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雷达测速仪水文测验的应用研究

发表时间：2020/11/2 来源：《基层建设》2020年第21期作者：杨峰1 韩文中2

[导读] 摘要：水文测验是水文工作的基础，需要它为后续水文工作提供相关水文数据。

        1.黄委山东水文水资源局山东济南 250100；2.黄委河南水文水资源局河南郑州 450000
        摘要：水文测验是水文工作的基础，需要它为后续水文工作提供相关水文数据。不同于水位、降水观测，流量测验因其工作模式的复杂性在自动化测报技术中发展相对滞后。
        关键词：雷达测速仪；水文测验；雷达测试；测量
        1.前言
        近年来中小河流治理建设项口使得全国水文测验任务成倍增长，探索流量测验方式方法技术创新势在必行。
        2.水文测验概述
        水文测验是水文工作的基础，需要它为后续水文工作提供相关水文数据。不同于水位、降水观测，流量测验因其工作模式的复杂性在自动化测报技术中发展相对滞后。借鉴发达国家水文测验工作模式和运行机制，积极推进水文测验方式改革，改善常年累月驻守在偏僻水文测站职工的工作条件一直是水利行业关注的焦点近年来中小河流治理建设项口使得全国水文测验任务成倍增长，探索流量测验方式方法技术创新势在必行。为此，专家学者们围绕流量计算方法（模型）、在线测流方案、先进测流仪器应用等方面展开深入研究。传统缆道流速仪测流仍是口前国内流量测验工作的主要方法，即在测流断面上设置若干条测速垂线，用自动/手摇缆道在各垂线上用流速仪测定不同水深处的点流速，据此计算各垂线平均流速，进而推算断面流量[41。该方法在实施过程中测速垂线数量越多，计算的流量越精确，但耗费的时间越多，增加了测验人员负担，同时也削减了流量数据的瞬时特性。因此有必要开展实验研究，探索测速垂线数口和流量计算精度之间的最优组合，通过采用一定的测速垂线精简算法，在给定流量计算结果精度下，寻找最优的测速垂线组合[1]。
        3.雷达测速仪测流基本原理
        雷达测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测速仪测量流速时，仪器不必接触水体，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，仪器在岸上或桥上，也可固定于缆道上（悬索三脚架处或铅鱼上部）。工作时雷达测速仪发射的微波斜向射到需要测速的水面上。一小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吸收，据此，测出反射信号和发射信号的频率差算出水面流速。
        4.垂线精简分析
        4.1精简测速垂线原因及选择
        界首站现常用流量测验方法为缆道流速仪法，采用一点法施测。测流时受上下游大桥及两岸障碍物影响，存在不能及时观察到上下游来往船只情况的问题。测流过程中，避让船只到恢复测流需要花费双倍的缆道运行时间，而且容易出现避让不及的情况。为减少缆道测流设备在主航道停留的时间，缩短测流历时，减少测流生产安全隐患，对主航道内测速垂线进行精简十分必要。界首站缆道流速仪法流量测验为全年借用断面，保留现有测深垂线不影响施测过程和施测时长。界首水文站流速仪测流断面起点距70.m、125.0m处的下游位置（下游约10m）分别设置有航标，起点距80.0～110.0m为主航道，主航道内现有测速垂线三条，分别在起点距85.0m、95.0m和105.0m处。根据断面最低点必须布设测速垂线的规定，由实测大断面结果可知，起点距85.0m处为断面最低点，该测速垂线不能精简。而起点距95.0m处正好位于主航道正中间，船只避让最为困难，相对起点距105.0m处测速垂线而言，选择精简起点距95.0m处测速垂线效果更好。

