樊 敏 段新光 郝天奇

(北京市密云水库管理处,北京 101512)

密云水库位于燕山南麓的密云区境内,是一座以防洪、供水为主要功能的多年调节、综合利用的大型水利枢纽,是首都最重要的地表饮用水源地,也是支撑首都经济社会发展的战略水源地,被誉为首都人民的“生命之水”。密云水库由潮白河上游两大支流潮河、白河汇流而成,控制流域面积15788km2,占潮白河流域总面积的88%,张家坟、下会水文站分别为密云水库白河、潮河的入库控制站,也是国家重要水文站[1]。水文站运行多年,受强降雨影响,存在水毁问题,同时也暴露出水文站设施陈旧、设备老化、自动化程度低等问题,不满足水利部对国家重要水文站的规范化建设要求。

现阶段,密云水库或将长期处于高水位运行,为切实做好水库水旱灾害防御工作,缓解水库防洪调度压力,保证水库工程安全,满足北京市水文站网现代化建设工程、实行最严格水资源管理制度、洪水管理工作、提高洪水监测预警能力等需求,对张家坟水文站和下会水文站测流设施设备进行升级改造,对区间主要入库河流安装雷达波测流及视频监控系统,实现对区间河流的实时监测,这是十分必要和迫切的。

2018年“7·16”强降雨以及台风“安比”过境,暴露出张家坟和下会水文站洪水测验自动化水平不高的现状以及密云水库区间河流流量监测空白的问题。为了进一步做好密云水库水文工作,实现水位流量实时监测,提高水文预报、防洪调度、供水调度的科学性、准确性和及时性,在张家坟、下会水文站安装测流精度高的ADCP测流设备和移动雷达波测流系统。同时,为精准掌握密云水库流域区间河流的入库流量,在区间河流加装固定雷达波测流系统。

1 河流及水文站基本情况

1.1 河流基本情况

潮河发源于河北省承德市丰宁县,流经河北省丰宁县、滦平县和北京市密云区3个区县,主河道全长220km,控制流域面积6716km2,河道平均比降1.78‰。白河发源于河北省张家口市沽源县,流经河北省沽源县、赤城县和北京市延庆区、怀柔区、密云区5个区县,主河道全长248km,控制流域面积9072km2,平均比降1.87‰。

密云水库流域主要有5条入库河流,分别为白马关河、牤牛河、安达木河、清水河和对家河。白马关河河道长34km,流域面积228km2,在冯家峪镇窑子洼村设有窑子洼水文站,集水面积180km2;牤牛河河道长25km,流域面积128km2,在太师屯镇兵马营村设有兵马营水文站,集水面积95.6km2;安达木河总流域面积366km2,密云区境内238.5km2,境内全长68km,在太师屯镇松树峪村设有松树峪水文站,集水面积248km2;清水河全长61km,总流域面积约520km2,在太师屯镇葡萄园设有葡萄园水文站,集水面积541km2;对家河河道长12km,总流域面积约36km2[1]。

窑子洼、兵马营、松树峪、葡萄园水文站测站类型均为河道巡测站,测验项目有基本水位、流量和大断面测量[2]。

1.2 水文测站基本情况

张家坟水文站和下会水文站分别是密云水库上游白河、潮河的入库控制站,控制流域面积分别为8506km2和5340km2,是国家重点水文站,担负着密云水库入库水量的观测任务。

张家坟水文站站内设上、中、下三个监测断面观测水位,洪水期测流主要利用高架浮标、水文缆道进行,枯水期主要通过基本水尺断面测流堰施测。该站实测最大流量为2580m3/s,发生在1998年7月6日,最高水位为185.36m。

下会水文站主要测验设施有:上、中、下三个断面,设置直立式水尺观测水位。基本水尺断面与流速仪测流断面重合,并设有水位自记井、高架浮标投放器、电动测流缆道和降水、蒸发的全套观测设备[3]。洪水期测流主要利用高架浮标、测流缆道进行,枯水期主要通过基本水尺断面测流堰施测。该站实测最大流量为2490m3/s,发生在1976年7月23日。

