关于小流域河道电波流速仪安装方法的探讨

汪隆德，唐训海

（四川省遂宁水文水资源勘测局，四川 遂宁 629000）

当前，随着国家经济发展以及新时期治水思路和水利工作总基调细化，水文在防洪减灾作用已由大江大河逐渐向中小河流方向并重拓展。但中小河流众多、千差万别，受各种建站自然条件影响，已成为落实新时期治水思路的难题。目前，可用于流量在线监测设备主要有H-ADCP、超声波时差法、电波流速仪、侧扫雷达和高速摄像图像法等，但对小流域河流而言，多数设备都难发挥作用。

我们通过对任隆水文站的建设，认为电波流速仪是最能满足生产、安装最便捷的成熟设备。

1 电波流速仪原理

电波流速仪是利用雷达（Radio Detection And Ranging，缩写RDAR）对被侦测移动物体产生多普勒（Dopple）效应原理。工作时利用持续不断发射无线电波，当无线电波在行进过程中碰到物体产生反射，而反弹回来电磁波波长会随着所碰到的物体的移动状态而改变，通过对波长的分析计算，便可得知被测物体与雷达之间的相对移动速度。若无线电波遇到被测物体为固定不动的，那么反弹回来的电波波长就不会发生改变。

基于这个原理，我们可以在被监测断面布设1 个或多个雷达测速探头对水面流速变化进行监测，从而实现对断面流量的在线监测。

2 现阶段电波流速仪流量测验应用主要方式

目前电波流速仪测流方式众多，归结起来有如下几种：第一种是基于“指标流速法”，在水流比较集中陡坎岸边（基岩、水工建筑）或桥面上采用悬臂式安装，通过施测断面流量率定出指标流速系数。第二种是基于“指标流速法”和“水面浮标法”，将设备安装在水文缆道上，用于高洪测验，若要实现在线监测，需将缆道运行至已经分析的固定垂线位置，但对缆道绳索易产生疲劳。第三种是基于“水面浮标法”而单独在河道上架设1 套单轨或双轨自动巡测电波测流系统，但系统抗风能力较差。第四种是利用跨河建筑，如在公路桥上安装多个电波流速探头，实现全断面定点监测，易受桥墩紊流或阻水影响。

以上四种安装是当前用得最多的，各有千秋，不详述优缺。

3 河段和断面的选择

3.1 断面稳定

与其他在线测流方式一样，电波流速仪也必须靠借用断面，准确的过水面积是准确计算断面流量的基础。因此断面的稳定是应用的基本条件。

3.2 流态相对稳定

不论是单点流速法还是多点流速法，电波流速仪所测流速都是对断面流速具有稳定代表性的指标流速，尽管这种代表性可能随水位变化而改变，但在同级水位时应是稳定的。只有稳定的关系存在，将所测流速作为指标流速才有实际意义。因此要求河床纵横断面都应稳定，河床糙率、比降应不因洪水而有较大改变。

3.3 具有足够的水面流速

如果我们罗列各种型号电波流速仪的技术参数会发现，其最低理论测速一般可达厘米级。但当天然水面流速真只有厘米级时，它就缺少了足以对电波反射并带有多普勒频偏波的能力。这也是先前我们认识不到位时往往应用电波流速仪测流失败的原因。根据实践经验，电波流速仪测流要获得稳定的成果，其水面测点流速＞0.3m/s。

下面作者就遂宁市任隆水文站电波流速仪在线监测设计和安装作一个回顾性的探讨。

表1

图1

表2 任隆水文站河段设计洪峰流量成果表

4 任隆水文站

4.1 地理位置

位于蓬溪县任隆镇寨子坝村，集镇所在地。东经105°45′35″，北纬 30°32′15″。交通通讯较发达，集镇地面高程320.00m～322.00m，一般都低于321.00m。

4.2 水文特征

荷叶溪属涪江一级支流，流域面积207km2，站点位置以上河长20.9km，集水面积64.8km2，流域平均坡降3.53‰，距河口26km。流域坡面较陡，汇流短，陡涨陡落。

4.3 河道特征

拟选河段顺直长度约60m，两岸顶宽25.5m。左右岸均为条石堡坎，左坡比1:7.25；右坡比1:5.85。河床由砾岩、淤泥、浮土构成，河道上下各有一个反向弯道，下游桥面高程与集镇街道高程基本一致，约320.75m。

4.4 断面资料

任隆水文站大断面资料（见表1 和图1）。

4.5 洪水计算及资料来源：（1）蓬溪气象站1957～2009年实测最大24 小时暴雨资料。（2）借用邻近中小流域吉安河（李子溪）设立的赵家祠水文站。

设计洪水计算采用暴雨洪水推理公式法，并用赵家祠水文站历史资料进行复核，结论如表2、表3：

表3 设计洪水位成果表

因集镇堤防设计标准为10 年一遇，堤顶高程为320.64m（右岸）。当发生超10 年洪水时，洪水会漫过堤防，形成内涝。

4.6 现状分析

基于任隆水文站拟选位置和周边环境及边界条件，若利用上下游路桥安装固定电波流速仪，经勘查有如下问题：（1）上游桥：桥面高程322.65m，能满足P=2%洪水测洪和设备安装，但桥建在“∽”弯道中间，水流紊乱，不满足《河道流量测验规范》（GB50179-2015）中对测验河段选择规定。（2）下游桥：桥面高程321.12m，中央有一桥墩，此桥也建在河道向右转临界段上，水流紊乱。当发生超标准洪水时，桥的底部距水面较近，易阻塞，形成壅水，水位流量关系差。（3）场镇外河道：通过卫星影像地图搜索顺直可选河道，经实地踏勘，能布设水文测验设施设备的顺直河段极少，且两岸树木茂密，属基本农田耕地，无堤防设施，洪水期间漫滩较远。

