超高頻雷達在河流在線測流中的應用探討
——基于蘭溪水文站的案例分析

黃 健 ，方益銘，李三平，謝景濱， 陳 容

（1.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009；2.廣州和時通電子科技有限公司，廣東 廣州 511447）

1 問題的提出

河流的實時流量是水文、水資源管理及水利工程中的重要資料，是智慧水文建設中的重要內(nèi)容。水文信息化依靠傳統(tǒng)的水文測驗方法如垂線法、轉子流速法，是難以實現(xiàn)的[1]。近年來，隨著國內(nèi)水文行業(yè)的發(fā)展及國外先進測流技術的引進，聲學多普勒測流系統(tǒng)（H-ADCP）廣泛應用于河流流量測驗中，解決了實時測量問題，測驗精度高[2]。然而ADCP 需安裝在水下，易受到水體中高沙或漂浮物影響，同時由于儀器長期置于水中，易附著水生生物，維護成本較高。

為了解決泥沙含量過大、漂浮物過多等情況下，河流流量的在線測量問題，超高頻雷達測流系統(tǒng)產(chǎn)生并投入使用。超高頻雷達測流系統(tǒng)通過雷達掃描計算江河表面流速，并根據(jù)提供的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，通過水位、過流面積、斷面表面流速比的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡合成，完成惡劣天氣、高水位、復雜水體、應急測量等特殊情況下的流量監(jiān)測，進一步滿足流量實時在線監(jiān)測的需求[3-6]。

2 超高頻雷達測流介紹

2.1 測流原理

目前測流常用的K 波段雷達系統(tǒng)，主要是利用目標對電磁波的反射（或散射）現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)目標并測定其位置和速度等信息。雷達利用接收回波與發(fā)射波的時間差測定距離，利用電波傳播的多普勒效應測量目標的運動速度，并利用目標回波在各天線通道上幅度或相位的差異判別其方向。

超高頻雷達測流系統(tǒng)利用UHF 波段進行測流時，用到Bragg 散射理論（見圖1）。當雷達電磁波與其波長1/2 的水波作用時，同一波列不同位置的后向回波在相位上差異值為2π 或2π 的整數(shù)倍，因而產(chǎn)生增強性Bragg 后向散射。

圖1 Bragg 后向散射基本原理圖

當水波具有相速度和水平移動速度時，將產(chǎn)生多普勒頻移。在一定時間范圍內(nèi)，實際波浪可以近似地認為由無數(shù)隨機的正弦波動疊加而成。這些正弦波中，必定包含有波長正好等于雷達工作波長1/2、朝向和背離雷達波束方向的2 列正弦波。當雷達發(fā)射的電磁波與這2 列波浪作用時，二者發(fā)生增強型后向散射。朝向雷達波動的波浪產(chǎn)生一個正的多普勒頻移，背離雷達波動的波浪產(chǎn)生一個負的多普勒頻移。多普勒頻移的大小由波動相速度決定。由于重力影響，一定波長波浪的相速度是一定的。在深水條件下（即水深大于波浪波長l的1/2）波浪相速度vp滿足式（1）定義：

式中：vp為波動相速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；l為波浪波長，m。

由相速度產(chǎn)生的多普勒頻率為：

式中：f0為雷達頻率，MHz；fB為多普勒頻率，Hz；λ為雷達發(fā)射電磁波的波長，m。

這個頻偏就是Bragg 頻移。朝向雷達波動的波浪將產(chǎn)生正的頻移（正的Bragg 峰位置），背離雷達波動的波浪將產(chǎn)生負的頻移（負的Bragg 峰位置）。在無表面流的情況下，Bragg 峰的位置正好位于式（2）描述的頻率位置。當水體表面存在表面流時，上述一階散射回波所對應的波浪行進速度便是河流徑向速度加上無河流時的波浪相速度。即：

式中：為波浪行進速度，m/s；為河流徑向速度，m/s；為波浪相速度，m/s。

此時，雷達一階散射回波的幅度不變，雷達回波的頻移為：

式中：Δf為雷達回波頻移，Hz。

通過判斷一階Bragg 峰位置偏離標準Bragg 峰的程度可計算出徑向流速。

超高頻雷達測得斷面的表面流速（代表流速），通過建立斷面平均流速與代表流速的關系，再將斷面平均流速乘以斷面面積，即為測量斷面的瞬時流量數(shù)據(jù)。

2.2 適用范圍

超高頻側掃雷達測流系統(tǒng)目前可應用于單站式測量系統(tǒng)和雙站式測量系統(tǒng)（見圖2）。其中單站式測量系統(tǒng)安裝在河流一側，可監(jiān)測到的斷面寬度為30～500 m，數(shù)據(jù)輸出為斷面徑向流速圖；而分裝兩岸的雙站式測量系統(tǒng)，最大測量范圍可達800 m，并且可獲得測量范圍的表面矢量流場圖。超高頻側掃雷達RⅠSMAR-U 可應用于以下河流的流量監(jiān)測中：

