周家河水文站無線遙控雷達波測流系統系數率定分析

鄧云升

（安徽省安慶水文水資源局，安徽 安慶 246000）

針對傳統的河道流量測驗方式落后且效率低，難以適應當前水文測驗點面多廣、任務繁重的新形勢。尤其是周家河水文站位置偏遠，巡測不便，高洪時漂浮物多，采用傳統設備入水測流不安全，應用無線遙控雷達波測流系統（以下簡稱雷達波測流系統）進行流量測驗十分必要。為此，安徽省安慶水文水資源局在周家河站安裝無線遙控雷達波測流系統，通過2019 年、2020 年、2021 年三年汛期運行，對實測資料進行對比分析，率定出準確的無線遙控雷達波測流系統與轉子流速儀的相關系數從而獲得準確的流量顯得極為重要，并且積累一定的雷達波測流經驗，對促進周家河水文站、安慶水文發展具有十分重要的意義。

1 測站基本情況

周家河水文站坐落在太湖縣牛鎮鎮羊河村。長江流域皖河水系河名為長河，測驗斷面集水面積540 km2。屬國家基本站、中央報汛站，大別山區500 km2～1000 km2區域代表站兼花涼亭水庫入庫代表站。

該站測驗河段較順直，主流偏左岸，左右兩岸均為高山。左岸為風化石陡壁，右岸為花崗巖陡壁，無崩塌現象。斷面上游左岸140 m處有兩小溝匯入，下游約20 m處有急灘控制低水。河床由沙礫卵石組成，上游約800 m和下游700 m處均為彎道，無水草現象，漲水時河道內漂浮物較多[1]。

周家河水文站是典型的山區性河流，洪水主要集中在汛期，洪水過程陡漲陡落，洪峰持續時間短。斷面上游約10 km處建有獅子口電站，2 km處建有羊河電站。中高水時河道受自然沖淤變化一定時段內水位流量關系相對穩定，水電站發電來水對低水水位影響較大且水位過程多呈鋸齒狀分布，低水水位流量關系紊亂，全年采用臨時曲線法定線推流。

2 雷達波測流系統介紹

2.1 儀器簡介

無線遙控雷達波測流系統由配套軟件、簡易纜道繩索、儀器探頭、測流控制器、雷達波傳感器、GPRS無線模塊、電源系統等部分組成。

2.2 雷達波測流系統原理與工作方式

無線遙控雷達波測流系統通過儀器自身在纜索上精確移動定位起點距，采用以非接觸方式測量水道斷面上若干條垂線表面流速，繼而得到若干條垂線間斷面平均流速，根據實測的斷面資料來完成斷面流量的計算與傳輸。

3 比測目的

通過實測流量資料，比測分析周家河水文站雷達波在不同水位級施測流量情況，率定雷達波與轉子流速儀系數，驗證雷達波測流系統能否滿足水文規范精度要求，解決周家河站高洪測流問題。

4 比測內容

4.1 率定分析方法

采用轉子式流速儀與無線遙控移動雷達波測流系統同步施測，按照不同水位級布置施測號數，測次分布基本均勻合理。以流速儀流量為縱坐標，雷達波虛流量為橫坐標建立相關關系圖，并進行線性相關性分析[2]。

4.2 率定分析資料的選取

本次率定所選數據為2019 年、2020 年、2021 年汛期多場洪水流速儀流量與雷達波虛流量，共收集35 份流量資料，舍去7 份資料（因測流過程中水位漲落過快或超出轉子流速儀的測驗范圍），余下28 份流量無明顯系統偏離，全部參與率定系數。舍去的突出點原因：①人工觀測水位值與氣泡式水位計水位不同步，當水位漲落急劇時，氣泡式水位計水位數值顯示滯后，誤差大；②部分流量測次受當天順、逆風及風速影響，實測點水位流量關系紊亂。

4.3 率定過程

選取周家河站流量合理的28 份同步比測資料，計算測次相對應的對比系數，建立線性相關圖。率定系數過程見表1～表3、圖1～圖3。

圖1 雷達波測流在線系統示意圖

表1 周家河站2019年轉子流速儀與雷達波比測數據

圖2 周家河站2019年纜道與雷達波數據線性關系圖

表2 周家河站2020年纜道與雷達波比測數據

圖3 周家河站2020年纜道與雷達波數據線性關系圖

表3 周家河站2021年纜道與雷達波比測數據

圖4 周家河站2021年纜道與雷達波數據線性關系圖

4.4 率定系數誤差分析

從上述圖表統計分析得出：兩者相關流量系數范圍在0.60～0.71。采用線性相關法確定2019年、2020年、2021年連續三年線性關系分別為0.6809、0.6863、0.6887，R2分別為0.9960、0.9983、0.9978 全為顯性相關，采用算術平均法取兩位小數為0.69作為流量系數，再過點群中心繪制水位流量關系線，后通過水文測驗中三項檢驗（見表4）。

表4 周家河站流速儀與雷達波流量比測關系曲線檢驗表

周家河站采用流量系數為0.69，進行三項檢驗、標準差檢驗、系統誤差檢驗，結果表明：標準差為2.2%，隨機不確定度為4.4%，系統誤差為-0.7%，參照二類站定線精度要求，所有指標均符合水文規范要求。

5 率定分析結論

該站雷達波流量系數選取0.69合理性較好，符合水文規范要求。雷達波虛流量與流速儀流量的線性相關公式為y=0.69x（y為流速儀流量，x為為雷達波虛流量）。

從上述圖表中可以看出，系數跳動變化較大（0.60～0.71不等），主要是因為：

1）水位低時，河水水質相對較好且流速較小，反射波相對較弱存在一定測驗誤差。

2）雷達波測流系統施測水面流速，受到順、逆風影響。順風施測，流速偏大；逆風施測，流速偏小，所測得流量都有較大誤差。所以，大風天氣不適宜采用雷達波測流，減少風力因素對測驗數據的影響[3]。

根據以上比測結果，雷達波的系數根據水位級使用。根據《周家河站測洪方案》水位級劃分，當水位≥98.00 m 時為高水期；當水位在95.50 m～98.00 m時為中水期；當水位在94.30 m～95.50 m時為低水期；當水位≤94.30 m時為枯水期。因此，當水位≥95.50 m時，周家河站可采用雷達波測流。

6 結語

雷達波測流系統與轉子流速儀系數率定為0.69，線性相關關系顯著，精度滿足水文資料整編要求，解放周家河水文站水文生產力。

該測流系統具有如下優點：①自動化程度高，提高水文資料整編效率。②攜帶、安裝方便，隨裝隨測，維護成本少。③操作人員安全，全天候、測流不受風雨雷電和停電限制。④雷達波測流系統最大優點是非接觸式測驗，避免漂浮物和高泥沙影響，很好的替代浮標法測流，減少勞動成本。

實踐發現，該儀器美中仍有不足：①儀器自身運行內存不大，高洪時測流時間相應縮短到30秒以下才能正常運行，不符合水文測驗規范的要求。②配套軟件易崩潰、穩定性差，雷達波行車超過100 m時，信號傳輸差。③雷達波測驗成果中數據的部分進位不符合水文規范的要求，需要完善。④流量易受風速影響，實測流量點分布離散。

該儀器在周家河水文站的成功應用，為山區性水位陡漲陡落河流提供了技術支撐和經驗儲備，對促進安慶水文的發展具有重要的意義。