雷達設備在水文應用中的探析
——以格爾木水文站固定雷達波在線測流系統為例

溫 川 周啟明

(青海省水文水資源測報中心,格爾木 816099)

為貫徹水文[2019]199號文精神，落實水利部提出的“水利工程補短板，水利行業強監管”；推進水文測報先進技術裝備配置和應用，加快提升水文現代化水平；實現水文現代化儀器在水文上的應用。格爾木水文站引進固定雷達波在線測流系統。固定雷達波在線測流系統根據水文的實際情況，針對偏遠地區，不方便人工值守而設計開發的一套全自動、非接觸測流系統，可實現在無人值守的狀態下由計算機系統完成對流量數據的采集測量、發送報文、形成報表的自動化系統。

1 固定雷達波在線測流系統簡介

固定雷達波在線測流系統由四部分組成。分別為系統控制部分、雷達測速控制部分、供電控制部分(太陽能電池板及蓄電池)和軟件控制部分(中心站的測流計算機及流量數據接收處理軟件)。

1.1 固定雷達波在線測流系統工作原理

固定雷達波在線測流系統是一套非接觸流量測驗方案，利用雷達波完成測流斷面各設定垂線水面流速的自動監測，在不接觸水流的情況下測量河流表面流速，結合水位計測量實時水位數據，利用流速面積法，準確計算現場的實時流量數據。設備外接無線DTU設備，將數據發送到指定的水文站。通訊方式為應答方式，如接收端因關機沒有收到的信息，接收端開機后發送端自動補發，測站通訊設備采取發送信息時開機，發送完后自動關機的模式；時實數據可在固定雷達波在線測流系統平臺查詢。該系統為固定、非接觸式，測流時不受定位影響，不受流態影響，能實現遠程下載[1]。

1.2 固定雷達波在線測流系統功能

固定雷達波測流系統是利用3個雷達波測流傳感器采集流速數據，對準測流垂線實測水面流速，3條垂線測流同時結束。流速測量完成后，結合事先測量的水位數據，計算流量，將數據通過有線(無線)電臺等方式傳輸到指定的計算機，傳輸的數據包括此次測量的全部數據，如水位、每條垂線的流速、流量、斷面面積等。

流量的測量模式參數設置在系統控制器內部存儲芯片上，根據需要可修改參數，每次完成測量后，系統控制器將各條垂線起點距、水面流速、當前工作電壓等參數打包發送到中心站。中心站流量計算設備接收到數據后，根據流速流量計算模型、水位面積關系表，計算出斷面實測流量數據。

1.3 固定雷達波在線測流系統結構

固定雷達波在線測流系統分為現場設備(水文測站)、遠程中心站(省中心)、中心水文站三部分。系統通過移動GPRS無線網連接，在水文站安裝工控機，接收由現場通過DTU傳輸的數據，實現對雷達波自動測流系統的遠程控制及數據接收顯示處理(見圖1)。

圖1 雷達波自動測流系統總體示意圖

2 格爾木水文站固定雷達波在線測流系統安裝及日常維護

2.1 格爾木水文站固定雷達波在線測流系統安裝

固定雷達波在線測流系統安裝在格爾木水文站測流斷面的右岸及測橋上。固定雷達波測流系統的控制器、蓄電池、通訊模塊、水位計、視頻監控設備等安裝在監測斷面右岸立柱機箱中；3個雷達波測速探頭均勻布設在測橋上。探頭與水位計用穿線連接；系統控制器和雷達波測速傳感器采用RS485通訊；傳感器的供電由系統控制器控制。需要測流時，系統控制器給雷達波測速探頭供電；完成測流后，系統控制器給雷達波測速探頭斷電(見圖2)。

圖2 雷達波測速探頭及儀器安裝圖

2.2 格爾木水文站固定雷達波在線測流系統日常維護

格爾木水文站固定雷達波在線測流系統日常維護包括以下工作：外觀、螺絲緊固檢查：無機械損傷，各螺絲緊固，防松線無錯位，線纜連接良好；雷達傳感器角度檢查：俯角范圍在30°～60°之間；通信模塊GPRS檢查：發送接收信號正常，供電電壓在0～30V之間；測流軟件運行檢查：軟件能正常啟閉，順利完成流量測驗；；做好運行日志管理記錄[2]。

3 水文中流量測驗標準

3.1 流量定義

流量是單位時間內流過江河某一橫斷面的水量，流量是反映江河、湖泊、水庫等水體水量變化的基本數據，也是河流重要的水文特征值。流量監測方法包括流速面積法、水力學法、化學法和物理法，本文介紹流速面積法。

3.2 流速面積法測流公式

流速面積法測流公式為Q=∑Qi=∑AiVi；通過測算部分流速Vi和部分面積Ai，兩者的乘積為通過該部分面積上的流量Qi；累計即求得全斷面的流量Q=∑Qi。流速面積法流量監測采用流速儀測量斷面水深、測點流速，計算流量。

