淺析雷達波在線測流系統在曲麻河水文站的應用

白延興

（青海省水文水資源勘測局，青海 西寧 810001）

在建設水文自動測報系統及防汛抗旱指揮時，雨水情數據的采集與分析和遠程傳輸非常重要。曲麻河站為長江北源楚瑪爾河干流控制站，是為三江源國家公園建設、可可西里申遺、引江濟柴、三江源生態保護與建設等項目工程提供水文服務而設立。因為位置偏遠，測驗困難，環境惡劣而無法獲取連續的水情數據。這樣的安排無形中就加重了工作難度，也會使得某些雨水情數據分析不夠準確。2015年12月，由青海省水文水資源勘測局和河南黃河水文勘測設計院組成聯合調研組，赴湖南省鸕鶿渡水文站、零溪水文站，對北京美科華儀科技有限公司研究生產的移動式纜道雷達波在線測流系統進行實地調研。經反復比選之后，最終確定引進北京美科華儀科技有限公司研究生產的移動式纜道雷達波在線測流系統。

1 雷達波在線測流系統簡介

1.1 系統工作流程

纜道雷達波在線測流系統是根據中小河流水流急、漂浮物多、河水陡漲陡落的特點，設計的流量自動測報系統。通過在測流斷面上架設簡易纜繩，測流控制器控制雷達波測速行車的走航，完成固定垂線的水面流速測驗，根據實測水位、借用大斷面資料，完成斷面流量的計算及傳輸。

1.2 系統組成

系統由測站設備、服務器管理軟件及中心水文站軟件三部分組成。

（1）測站設備：測站設備由簡易纜道、測流控制器、雷達流速傳感器、自動行車、水位計、GPRS無線模塊、太陽能供電系統、附屬傳感器組成。

（2）服務器管理軟件：服務器管理軟件接收測站發來的全部信息，存入流量測驗數據庫。市局服務器管理軟件提供WEB接口，用戶可通過互聯網查看測站數據、遠程啟動測站測流、遠程修改測站參數。

（3）中心水文站軟件：中心水文站人員通過互聯網遠程下載市局數據庫中的測站數據，在計算機上分析處理，生成水文報表。

1.3 性能特點

雷達波在線測流系統主要用于較大洪水流量的測驗，也適合高流速、水浪，以及多漂浮物情況下，常規轉子式流速儀或ADCP無法入水測驗時，進行流量測驗[1]。系統具有以下特點：

（1）安全可靠、省時省力、全新便攜式。

（2）精度高、速度快，不受風雨和停電限制，測驗數據準確規范。

（3）功能完備、可靠性高。

1.4 測流原理

雷達波測流是采用非接觸方式測驗水道斷面上若干條垂線的水面平均流速，乘以過水斷面面積及流量系數，得到測流斷面的實測流量，用于替代傳統流速儀法及浮標法，從而實現流量的在線監測的流量測驗方法。

式中：Qf—斷面虛流量（m3/s）；Kf—回歸系數；Q—斷面實測流量（m3/s）。

2 測驗河流概況

2.1 測站基本情況

曲麻河水文站位于青海省玉樹藏族自治州西部，河流長度515 km，流域面積20 800 km2。由于氣候干燥，降水量僅250～300 mm，蒸發量為1 800 mm左右。測驗項目有水位、流量、降水量、風速等。

2.2 河流特性

曲麻河水文站屬典型的高原大陸氣候，干燥、少雨、多風、缺氧、寒冷，地區間差異大，垂直變化明顯。屬山區性河流，河道坡降大，流速快，匯流時間短，暴漲暴落、峰高浪急是洪水的主要特點。曲麻河水文站測驗河段順直長100 m左右，主槽靠右岸，低水受距離基本水尺斷面下游約20 m處的沙梁控制，高水受下游彎道控制。河床由河沙組成，一般洪水易沖刷，較大洪水時有變動[2]。

2.3 斷面情況

近年資料顯示：曲麻河水文站監測到的最高水位為4 225.76 m，最低水位為4 225.07 m，水位變幅0.69 m。實測最大流速0.99 m/s。河道水面寬40～75 m，最大平均水深1.05 m，屬寬淺河道類型。

3 應用情況

3.1 斷面虛流量與實流量相關性分析

以斷面實測流量Q為縱坐標、斷面虛流量Qf為橫坐標建立關系圖（見圖1），并進行線性相關性分析，可見，R2=0.997 4，屬顯著相關，說明雷達波所測得的虛流量與斷面實測流量之間具有高度的線性正相關關系。

圖1 曲麻河站雷達波流量與斷面實測流量線性相關分析圖

3.2 雷達波流量系數確定

（1）算術平均法。將樣本單次流量系數進行算術平均值計算（見表1）。

表1 曲麻河站雷達波流量系數統計表

則綜合流量系數：

式中：Kf——綜合流量系數；Ki——第i次流量系數；n——樣本個數，為11。

（2）相關系數法。以雷達波測得虛流量為縱坐標、懸桿流速儀或走航式ADCP所測斷面實流量為橫坐標建立關系圖，采用Kf=0.86過點群中心繪制相關線（見圖2），并做相關線符號、適線和偏離數值檢驗，曲麻河站斷面Q虛～Q實關系線圖如表2所示。

表2 2017年楚瑪爾河曲麻河站Q虛～Q實關系曲線檢驗計算表

流量系數值取0.86時，相關線各項檢驗指標均合格。

圖2 曲麻河站斷面Q虛～Q實關系線圖

3.3 雷達波測流系統的應用

為了更好地證明雷達波在線測流系統是能很好地適用于中小河流站點測流，文章摘錄了實驗數據進行論證。水面系數采用0.86時，水位流量關系線擬合較好，與常規測流的流量接近（見圖3）。

圖3 曲麻河站主河槽水位-流量關系曲線圖

4 影響測流數據的因素及處理方法

雷達波在線測流系統的使用對河道測驗斷面資料具有較強的依賴性，斷面的變化將直接影響流量測驗結果，能否及時取得大斷面數據高程，并能做到及時修改測流系統中的測驗斷面數據參數，將有利于流量監測精度的提高。

5 結語

根據以上分析，雷達波在線測流系統在實際應用中無系統偏離，測驗歷時短，符合《河道流量測驗規范》（GB 50179—93）第五章浮標法測流精度要求，可在大多數測流場合應用。特別是雷達波在線測流系統解決了轉子式流速儀和ADCP在高流速、有水浪無法入水，有漂浮物和水草纏繞儀器不能測驗、不安全等問題。