2 测流系统简介

2.1 RQ30雷达流量计

2.1.1 系统构成及工作原理

先进的平板雷达主机能够实时在线监测河流流速和水位,可以监测三点面流速,将点流速和垂线流速折算系数相乘可以得到垂线流速,进而求得流量。设备由一个探头和水力计算模型软件组成,雷达向水面发射24GHz频率信号,根据水面反射的信号通过光谱分析计算出水面流速。RQ30发射一个与水面垂直的短脉冲,通过发射和接收脉冲的时间差,能够计算测量点到水面的距离,计算水位[4],计算流程见图1。安装最大距离高达30m,在大水过境后可以自动校核断面,如断面变化情况大,可以自动提示管理人员重新进行断面校核。且该设备可以根据河宽选择探头数量,一般较宽的河流,可以选择五探头,适应性高。

图1 RQ30流量计计算流程及实物

2.1.2 功能特点

非接触式测流且不受泥沙影响,能够实时输出水位、流速和流量数据,自动识别流向,可实现洪水期高流速条件下的测量工作,流速测量范围为0.15～15m/s,精度±0.05m/s(±1%);设备可对断面进行自动校准,当断面变化幅度超过10%时,会发出警报,提示用户对断面进行重新率定测量;能够兼顾河道滩地横流影响,通过调整模型参数,实现不同河段下的精准测流;设备采用线性极化技术,具有良好的抗雨雪能力;采用先进的相控阵雷达,优于波导管雷达,具有方向性好、精度高、性能稳定和低功耗等优点[5]。

2.2 移动雷达波在线测流系统

2.2.1 系统构成及工作原理

系统由雷达表面流速仪、雷达运行车、系统控制器、雷达测速控制器、流量计算终端、在线充电箱、蓄电池、无线电台、RTU遥测终端机、水位计(浮子、气泡或雷达)和中心站软件等组成[3],实物见图2。

图2 移动雷达波测流系统

系统利用两根间距为300mm、直径不小于5mm的304不锈钢钢丝绳做导轨,将雷达波测速探头、双自流电机、雷达测速控制器、锂电池、无线电台等设备安装在雷达运行车内。依据《水文测量规范》(SL 58—2014)[6],在测流控制器上预设测站参数,包括大断面、测速垂线、水面流速系数、岸边系数、测速历时、加测条件、停测条件等测流参数。现场人员可在测流控制器的彩色显示屏上启动测流,自动行车沿缆道行走,能够停留在不同垂线位置测量表面流速并采集相应水位,测量完成后,自动返回停泊点,由太阳能板为其充电。测站设备在GPRS网络中断时,可作为独立的雷达测流设备使用,获得垂线流速并计算流量,完成流量测验任务。

2.2.2 功能特点

设备集测流、无线传输、流量测验数据库管理和水文站业务处理于一体,适用于流速大于0.5m/s的河道,自动采集计算,可远程操控测流和下载历史数据;能够替代浮标法,实现高洪测验任务,支持低水停测和变幅加测,RTU支持远程升级,可远程修改河道的断面、垂线、水位计高程等数据;设备自动运行、自动充电,运行快捷,维护便利;适用于流速大、含沙量高、漂浮物多的河流,可在强降雨、雷电、夜间、无交流电环境中正常测流;能够根据高、中、低流量灵活配置自动加测条件,全程、快速跟踪洪水涨落过程,确保不漏测、不跑峰。

2.3 ADCP测流系统

2.3.1 系统构成及工作原理

声学多普勒流速剖面仪[7](Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP),是20世纪80年代初发展起来的一种新型测流设备,系统由ADCP测流缆道、铅鱼及数据采集器、行车驱动设备和流量测验软件四大部分组成,实物见图3。

