博白水文站雙軌全自動雷達波在線測流系統比測分析

蘇楚雄

（玉林水文中心博白水文中心站，廣西 博白 537600）

1 基本情況

1.1 測站、流域概況

博白水文站處于珠江流域桂南沿海水系南流江流域干流左岸，是流域中游代表控制站，該站位于博白縣博白鎮新仲村，水文站以上集水面積2805 km2，從1953年設立至今已有60多年歷史。測驗河段基本順直，監測斷面水面寬約為80 m，斷面形態呈“U”形。水位48 m 以下左岸為淺灘，間或有死水。河床為砂質卵石，左岸為砂質土，右岸為紅砂巖，上游150 m處河道彎曲，下游500 m處河道彎曲并擴展。低水時左岸出現淺灘，主流偏右岸。久旱無雨時，河道水生物較多。

博白水文站測驗項目有降水、蒸發、水溫、岸溫、水位、比降，流量、含沙量、水質監測，流量為二類精度站。水位分級為高洪51.5 m 以上，中洪48.5～51.5 m，低洪48.5 m 以下。根據實測資料結果得出該站最高水位54.23 m、最低水位45.97 m，最大流量3000 m3/s、最小流量0 m3/s，最大流速為2.63 m/s。多年流量資料顯示，水位流量關系相對穩定。

1.2 雙軌全自動雷達波在線測流系統產品概述

1.2.1 系統原理和組成

雙軌全自動雷達波在線測流系統用于河道流速和流量在線監測，根據設定時間自動完成測速垂線點流速測量，測試完成后自動進行流量計算；根據水位漲落幅度設定，當水位漲落幅度超過設定值時自動完成測速垂線點流速測量，測試完成后自動進行流量計算；遠程實現流速、流量的在線測量。安裝布置見圖1。

圖1 雷達波在線測流系統安裝布置圖

河道流速測量采用雷達流速儀測量，雷達流速儀采用多普勒效應原理測流體表面流速。在聲學領域中，當聲源與接收體（即探頭和反射體）之間有相對運動時，回聲的頻率將有所變化，這種頻率的變化稱之為頻移，即多普勒效應。當雷達流速儀與水體以相對速度V發生對運動時，雷達流速儀所收到的電磁波頻率與雷達自身所發出的電磁波頻率有所不同，此頻率差稱為多普勒頻移。通過計算雷達發射固定頻率的電磁波與接收被測流體表面反射回來的電磁波兩者之間的頻率差，經過相關計算得到流體表面的流速。雷達流速儀測量為非接觸測量，可實現全天候在線監測。

雷達小車接收到命令后攜帶雷達流速儀到達流速測試點，測出該點流速，將流速數據通過無線通信方式發送給RTU控制器，RTU控制器實時將流速通過DTU設備發送到服務器。

雷達小車測試完成后，RTU 根據斷面設置參數和修正后的流速數據（雷達流速儀測試表面流速轉換為等效的斷面流速），通過公式Q=SV計算出流量。計算流量通過DTU發送給服務端保存和查詢，以及生成相關報表。

博白水文站雙軌全自動雷達波在線測流系統硬件上由纜道、儀器房、雷達小車、流速儀、RTU 控制箱、充電樁、蓄電池等組成。纜道雙軌雷達小車的運行軌道，垂直橫跨測流河道。纜道為2根，纜道間距為310 mm，纜道長度大約為260 m，纜道采用5 mm不銹鋼鋼纜構成。

1.2.2 系統特點

根據水文發展趨勢，以及大水文適應社會經濟發展的需要，新增站點數量多，迫使水文測驗走無人值守、遠程遙測、實時在線、測、報、整自動化、通訊網絡化等技術層面的大飛躍。本系統就是為解決水文目前存在的站點多且偏僻、交通不便、駐測不現實、巡測時效性不強、人力資源不夠、測驗和整編工作量大等諸多實際問題而開發的。系統主要有以下十大特點：①非接觸式雷達波是最可靠的高洪測驗手段，不受高流速、大量漂浮物、高含沙量影響，夜間、雨天也能正常測流；②測流方式符合《河流流量測驗規范》（GB50179-2015）和《水文纜道測驗規范》（SL443-2009），測流精度在5%左右；③自動行車結構、簡單、可靠、易于維護、更換；④測站整套設備由太陽能板、蓄電池供電，可維持連續陰雨30 d 正常工作；⑤測站設備是一套完整的流量測驗儀器，可獨立工作，當GPRS網絡中斷時，測站人員可到現場操作，完成測驗任務，獲得流量數據；⑥彩色觸摸屏界面簡單易用，無需計算機即可實現流量測驗全部操作，適合基層測站人員；⑦可配備ADCP 專用測流纜道，手動、電動雙工操作，方便與ADCP比測，試驗表面流速系數；⑧基于互聯網的系統管理平合，水文中心和相關部門用戶可在任何時候、任何地點上網查看數據；⑨基于水文站測驗業務開發的中心水文站軟件，可按《水文資料整編規范》（SL247-2012）進行測驗數據分析、整編預處理，與整編軟件無縫銜接，直接出符合水文整編成果報表；⑩所有測驗數據保存于測站測流控制器，區（市）中心服務器和中心水文站計算機主處物理地址，互為備份。