3.3 流速儀法測驗誤差

由《河流流量測驗規范》(GB50179-2015)知流速儀測驗誤差包括：起點距定位誤差，水深測量誤差，流速測點定位誤差，流向偏角導致的誤差，入水物體干擾流態導致的誤差，停表或其它計時裝置的誤差。

4 格爾木水文站固定雷達波在線測流系統的應用

4.1 斷面選取

固定雷達波測流系統安裝在水流集中，河段較順直的矩形河槽上，河段上有固定過河設施(測橋)，便于固定測速探頭。河床由混凝土組成，平均比降為86.0×10-4，無沖淤變化，斷面穩定。

4.2 資料收集和分析

采用雷達波與流速儀在同斷面，同時間監測流量，2019年11月26日至2019年12月12日共收集實測資料31份。水位變幅在2934.05m～2934.31m之間，流量變幅在7.17m3/s～29.8m3/s之間，基本控制水位和流量變化范圍。雷達波測流傳感器采集流速數據為表面流速(水深為0.0)，流速儀監測流速數據為水深0.6處的平均流速。雷達波監測流量值大于流速儀法監測流量值；應對雷達波監測流量進行改正，確定雷達波測流系數。

據據《水文資料整編規范》(SL247-2012)和《河流流量測驗規范》(GB50179-2015)要求，雷達波測流系數采用算術平均法和圖解法進行分析。

4.2.1算術平均法分析固定雷達波測流系數

雷達波測流系數采用如下公式分析，計算出單次流量比測系數。雷達波系數計算公式為：

Kf=Q實/Q虛

式中:Kf—雷達波水面流速系數；

Q實—斷面實測流量，m3/s；

Q虛—斷面虛流量(雷達波測流流量)，m3/s。

分別計算出個單次雷達波測流系數(見表1)，然后用算數平均法計算出樣本系列的雷達波水面系數系數為0.898。

表1 格爾木水文站流速儀與雷達波測流流量數據

續表1

4.2.2圖解法分析分析固定雷達波測流系數

用流速儀法和雷達波法監測出的流量進行點圖分析，以流速儀監測流量為實測流量(真值)，實測流量為縱坐標，以雷達波監測流量為虛流量，虛流量為橫坐標(見圖3)。通過圖解法得，格爾木水文站雷達波測流系數為0.896，相關系數R2=0.9992，說明兩者相關性高。

圖3 格爾木水文站雷達波測流系數分析圖

對圖3中相關曲線進行符號檢驗、適線檢驗、偏離數值檢驗，結果均合格，標準差為1.1%，系統誤差為0.0%；均滿足《水文資料整編規范》(SL247-2012)要求(見表2)。

表2 流速儀法和雷達波法測流流量相關曲線檢驗表

通過算術平均法和圖解法兩種方法分析，算術平均法系數為0.898，圖解法系數為0.896，說明二者系數基本一致；綜合確定雷達波測流系數為0.90；滿足測驗精度要求。可作為格爾木水文站雷達波測流系數在測驗中使用。

4.3 固定雷達波測流誤差分析控制

固定雷達波測流誤差來源于測量斷面面積和測量流速度產生的誤差，與流速儀測流誤差比較，雷達波測流系統為固定、非接觸式，不受定位、流態影響，可消除起點距定位誤差，流速測點定位誤差，入水物體干擾流態導致的誤差；系統根據實測的水位數據，用水位計算斷面面積，可消除水深測量誤差；系統設定的測流時間為120秒，可消除停表或其它計時裝置的誤差。

雷達波誤差從測量斷面面積和測量流速進行控制。格爾木水文站選取的是矩形斷面，無沖淤變化，根據水位計算斷面面積，能較好的控制斷面面積測驗誤差。雷達波測速探頭測量的是表面流速，運用雷達波與流速儀法測量的數據建立相關關系，運用相關系數進行流速系數改正，控制流速測驗誤差。

通過對雷達波系數分析；符號檢驗、適線檢驗、偏離數值檢驗；測流誤差分析。結果均符合《河流流量測驗規范》(GB50179-2015)和《水文資料整編規范》(SL247-2012)的要求。固定雷達波在線測流系統可以投入格爾木水文站流量監測使用。

5 結語

通過固定雷達波在線測流系統在格爾木水文站的應用，雷達波系數合理；系統監測數據與流速儀法監測數據保持一致，誤差均在《河流流量測驗規范》(GB50179-2015)允許范圍內；相關性較高；測驗數據無須改正，直接使用。該測流系統可在矩形斷面河槽推廣使用。

為偏遠地區的水文工作，實現無人值守向前邁進一步。該測流系統初步投入使用，應加強該測流系統中儀器穩定性和故障排除的研究分析，用好該測流系統，使該測流系統更好的發揮作用，為實現水文現代化提供技術裝備。