（1）未建設纜道，無法使用傳統(tǒng)方法進行流速流量測驗的河流；

（2）含沙量或者水下漂浮物過多，影響H-ADCP 測量精度的河流；

（3）需要測量河流流速以及流暢動態(tài)變化的河流；

（4）包含航道且走航ADCP 或者流速儀無法進行流量測驗的河流；

（5）河流數(shù)據(jù)寬淺，無法應用H-ADCP 測量的河道；

（6）超大洪水河流。

圖2 超高頻雷達測量系統(tǒng)示意圖（雙站式）

3 蘭溪水文站應用分析

3.1 測站特性分析

蘭溪水文站是國家基本水文站，是錢塘江中游控制站，下游70 km 有富春江水力發(fā)電廠（日調節(jié)），上游2 km 是三江口，受富春江大壩影響，回水可達三江口上游。正常水位下，水面寬約380 m，上游380 m 有蘭江大橋，下游450 m 有鐵路大橋，下游1 200 m 有金角大橋，流域面積18 233 km2。

目前蘭溪水文站的流量測驗采用纜道流速儀和走航式ADCP 等儀器設備。

3.2 系統(tǒng)組成及設備參數(shù)

3.2.1 設備組成

蘭溪水文站安裝的超高頻雷達RⅠSMAR-U 測流系統(tǒng)由1 個現(xiàn)場野外站和1 個中心站組成（見圖3）?，F(xiàn)場野外站包括收發(fā)天線、雷達主機、計算機和軟件子系統(tǒng)，中心站包括計算機、中心站軟件子系統(tǒng)。技術參數(shù)見表1。

圖3 超高頻雷達RISMAR-U組成設計圖（左）及實物圖（右）

表1 超高頻雷達RISMAR-U 技術參數(shù)表

續(xù)表1

3.2.2 測站安裝方案

（1）站點選址：按照水文相關規(guī)范要求，測流斷面選址要求順直，河床穩(wěn)定，水流集中，GPRS 網(wǎng)絡信號較為穩(wěn)定通暢，便于進行數(shù)據(jù)傳輸。蘭江寬度約400 m（＜500 m），在蘭溪水文站一側河岸安裝1 套單站式雷達，即可實現(xiàn)河道斷面的全覆蓋監(jiān)測。經(jīng)過謹慎嚴格的選址，最后選擇在水文站上游約100 m 的位置建站。

（2）供電系統(tǒng)：蘭溪水文站具備使用220 Ⅴ交流電的條件，雷達系統(tǒng)安裝完成后，使用射頻線纜連接天線和機箱，接入220 Ⅴ交流電。

（3）測量區(qū)域選擇：單站式超高頻雷達系統(tǒng)理論上可實現(xiàn)全斷面表面流速測量，但由于靠近對岸的斷面部分回波信號容易受到外界環(huán)境干擾，為提高系統(tǒng)準確性，超高頻雷達指標流速設置測量范圍為距起點40～200 m 區(qū)域。

（4）安裝情況：蘭溪水文站超高頻雷達系統(tǒng)于2019年6 月5 日完成安裝調試并接入系統(tǒng)，后續(xù)接入在線流量監(jiān)測綜合平臺，符合SL 323—2005《實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結構與標識符標準》及SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求，適用于南方片數(shù)據(jù)資料整編自動后處理軟件，能與現(xiàn)有系統(tǒng)充分兼容，可用水情信息交換系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)轉發(fā)等功能。

3.3 比測率定和校驗

蘭溪水文站采用纜道流速儀數(shù)據(jù)與超高頻雷達在線測流系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進行率定分析，以超高頻雷達施測的代表流速（V代表）與纜道測流所測流量計算出的平均流速（V平均）建立相關關系。超高頻雷達測流系統(tǒng)的測速間隔為5 min，為實現(xiàn)超高頻雷達與實測流速時間同步，代表流速選取纜道測流時間段區(qū)間內(nèi)超高頻雷達測量流速數(shù)據(jù)的平均值。

本次率定分析資料的獲取時間段為2019 年7 月4日—9 月20 日，共38 份纜道測流數(shù)據(jù)資料參與率定，實測流量變幅為138～10 800 m3/s，流速變幅為0.09～2.32 m/s，水位變幅2.70～10.34 m。本次V代表—V平均相關公式為：y=0.2x2+0.568 3x+0.064 3（見圖4）。