2 比測目的和內容

博白水文站發生大洪水時，主河道漂浮物較多，采用常規流速儀測驗方法及走航式ADCP 測驗方法進行流量的測驗較為困難，存在一定的風險，且站點人員偏少、工作強度大。2019年年初，博白水文站配備了全自動雷達波在線測流系統一套，為了分析全自動雷達波在線測流系統流量與原斷面穩定流量的相關關系，充分發揮該系統無人值守、安全實用、實時監測的優勢，采用LS25-1 旋漿式流速儀與全自動雷達波在線測流系統同時進行流量測驗的成果進行對比分析。

3 全自動雷達波在線測流系統比測情況

（1）比測斷面。博白水文站流速儀測流斷面（基下30 m）見圖2。

圖2 2019年博白水文站流速儀測流斷面（基下30 m）

（2）比測儀器。采用全自動雷達波在線測流系統和LS25-1旋漿式流速儀。

（3）比測方法。博白水文站自2019年6月3日起實行流量測驗。方案為采用纜道流速儀測流流速與流量測驗垂線，根據不同水位級來確定測速垂線，采用流速面積法計算流量，在旋漿式流速儀測速的同時，全自動雷達波在線測流系統也同步進行施測流速。

（4）比測次數。在6月～9月之間共進行了18次流量比測，其中，實測最大流量767 m3/s，相應水位49.52 m，最小流量40.5 m3/s，相應水位46.45 m，水位變幅3.07 m，屬于中洪以下水位級，原始分析資料準確。詳細比測資料見表1。

表1 2019年博白水文站雷達和纜道對比實測流量成果表

4 全自動雷達波在線測流系統系數分析

（1）分析方法。以同一水位LS25-1 旋漿式流速儀所測流量為縱坐標，全自動雷達波在線測流系統同步所測流量為橫坐標點繪關系圖，進行對比分析，求出關系式。

（2）相關系數分析。通過采用LS25-1 旋漿式流速儀實測流量與全自動雷達波在線測流系統實測流量進行曲線擬合，綜合相關系數R=0.998，實測流量關系為冪函數關系，關系式為y=0.7 884x+24.256，即回歸方程Q旋漿=0.7 884×Q雷達+24.256，線性關系見圖3。

圖3 博白站旋漿式流速儀流量與雷達波在線測流系統流量關系圖

（3）關系線檢驗。根據雷達自身特點和原理，比較適用于中高水位測流，因此，本次采用平均流速大于1 m/s 的分析數據共14 組，進行水位流量關系曲線3種檢驗，結果見表2。

通過表2 的檢驗結果可以看出，系統誤差為0.2%，標準差為5.7%，隨機不確定度為11.4%。根據《水文資料整編規范》（SL247-2012）表3.3.2-1規定，二類精度站流量定線精度指標中，采用水力因素法的系統誤差在±2%內，隨機不確定度小于12%，因此，本次比測分析成果均滿足規范要求。

5 合理性分析

（1）LS25-1 旋漿式流速儀實測流量與全自動雷達波在線測流系統實測流量符合冪函數關系，原始分析資料真實、計算準確、可靠性強；比測成果從18組數據中選取14組資料系列進行3種檢驗，成果滿足規范要求，代表性較好，可以反映總體的流量關系情況。

（2）回歸方程Q旋漿=0.7 884×Q雷達+24.256 的相關系數達到0.998，說明方程推算流量與實測流量成果高度相關。其使用條件在水位大于47.0 m以上，平均流速大于1 m/s以上；由于測流系統調試完成后進行比測的時間段，沒有出現高水位的洪水過程，收集的比測資料無法有效涵蓋高洪水位級，從資料的完整性和代表性而言，水位49.5 m以上以及水位47 m 以下、平均流速小于1 m/s 以下需要收集更多比測資料。

表2 博白水文站水位～流量關系曲線檢驗計算表

（3）雷達波在線測流系統平行安裝在流速儀纜道測流斷面上游25 m 處，河床穩定，河段順直無支流匯入，垂線位置分布合理，對應的流速大小基本一致；高流速、大量漂浮物等各種纜道流速儀測驗無法施測的情況下，雷達波在線測流系統可以很好地克服。

（4）全自動雷達波在線測流系統在使用過程中受外界因素影響較大，水位低、流速小、風速大的天氣使用效果不佳，特別是水面過于平靜，河流表面波浪較小，這種情況下反射波比較散亂，雷達波流速傳感器很難收集到比較準確的流速。此時，雷達波測速傳感器的量程會縮小，探頭距離水面越近越好，一般來說，距離保持0.5 ～50 m、平均流速大于1 m/s 以上測速情況良好，否則測驗的數據失真無法使用，應當研究通過技術手段，過濾篩選出虛假的數據，從而取得有效真實的數據。

6 結語

與纜道流速儀測驗相比，全自動雷達波在線測流系統具有不受大洪水水面水內漂浮物、水質流態等影響，縮短測驗歷時、操作簡便、連續性強、安全指數高等特點，它不但可以直接測出河流斷面水面流速，而且可以通過軟件處理，進行流量資料整編，可取得較高精度的流量成果。同時，其網絡遠程控制、設備電池連續工作時間長等功能的優點正是當前水文發展的新要求、新方向，解決偏遠水文測站的落后監測方式，解放了勞動力；其定時測報、變幅加測等功能的靈活設置，讓無人值守的水文測驗模式成為可能，真正實現全自動監測。