图3 ADCP流量计

ADCP测流缆道由两岸支架、主索、循环索、副索等部分组成,采用全自动电控方式,由变频器控制交流电机驱动水文绞车,由绞车带动循环索,使ADCP做水平移动和升降运动。

ADCP包含入水感应器和压力水位传感器,当铅鱼达到一定入水深度后,开始按预设测速时间施测,测速完成后离开水面,行走到下一条垂线继续测速,完成所有垂线后,自动返回岸边的停泊平台。ADCP铅鱼上方1m处安装ADCP数据采集器,内置超声波测高仪和GPS定位仪,能够连续跟踪铅鱼距水面的高度和距起点的位置。

行车驱动设备安装在不锈钢机柜内,内置触摸屏工控机、变频器、PLC、无线短传模块、GPRS无线远传模块、UPS电源。通过无线短传模块与ADCP数据采集器通信,接收铅鱼位置数据和ADCP测流数据。通过GPRS模块与远程服务器通信,连接到流量测验平台软件。

2.3.2 功能特点

ADCP主机含八个剖面流速传感器和专用测深传感器,能够自动调节剖面单元大小和工作频率以适应河道深浅变化从而适合水深变幅从0.3m到80m的流量测量,可以精确测量河床断面轮廓。操作软件可在Windows下运行,操作简便,可同时显示航迹、地形、流速剖面、流量分布、流速分层等数据;测验历时短、测速范围大;设备可根据用户需要自动生成流速流量报表,支持多格式数据处理,支持ASCII码文本文件输出和Excel打开文件;搭载仪器的船可抗大于3.5m/s的水流流速,平衡性和抗波浪性好,不易倾覆。

3 测流设备在密云水库的应用情况

在张家坟水文站改造工程建设中,已在密云水库区间5条河流(对家河、白马关河、牤牛河、安达木河、清水河)及贾峪大桥(张家坟水文站河道上游)安装了固定雷达流量计。在张家坟和下会水文站增设了移动雷达波在线测流系统,同时增设了在线缆道ADCP测流系统,流量计布设见图4。

图4 流量计布设示意图

4 典型站流量测验结果分析

4.1 区间河流流量测验结果分析

4.1.1 相关性分析

选用2021年7月12—13日白马关河窑子洼水文站的RQ30雷达流量计监测数据与北京市水文总站雷达遥测数据在相同时段、相同气象条件下同步测得的多组流量成果作为分析资料,绘制二者的变化趋势图并建立Q0(总站雷达流量计测流结果)—Q1(RQ30雷达流量计测流结果)的相关关系。以时间为横坐标,以流量为纵坐标,绘制变化趋势线,见图5。从图5可以看出,RQ30雷达流量计实测流量与北京市水文总站雷达遥测流量变化趋势基本一致,由于总站遥测数据是根据水位流量关系曲线反推的,RQ30雷达流量计为实测流量,因此二者存在部分差距。

图5 窑子洼监测站流量变化过程

以Q1为纵坐标,Q0为横坐标,点绘相关关系图,见图6。从图6可以看出,两者线性相关关系显著,相关系数R=0.9428。

图6 相关性分析

4.1.2 单次流量随机误差分析

以张家坟水文站为研究对象,选取2021年4—9月具有代表性的30组数据,以该站流速仪法测验的流量作为基准流量,认为其为真值,将移动雷达波测流系统所测流量与其进行对比,计算移动雷达波在线流量监测精度,流量测验时水面系数为0.9。将相同时间的在线流量数据与流速仪法测验的流量数据进行对比,通过计算单次流量的相对误差、系统误差、标准差和随机不确定度进行精度分析[4]。

相对误差计算公式如下:

(1)

式中:δQY为移动雷达波在线流量相对误差,%;QY为移动雷达波在线流量,m3/s;QL为流速仪实测流量,m3/s。

系统误差计算公式如下:

(2)

式中:ε为移动雷达波在线测流系统误差,%;N为实测流量次数。

标准差计算公式如下:

(3)

相对随机不确定度计算公式如下:

X′Q=2Se

(4)

