双轨式雷达波自动测流系统在横江水文站的应用

◎黄振宇 罗毅 瞿靛 长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局

目前，随着水文科技化、智能化的快速发展，水文测验技术自动化程度越来越高，许多新仪器、新技术、新方法广泛使用于基本水文站，通过比测分析，可以找寻到非接触式雷达波与常规流速仪间的关系系数，从而为非接触式雷达波测流的应用提供依据。非接触式雷达波自动测流系统可以解决中高洪水测验的困难，极大的缩短测报历时，实现水文测报的自动化、智能化。本文致力于寻找非接触式雷达波与常规流速仪测流之间的关系系数，从而为提供智能化测报方式打开思路。

1.双轨式雷达波自动测流系统简介

1.1 系统简介

雷达波自动测流系统是一种新型的水面流速监测产品，其中雷达波表面流速仪采用最新一代平板多普勒雷达传感器技术，主要采用微波对河流、泥浆、污水等表面流速进行测量，可应用于水文监测、防洪防涝、环保排污监测等领域。

1.2 系统工作原理

双轨式雷达波自动测流系统利用两根直径大于8mm的钢丝绳做导轨，雷达运行车采用最新的四驱动力结构专利，将雷达波测速探头、双直流电机、雷达测速控制器、无线电台等设备安装在雷达运行小车内通过驱动轮悬挂在导轨绳上。当雷达测速控制器通过无线电台接收到运行指令，控制雷达运行车内的电机控制指令将雷达运行车运行到测流断面指定位置，然后将位置信息通过无线电台发送给系统控制器，雷达运行车自动完成指定位置水面流速测量，测量完成后通过无线电台将数据发送给RTU系统控制器。RTU系统控制器同时采集水位数据，根据采集到的水位数据、流速数据以及配置的断面数据，计算出断面流量，并将相关数据通过GPRS无线数据传输模块或者北斗数据传输终端发送到远程服务器上，从而实现断面无人值守自动测验。当完成测流后，将雷达运行车自行开回控制箱内自动充电。用户通过网页形式访问服务器，查看最终数据，根据当地水文情况，设置断面数据、测流点位、测流时间、水位变化涨落自动加测幅度和间隔，根据时间导出流量计算结果表等报表。

1.3 系统设备组成

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，见图1。

图1 双轨式雷达波自动测流系统组成部分示意图

2.测验河流概况

2.1 测站基本情况

横江水文站建于1940年，由长江水利委员会设立领导至今，测站位于四川省宜宾市横江镇和平村，集水面积14781km，距金沙江汇合口距离约13km，为横江流域河口控制站。该站为收集长江支流横江的水流规律以及河流水文特性而建立的二类精度流量站、二类精度泥沙站，为国家级重要基本水文站。测验项目有水位、流量、悬移质泥沙、降水量、水质等。

2.2 河流特性

横江水文测验河段位于皮锣滩与水狮滩之间，顺直长约400m，中高水时，河宽94～160m，河底呈“u”型，无分流、串沟、回流、死水，有支流入汇，河床为卵石，在基本水尺断面下游约70m处有一急滩，当水位达289m以上时，急滩逐渐被淹没。急滩右岸为卵石碛坝。

测验河道低水为急滩控制，高水为下游弯道与河槽控制，河床为卵石夹沙组成，左深右浅，呈“u”型，左岸中高水为石堤，河床较稳定。

2.3 断面情况

根据横江水文站历史资料分析，近10年低水断面冲淤变化较大，多年平均冲淤变化2.27%，2016年后低水断面变化较小，趋于稳定。横江水文站中、低水位流量关系由于断面冲淤影响，呈现扫把形状，年际之间存在2%-3%的左右摆动；测验断面上游4km建有张窝水电站，受电站蓄放水影响，涨落较快，一般可达1m/h，极端情况下10分钟可上涨1.3m。受涨落影响，水位涨落快时，水位流量关系呈逆时针绳套。高水受下游水狮滩弯道影响，高水水位流量关系在大水年份呈反曲。

3.仪器安装

根据双轨式雷达波自动测流系统仪器安装要求，测点位置应具有代表性，测量距离应在0.5～30m范围内，测验河道断面应在20～200m范围内。经现场勘察对比，横江水文站基本测验断面符合安装条件，为确保日后测量成果与缆道常规测量成果率定对比具有代表性，在缆道断面下游架设雷达波在线测流系统专用缆道，安装角度为45°。