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        4.2精简前后断面流量相关关系分析
        以2020年1—3月共计64次实测流量数据为依据，精简起点距95.0m处测速垂线，保留其测深垂线，计算精简后断面流量。其中，1～44测次为借用2019年10月31日实测断面资料，45～64测次为借用2020年3月5日实测断面资料。根据实测流量计算中采用借用断面的不同，把64次实测流量分为两个序列，对精简前后断面流量分别进行分析，不同借用断面条件下，精简测速垂线前后，断面流量之间线性关系良好，相关关系式分别为y=0.9993x-0.0071、y=0.9978x-0.0357；确定性系数R2分别为0.9997、0.9996，拟合效果极好。界首站断面稳定，不同借用断面条件下，相关关系变化不大。不考虑借用断面影响情况，做64次实测流量的统一分析，可以看出，不考虑借用断面影响情况下，精简起点距95.0m处测速垂线并保留其测深垂线，精简前后，断面流量之间线性关系良好，相关关系式为y=0.9987x-0.0113，确定性系数R2=0.9997，拟合度很高，拟合效果极好。
        5.实验结果与分析
        5.1常测法与多垂线测流结果比较
        本站日常测流工作采用的常测法的13根固定测速垂线沿河宽方向大致呈均匀分布。利用常测法固定垂线的流速计算断面流量与多垂线流量进行比较，两次实验的相对误差分别为一2.22%和一1.25%。常测法流量计算结果与多垂线流量相比，误差较小，说明水文站常测法选的13根固定的测速垂线代表性好，测流精度高[2]。
        5.2原算法与新算法结果比较
        采用原有的算法分别对两次实验的多垂线进行精简，第一次实验精简结果选出了起点距为56m和95m处两根垂线，第二次选出了42，57，84m处3根垂线，大都分布于靠近河流中心的位置。精简后的流量相对误差绝对值分别为2.7%和0.5%，说明精简出的垂线具有代表性，优选垂线的流量计算结果较为合理。若在两次实验的水情条件下分别采用这两种方案进行测流，工作时间可比常测法分别减少85%和77%。利用新的算法进行垂线优选。若只优选一根代表性垂线，2次实验选出的垂线位置一致，为起点距84m处，相对误差绝对值分别为4.14%和1.74%，均小于上文给定的标准5%。为了进一步说明上述2次实验优选的单根代表性测速垂线（起点距84m处）的测流效果，2019年7月8日09；24一09；40对该垂线相对水深0.6处进行流速仪施测流速，期间水位为111.12m，右岸为缓坡，流速系数取0.7，左岸为陡坡取0.8，计算得到的断面流量为81.23m3m/s。依据近期2018年本站水位一流量曲线关系表，查得该水位对应的流量为84.4m；/s，计算单根代表性垂线流量误差为一3.75%，同样小于5%。由此说明84m处的垂线具备成为渔梁站特殊水情下单垂线简易测流方法的潜力。由于该方案测流时仅需要测一根垂线的流速，耗费的工作时间比原精简算法的两根和三根代表性垂线测流更少，比常测法少92%，在5%误差许可的前提下大大提高了2次实验的测流效率。
        进一步对2种算法结果进行比较，发现用原有算法第1次实验精选出的两根垂线算得的流量误差比新算法优选两根垂线的流量误差放大倍数为101数量级，而第2次实验同样优选3根垂线误差放大倍数量级更是达到了102。由此说明同样条件下新的垂线优选算法易于找到差更小、更有代表性的测速垂线，比原有的垂线精简算法更优。此外，在有限的垂线数口下，因计算量较小，新的算法可列举所有可能并找到最优；而当断面垂线数量很大时，由于新算法计算量随着优选垂线数口的增加急剧增大，此时应采用遗传算法、粒子群优化等算法求解以加快收敛速度，提高计算效率。
        6.结束语
        总之，未来将通过增加实验次数进一步检验上述结果，依据规范要求对误差结果加以统计分析，为基层水文站垂线精简分析工作与测流方式改革提供可靠依据。
        参考文献：
        [1]伏琳，等.雷达波流速仪在陆水流域流量测验中的应用初探[J]长江工程职业技术学院学报，2020（15）：15
        [2]王成建水利工程对水文站网的影响分析[J]南北水利，2019（15）：16