澇峪口水文站單軌全自動雷達波在線測流系統對比分析

靳 君

(西安水文水資源勘測中心，西安 710100)

1 基本情況

1.1 測站流域概況

澇峪口水文站處于黃河流域渭河水系澇河流域干流右岸，是澇河流域中游代表控制站，該站位于西安市扈邑區澇峪旅游管委會教場村譚廟組，E108°31′55″，N34°01′02″，屬國家基本站點。水文站以上集水面積為347km2，距河口40km。從1944年4月設立至今已有76年多歷史。測驗河斷基本順直，區間無支流加入和流出，監測斷面水面寬約為100m，斷面形態呈“U”形。河床由大小卵石組成，沖淤變化不大，上游500m處河道彎曲，下游150m處河道彎曲并擴展。低水時左岸出現淺灘，主流偏右岸。屬于不經常性沖淤斷面。三個斷面間距50m，基本水尺斷面兼下比降斷面，架設閉口式鉛魚纜道一座，基下3m處架設單軌全自動雷達波在線測流纜道一座。

澇峪口水文站測驗項目有降雨、蒸發、墑情、水位、流量、泥沙。根據實測資料結果得出該站實測最大流量624m3/s(1987.8.3)，實測最小流量0.006m3/s，多年平均徑流量1.087億m3，多年平均降水量802.9mm。多年流量資料顯示，水位流量關系曲線相對穩定。

1.2 單軌全自動雷達在線測流系統產品介紹

單軌全自動雷達波在線測流系統用在河道流速和流量在線監測，通過在測流斷面上架設簡易纜道，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。可根據設定時間自動完成測速垂線點流速測量，測量完成后自動進行計算；也可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，測量完成后自動進行流量計算；可實現遠程流速、流量的在線測量[1]。

雷達流速測量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)之間有相對移動時，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發生移動時，發出的和接收的電磁波頻率產生電磁波頻率差，也就是多普勒頻移。通過計算頻率差得到流體表面的流速。

系統組成由測站設備、服務器管理軟件及中心水文站軟件3部分構成。

1)測站設備：測站簡易纜道、測流控制器、雷達流速傳感器、自動行車、水位計、無線通信模塊、太陽能供電系統、附屬傳感器。

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。移動電腦可裝服務器管理軟件，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數據庫中的測站數據，在計算機上分析處理，生成水文報表。

2 全自動雷達波在線測流系統比測資料的收集

2.1 資料選用

根據澇峪口水文站2017年-2018年實測流量和雷達流量計在線系統實測流量數據，篩選出同一時刻的流量數據37次，進行比測分析。

2.2 資料一致性分析

依據流速儀與雷達流量計同步比測資料，進行比測分析。

2.3 資料合理性檢查

測流結束后檢查測量記錄，輸入計算機計算，嚴格執行“四隨”工序，比測資料計算正確無誤，通過資料審查驗收，精度較高。

3 全自動雷達波在線測流系數分析計算

根據《河流流量測驗規范》(GB 50179-93)和《水文資料整編規范》等相應規范的有關技術要求，用流速儀法實測流量與雷達流量計法實測流量比值。依據《河流流量測驗規范》GB50179-93第4.8.6條流速系數的確定應符合下列規定：暢流期水面流速系數應由多點法測速資料或其他加測水面流速的資料分析確定。

3.1 雷達流量計系數分析方法

3.1.1 均值法

用雷達流量計測到的水面流速代替垂線平均流速計算出虛流量，再與旋槳流速儀測出的流量相比較，計算出各測次的系數，再計算出系數平均值，即為所求雷達流量計系數，雷達流量計系數計算見表1。

計算公式如下：

(1)

(2)

分析計算結果見表1。

表1 澇峪口(三)站雷達流量計系數計算表

根據2017年—2018年37次比測資料，經分析計算雷達流量計系數為0.72。

3.1.2 回歸方程法

依據2017年-2018年比測資料，采用回歸方程法計算雷達流量計系數，回歸方程為y=0.76x，相關系數為0.76，相關關系為0.98。其相關點據比較密集，分布成一帶狀。見圖1。

3.1.3 雷達流量計系數的確定

通過對澇峪口站雷達流量計比測資料進行分析，分別采用均值法和回歸方程法進行分析計算，均值法系數為0.73；回歸方程法系數為0.76，兩種分析方法結果相近，綜合兩種分析計算結果，雷達流量計系數確定為0.74。

3.2 全自動雷達波在線測流系數評定

3.2.1 相關曲線的三項檢驗

對建立的相關曲線進行三項檢驗，即符號檢驗、適線檢驗和偏離數值的合理性檢驗，符號檢驗顯著性水平α選用0.25，適線檢驗顯著性水平α選用0.10，偏離數值顯著性水平α選用0.20。經計算相關曲線的標準差為9.15，隨機不確定度為18.3，系統誤差為2.2，檢驗結果滿足中華人民國行業標準SL247-1999《水文資料整編規范》2.3-2.4要求。標準差計算見表2。

表2 澇峪口(三)站雷達流量計系數標準差計算表

續表2 澇峪口(三)站雷達流量計系數標準差計算表

3.2.2 全自動雷達波在線測流系數質量評定

澇峪口站雷達流量計系數確定為0.74，利用該站2017年-2018年比測資料進行合理性檢驗，檢驗結果基本滿足規范要求。

最大誤差16.45%，最小誤差0.02%，誤差<10%，合格率為70.0%。檢驗分析結果表明，雷達流量計性能比較穩定，操作方便，測量精度高，可以代替浮標法進行中高水流量測驗。測驗質量滿足水文規范要求，該儀器可作為水文站的流量在線監測設備[2]。

采用系統誤差和隨機不確定度來進行誤差評價，計算公式如下：

式中：Qi為雷達流量計虛流量；Qci為斷面流量。

雷達流量計系數誤差統計，見表3。

表3 澇峪口(三)站雷達流量計系數誤差計算表

續表3 澇峪口(三)站雷達流量計系數誤差計算表

根據《河流流量測驗規范》GB50179-93第4.1.4條規定，二類精度站單次流量測驗允許誤差中高水位及總隨機不確定度<12%，系統誤差在1-2%內，本次分析比測成果均滿足規范要求。

4 結 語

通過澇峪口水文站全自動雷達波在線測流系統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、操作簡單、連續性強、安全指數高等特點，它不但可以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常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測驗方式，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[3]。