4.比测情况

4.1 资料收集情况

横江站双轨式雷达波自动测流测速小车断面位于基本水尺断面下游2m处，其测速小车平行于测流断面运行，雷达波自动测流系统比测期间采用与流速仪常测法测流相同的测速垂线、相同时间段同步比测，同时设定时段及涨落率自动测流方式，系统参数借用的断面数据与流速仪测流断面保持相同，在2019年8月14日至2020年9月7日期间，收集雷达波测流与流速仪同步比测38次。雷达波测流系统不间断测得不同水位级、不同流量级、不同时间段长系列流量实测资料共1354次。

4.2 比测分析

雷达波自动测流系统所测流速为断面表面流速，为满足后期雷达波测流系统测验资料的投产应用，需要建立雷达波测流系统测验资料与流速仪测验资料的关系。由于横江站雷达波测流系统测验与流速仪测验无法完全同步，而中高水涨落较快，水位流量关系有涨落绳套出现，要获得与雷达波测流系统实测流量完全相同情形下的对应流速仪流量较为困难，而横江站历年水位流量具有较好的关系。因此，本次分析采用雷达波测流系统实测流量与对应时间流速仪整编流量进行分析。

4.2.1 模型的建立

采用横江站随机抽样的35次实测雷达波流量资料与对应的流速仪推算流量建立关系。率定期间的水流情况如下；

比测期水位变幅：288.00～ 294.62(m)；

比测期流量变幅：837～ 4780(m/s)；

比测期断面平均流速变幅：1.68～3.46(m/s)

分别建立线性关系和二次多项式关系，相关情况详见图2、图3。

图2 雷达波虚流量与断面流量线性关系图

图3 雷达波虚流量与断面流量二次多项式关系图

经过分析，无论是采用线性公式或二次多项式关系，雷达波虚流量与断面流量建立关系，系统误差均小于1%，随机不确定度均小于3%，5个测点误差大于5%，占总测点的8.1%，无误差大于10%的测点，整体误差情况详见表1。

表1 雷达波虚流量与断面流量误差表

4.2.2 模型的验证

采用横江站随机抽样的31次实测雷达波流量资料与对应的流速仪推算流量对上节关系进行验证，验证情况见表2。验证期间的水流情况如下：

表2 雷达波虚流量与断面流量误差验证表

验证资料水位变幅：288.01～ 294.76(m)；

验证流量变幅：842～4820(m/s)；

比测期断面平均流速变幅：1.69～3.30(m/s)。

经过验证，无论是采用线性公式或二次多项式关系，雷达波虚流量与断面流量关系，系统误差均小于1%，随机不确定度均小于3%，2个测点误差大于5%，占总测点的6.5%，无误差大于10%的测点，见表2。

采用线性公式或二次多项式关系误差均较小，两者误差差别不大，考虑后期使用方面，推荐使用线性公式Q=0.8264Q-21.7作为横江站雷达波流量与断面流量的换算关系。

4.2.3 成果误差分析

采样上节分析的换算关系，对雷达波流量进行换算，采用换算后流量测点进行整编定线，与流速仪推流成果进行比较，可以看出雷达波测流所定水位流量关系线与横江站常规的流速仪所定水位流量关系线，线型基本一致，雷达波测流在水位涨落较快时有绳套曲线。由于雷达波所测测次远多于流速仪法，因此在水位涨落较快时，测出了水位涨落附加比降对断面水位流量关系的影响，其水位流量关系呈逆时针绳套，这更加符合流量变化过程。

5.结论

（1）双轨式雷达波自动测流系统能够自动完成测流断面各设定垂线水面流速的监测，是解决陡涨陡落的山溪性河流高水流量测验的较好方案。

（2）从测验精度看，由双轨式雷达波自动测流系统测出的虚流量与断面流量建立关系，两者关系良好，无论是采用线性公式或二次多项式关系，系统误差均小于1%，随机不确定度均小于3%，测点误差大于5%，占总测点比例小于10%，无误差大于10%的测点。

（3）从雷达波所测流量系列资料看，中低水误差相对较大，中高水误差相对较小。中低水应进一步加强分析，在流速0.5m/s以上找到影响测验精度的不利因素，力求能在更大的范围内使用雷达波测流资料。