圖4 蘭溪水文站在線流量監(jiān)測系統(tǒng)率定關系圖

4 討 論

4.1 準確性及合理性分析

4.1.1 準確性分析

為了進一步判斷超高頻雷達在線測流系統(tǒng)流速定線準確情況，根據(jù)定線計算的定線合格率y=0.2x2+0.568 3x+0.064 3，定線相對誤差精度≤15%的合格率達到97.06%，滿足水文整編規(guī)范定線和精度要求（見表2）。對V代表—V平均關系線進行三線檢驗分析，定線精度指標參照SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》，符合規(guī)范要求。

表2 合格率分析計算表

4.1.2 合理性分析

選取率定期間高中低代表水位、常規(guī)纜道測流法實測流量數(shù)據(jù)與超高頻雷達在線測流系統(tǒng)的35 組流量數(shù)據(jù)進行合理性對比驗證分析（見圖5）。在流量變幅為138～10 800 m3/s，流速變幅為0.09～2.32 m/s 范圍內(nèi)，超高頻系統(tǒng)計算流量過程線跟常規(guī)纜道測流法實測流量過程線高度重合，且與水位變化過程一致，并未觀察到數(shù)據(jù)的跳變等現(xiàn)象，跟河流變化規(guī)律相符，超高頻雷達測流代表流速推流成果合理，數(shù)據(jù)可用。

圖5 蘭溪洪水過程水位流量過程線圖

4.2 應用情況分析

4.2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

蘭溪水文站于2019 年5 月引進超高頻雷達在線測流系統(tǒng)，6 月完成現(xiàn)場安裝調試，開始試運行。在安裝試運行期間，系統(tǒng)設定每5 min 出具1 組流量數(shù)據(jù)。率定期間，系統(tǒng)實現(xiàn)24 h 實時在線連續(xù)采集流量數(shù)據(jù)，具有良好特性。

（1）儀器設備硬件穩(wěn)定無故障。率定期間，系統(tǒng)硬件設備未出現(xiàn)故障情況，整體穩(wěn)定性良好。在雷擊暴雨等惡劣天氣情況下儀器能夠正常運行，具有較強的抗環(huán)境影響能力。

（2）數(shù)據(jù)表現(xiàn)平穩(wěn)。雖然超高頻雷達天線與河流流向具有一定的角度，但是回波強度變化過程線未發(fā)現(xiàn)突變或間斷情況，趨勢較平穩(wěn)。

（3）抗洪水沖擊能力強。在洪水期間，探頭所在位置漂浮物較多，河流含沙量較大，流速較大，受水流沖擊，天線在風力等作用下擺動幅度為0.0°～1.5°，儀器能夠抵抗洪水沖擊，滿足洪水監(jiān)測的需求。

4.2.2 應用成果分析

超高頻側掃雷達RⅠSMAR-U 系統(tǒng)的每組流量數(shù)據(jù)，通過14 份流場數(shù)據(jù)（見圖6）篩選得出，相對于ADCP 或者雷達系統(tǒng)，獲取的數(shù)據(jù)量及細節(jié)更多。從圖6 可看到部分數(shù)據(jù)缺失，可能是由于現(xiàn)場水面船只和漂浮物對信號的影響[6]。目前蘭溪水文站優(yōu)化了數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)，通過回波信號的差異區(qū)分水面船只和漂浮物，進而通過算法過濾掉這些物體對水體流速測量的影響。

圖6 蘭溪站超高頻雷達測流系統(tǒng)流場數(shù)據(jù)圖

在應用過程中，過大的風速會導致雷達天線不同頻率的擺動或者震動，如果震動頻率跟雷達波頻率相近則會影響雷達波信號，且超高頻雷達測量的是水下7 cm 左右重力波的運動速度，風速可能對數(shù)據(jù)造成一定的影響[6-8]。

5 結 語

由超高頻雷達RⅠSMAR-U 系統(tǒng)在蘭溪水文站的應用可知，超高頻雷達是一種先進、技術含量高的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)精度能夠達到水文規(guī)范的要求，可滿足在線測流24 h 無人值守自動化智能化測流要求。

系統(tǒng)非接觸式安裝，日常運行成本低、維護少、快捷、實時監(jiān)測，能夠解決泥沙含量過大、水下漂浮物過多等情況下流量的在線測量問題，可作為一種新型可靠的測量技術在浙江省乃至全國水文站推廣應用，全面提高水文測報的自動化智能化水平。

超高頻雷達系統(tǒng)測流數(shù)據(jù)會受到現(xiàn)場水面的船只、漂浮物或風速等影響，但是通過數(shù)據(jù)后處理的篩選疊加，能夠獲取更合理的數(shù)據(jù)。