量过程关系比对

选择2021年向家坪站04 月水位、流量过程与雷达流量计采集到的数据过程对照见图8～图9。

图8 向家坪站4 月水位过程线比对图

图9 向家坪站4 月流量过程线图

4.2 向家坪瞬时流量关系比对

选择2021年04 月水位相对平稳时建立向家坪ADCP 流量与雷达流量关系,从向家坪测流断面到雷达测流断面水流传播时间约20 分钟左右,共统计瞬时水位流量64 次,流量从24.3 m3/s 到2090 m3/s,水位从低到高排列,相关关系具体见表1。洪水期237.20 m 以上向家坪与雷达瞬时流量相关关系见图10。枯水期237.20 m 以下向家坪与雷达瞬时流量相关关系见图11。

表1 向家坪ADCP 与雷达流量计流量关系表

图10 向家坪与雷达流量关系图

图11 向家坪与雷达枯水流量关系图

4.3 与走航式ADCP 相关关系分析

通过在桥下游采用走航式ADCP 同步雷达流量计（测流断面在桥上游）施测,测流断面和位置见图12、图13,ADCP共计施测19 次流量,分析ADCP 与雷达流量计流量的相关关系见表2。

表2 ADCP 与雷达流量计流量关系表

图12 雷达测流断面

图13 ADCP 测流位置

根据向家坪与雷达流量关系y=-2E-08 x3+0.0001 x2+0.6807 x+15.531,及枯水时关系y=-0.0004 x2+0.8519 x+2.1387,采用瞬时雷达虚流量计算雷达实流量与ADCP 同时施测流量比较,系统误差0.71%,随即不确定度3.0%。

4.4 点流速分析

由于雷达探头发射断面位于旬河张湾大桥上游,比测时沿桥的上游架设悬索缆道搭载ADCP ,人工拖拽ADCP 至雷达流量计各探头发射位置,每个探头位置ADCP 施测10 分钟,并计算出相应探头对应的垂线平均流速,雷达流速与走航式ADCP 垂线平均流速比测统计表及、相关图见表3、图14。

表3 雷达流量计与走航式ADCP 比测统计表

图14 雷达流速与走航式ADCP 垂线平均流速相关图

分析发现,1 号、2 号探头测点雷达流速与ADCP 垂线平均流速相关度较差,3 号、4 号、5 号探头测点雷达流速与ADCP 垂线平均流速相关度较高,主要原因是1 号、2 号探头位置对应的河道水深较浅,流场略显紊乱,流速偏小,所以相关性差。3 号、4 号、5 号探头河道水深较深,流场顺畅,处于主泓位置流速略大,所以相关性好。具体到流量垂线加权计算时1 号、2 号雷达流速权重系为0.70,3 号、4 号、5 号探头雷达流速权重系1.00 较为适宜。

5 结论

通过以上分析,当流量（13.3 m3/s～493 m3/s）时,雷达流量计采集数据成果与向家坪站流量高度相关,通过进一步比测分析可用于日常测验,以优化向家坪站流量测验任务。高水关系需收集更大流量级比测资料进一步分析。