鉴于以上原因，采用自建过河设施实施建站测验。

图2

4.7 设计

（1）构造柱设计。构造柱基础嵌入基岩深度≥0.5m，平面布设为“大方脚”型，右岸2200mm×3200mm（顺水）×1500mm，左岸 2700mm×3200mm（顺水）×1000mm，两岸构造柱高度均为3850mm。为便于雨量器和北斗卫星天线和太阳能电池板的安装，特对右岸构造柱顶部平台进行加宽设计，面积为1200mm（顺水）×1000mm。（2）钢架梁设计。架梁结构（400mm×400mm）×23600mm，材料采用等边角钢L30mm×30mm×4mm，共分3 段，高碳钢螺栓联结。为确保钢架梁不因自重而发生应力曲变，在架梁上方增设一根DN140mm×δ8mm 无缝钢管弧形拱梁（R=4400mm），用拱梁悬吊架梁，悬吊采用Φ20 镀锌元钢，联结采用可调收“花篮螺栓”，保证钢架梁稳定。（3）监测设备设计。流量监测基于“水面浮标法”，因此在架梁上等距安装4 套固定电波流速仪（锥形雷达：SV-3 型，标称测速范围：0.20～18.00m/s，频率：Ka 波段 34.7GHz，功率 50MW，发射角 12°）和 1 套雷达水位计（距右岸起点距0.0 点13.0m），4 套固定电波流速仪发射头全部面向下游正对流线，发射波中心线与水平夹角4°。安装点距0.0m 点分别为 4.25m、9.45m、14.25m、18.25m，安装高程均为323.00m。右岸构造柱顶部分别安装有翻斗雨量计1 台，一体化北斗卫星天线1 只和80w 单晶硅太阳能电池板1 块。（4）简易手摇缆道设计。为便于对固定电波流速仪所测水面系数率定和校核工作，在两岸构造柱下游方向增设1 套简易手摇缆道用于牵引走航式ADCP 进行率定。（5）仪器房设计。因建设条件限制，无法修筑专门仪器房，但受城市地面箱变启示，设计箱变仪器房，几何尺寸为1600mm×1000mm×1900mm 坡屋面顶，箱变基础距地面600mm，为砖砌，内空外实，承重板为砼现浇，预留通讯电缆进出孔，确保线路安全。（6）其他设施设计。水尺、水准点、避雷等均按大纲完成设计（略）。

图3

4.8 设计成果展示

表4 任隆水文站建站以来历次洪峰水位及比测资料

图4

如图 2、图 3 所示。

4.9 资料分析

项目于2018 年4 月底完成建设运行至今，其中2019.10～2020.06 为河道改造施工期，系统停运。迄今有8 次低水过程，ADCP 巡测 4 次，详见表 4。

为探讨电波流速仪在线流量技术，我们采用巡测时电波流速仪生成流量与ADCP 实测流量同步对比分析，结果如图4。

式中：Q实代表 ADCP 流量；Q虚代表固定式电波流速仪按照“水面浮标法”生成流量，R2代表两数据系列的相关性。

从分析可看成，两数据系列符合全相关特点。如果以走航式ADCP 流量Q实为假定真值，即固定式电波流速仪Q虚对真值流量趋势做到了完全忠实的反映。Q虚与Q实在比测水位级范围内呈直线关系，如果不考虑截距 0.3105，则Q虚大于Q实，这说明水面流速大于断面平均流速，符合断面水流分布物理规律且比值也符合经验值。截距可认为是两种截然不同传感方式所产生的差，根据经验，流速越低这种差越明显，鉴于电波流速仪主要应用于水面流速＞0.3m/s，而对于以防洪为目的的站不会带来不可接受的影响。

当然由于比测次数太少，上述结论是否准确还需下一步的比测和分析给以证实。但初步证实了所选断面控制较好的判断。

3 结论

本设计虽是2014 年12 月为遂宁市中小河流水文站建设项目设计内容之一，针对受建站条件限制而实施的因地制宜办法，对解决今后类似问题提供参考，特别是对流域面积在200km2以下易发山区性河流或水资源监测河道、生态流量监测河道、人工明渠等可以借鉴，若条件允许也可以采用钢架支柱。

同时，从初步分析成果可以得出如下结论：根据测验条件选择一种或多种适合的测验仪器和测验方法，可最大程度发挥现代测流设备效能，实现无人值守在线监测，为水文自动测报奠定基础。另外，我们也可以得出如下结论：现代测流站点的选择、设计和建设应从硬件（如本站的过河设施、采用的仪器）、软件（流量生成的方法、比测率定手段）等多方综合考虑，就可实现预期目的。