式中:Se为移动雷达波在线流量标准差,%;X′Q为置信水平为95%的移动雷达波在线流量随机不确定度,%。

计算结果见图7和表1。

表1 流速仪实测流量与移动雷达波测流系统比测分析结果

图7 实测流量与移动雷达波测流系统相对误差分析

分析可知,在30次有效实测流量中,实测流量在2.57～1030m3/s,包含了高、中、低水位级。通过误差计算,移动雷达波在线流量的相对误差在-6.98%～+6.99%之间,系统误差为0.51%,标准差为5.35%,随机不确定度为10.70%。张家坟水文站属国家基本水文站、一类精度站,根据《水文巡测规范》(SL 195—2015)[8]和《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)[9]的规定,一类精度的河道站,其比测相关关系定线误差中,系统误差允许在1%以内、随机不确定度允许在10%～12%以内;由以上统计结果可见,张家坟水文站移动雷达波在线测流系统流量值与流速仪实测流量值的系统误差0.51%在限差1%范围内,其随机不确定度10.70%在限差范围内,且包含了年内汛期、非汛期不同水位级情况的监测结果,表明该站移动雷达波在线流量监测精度总体符合要求[10]。

4.2 运行结果分析

a.经过2021年汛期使用、比测和参数率定,窑子洼水文站RQ30雷达流量计整体使用效果较好,数据正常,达到设计和规范要求。运行过程中发现,风力风向、测流角度以及测流历时会影响测流精度。一般来说,雷达流量计测速探头俯角越大,与水面接触面越小,回波信号越弱;反之越强,回波信号的强弱会影响测流精度[10]。

b.试运行发现,张家坟水文站移动雷达波测流系统因为缆道跨度大,缆道钢丝绳受温度影响较大,热胀冷缩显著,夏天钢丝绳垂度大导致回车不便,冬天垂度小导致自动行车器被提起,因此,为保证测流系统正常运行,应根据温度变化及时调整钢丝绳垂度;为避免低电量时自动行车因扭矩不够无法回车的问题,出车速度高速不能超过30Hz,低速不能低于15Hz,且应提供备用电池。

5 结 语

a.在密云水库安装自动测流系统满足水务信息化建设的要求;满足“安全发展”,防洪减灾能力实现新提高的要求;满足加强水文监测环境和设施保护,保障水文监测工作正常进行的要求。目前,水文自动化监测基本覆盖密云水库全部入库河流,能够实时监测,两入库站测流时间显著缩短,设备测流能力达到国内先进水平。

b.雷达流量计充分考虑天然河道滩地横流影响,通过输入断面情况与多探头流量计点位布设情况,结合水力学模型解决了漫水河道流量测量问题;移动雷达波首次在北京采用24GHz平面微带雷达技术,通过自有后端处理技术精确监测表面流速, 实现非接触式、自动监测;ADCP测流系统实现缆道ADCP和走航ADCP两用功能,通过自动调节剖面单元大小和工作频率精确测量水深变幅从0.3m到80m的流量及河床断面轮廓。

c.对入库站现有设备进行升级改造,在区间河流加装固定雷达波测流系统:一是解决了测流设施陈旧、测流方法落后、人工测流精度差、效率低等问题;二是使水文站点具备实时水文数据监测的能力,提高了水库水文预报、防洪和供水调度的科学性、准确性和及时性,为密云水库高水位运行提供了保障。

d.经过汛期运行数据比对,流量监测设备数据稳定,精度符合相关规定。张家坟水文站移动雷达波测流系统单次流量测验允许误差总体满足相关规定。区间流量计的安装,为水库防洪调度提供了数据支撑;自动测流系统的安装,提高了水文站的测流手段,确保了测流数据的精度,保证了测站人员在降雨及大洪水条件下的测流安全。

e.考虑河道年内有冲淤变化,为减小断面冲淤变化对流量精度的影响,应加密断面测次,特别是较大洪峰期间,流量测验设备应及时施测。