攀枝花水文站移動式智能雷達測流系統(tǒng)應用

陳細潤 石永恩

摘要：為研究攀枝花水文站移動式智能雷達測流系統(tǒng)（以下簡稱“雷達測流系統(tǒng)”）與傳統(tǒng)測流方法之間的關系，利用攀枝花站水文纜道流速儀法與雷達測流系統(tǒng)同步比測流量，分析兩種儀器在不同水位級下的流量關系。結果表明：水位994.00 m以上的流量比測成果符合相關規(guī)范要求，可應用于攀枝花站高洪流量在線監(jiān)測；994.00 m以下的流量比測成果隨機不確定度偏大，不符合要求。在水位變化較大時，傳統(tǒng)測流時間較長，影響單次流量測驗精度，而雷達測流系統(tǒng)具有測流時間短、非接觸式、全自動運行、易維護、安全等優(yōu)勢，能彌補傳統(tǒng)測驗方法的缺陷。研究成果可為攀枝花站高洪流量測驗提供新的測驗方法。

關鍵詞：

移動式智能雷達測流系統(tǒng)； 非接觸式； 流量在線監(jiān)測； 攀枝花水文站

中圖法分類號：P335

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.018

文章編號：1006-0081（2023）S1-0061-04

0 引 言

攀枝花水文站是雅礱江匯入金沙江前的重要控制站。受上游11 km處金沙水電站蓄放水影響，攀枝花站水位漲落較大。傳統(tǒng)測流方法耗費時間長，水位變幅大，影響單次流量測驗精度，從而影響水位流量整編定線與相應流量報汛精度。

該站安裝的移動式智能雷達測流系統(tǒng)（以下簡稱“雷達測流系統(tǒng)”）具有測流時間短等優(yōu)勢，能在短時間內完成流量測驗，彌補傳統(tǒng)測驗時間長導致流量精度不高的缺陷。本文利用水文纜道流速儀法與雷達測流系統(tǒng)比測流量，建立兩者之間的關系，確定相關系數(shù)，通過雷達流量換算流速儀測量流量，提高在水位變化較大時流量測驗的精度，為國家防汛抗旱及水資源監(jiān)督管理提供更加科學、準確的基礎數(shù)據(jù)。

1 雷達測流系統(tǒng)

1.1 測流原理

測流系統(tǒng)由雷達小車、控制單元、供電單元、運行纜道和平臺軟件等5個部分構成［1］。雷達小車下的電波流速儀采用多普勒效應原理測流體表面流速。當雷達波與接收體（即探頭和反射體）之間有相對運動時，回聲的頻率有所改變，這種頻率變化稱為頻移，即多普勒效應。當雷達流速儀與水體以相對速度發(fā)生相對運動時，雷達流速儀所收到的電磁波頻率與雷達自身所發(fā)出的電磁波頻率有所不同，此頻率差稱為多普勒頻移。通過雷達發(fā)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［2］，進而計算斷面流量。

1.2 工作方式

攀枝花水文站安裝的雷達測流系統(tǒng)，是一種新型的水面流速監(jiān)測產品，利用兩根水平架設的鋼繩作為雷達小車運行導軌，通過控制單元將用戶設定的測流參數(shù)（如垂線起點距、測流時間等）和測流指令經無線電臺發(fā)送至雷達小車。雷達小車收到指令后，按照指令要求依次運行到各測流垂線位置，啟動雷達流速儀進行流速測量，并及時將流速數(shù)據(jù)通過無線電臺發(fā)送給系統(tǒng)控制單元。控制單元同時采集水位數(shù)據(jù)，完成流量計算，并將流量數(shù)據(jù)通過4G（GPRS）網(wǎng)絡發(fā)送至服務器平臺軟件，從而實現(xiàn)斷面無人值守自動測流［2］。測流完成后，裝載雷達流速儀的小車自動返回儀器室內充電，等待下次測量。

2 流量比測

2.1 比測站點介紹

攀枝花水文站位于四川省攀枝花市東區(qū)大渡口，測流斷面位于金沙江彎道順直段，順直長約1 400 m，斷面呈“U”形（圖1），左深右淺，兩岸為亂石組成，河床為亂石夾沙，斷面變化甚微。河床高、中、低水位控制良好，水位流量關系線多年為單一線，中高水位年際間有一定擺動（圖2）。

2.2 比測方法及要求

比測斷面為攀枝花水文站測流斷面，比測儀器采用雷達測流系統(tǒng)和LS25-3A轉子式流速儀。水位采用攀枝花站自記水位，雷達測流系統(tǒng)已接入攀枝花站自記水位儀，方便讀取與計算流量。

雷達測流系統(tǒng)采用遠程控制的方法進行比測。雷達測流系統(tǒng)共有3種測流方式，攀枝花站根據(jù)不同模式設置相應的參數(shù)，共有3種：① 根據(jù)水位漲落觸發(fā)加測，攀枝花站設置水位漲落±0.30 m觸發(fā)加測；② 定時測量，每天最多測量12組數(shù)據(jù)，設置偶數(shù)整點時間測流，每天至少收集12次雷達流量；③ 遠程控制，登錄網(wǎng)頁即可控制雷達流速儀測流。

雷達測流系統(tǒng)采用流速儀常測法相同的測速垂線，每條垂線測速時長為60 s，進行同步比測，比測時間為2021年7月至2022年6月。根據(jù)GB 50179-2015《河流流量測驗規(guī)范》中第4.1.2條規(guī)定，在高、中、低不同水位（或流量）級下均勻分布比測測次，比測有效次數(shù)不應少于30次。

3 成果分析

3.1 原始資料分析

分析流速儀流量，測驗過程及成果符合相關規(guī)范要求，做好“四隨”（隨測、隨算、隨整理、隨分析）工作，并分析雷達流量數(shù)據(jù)，實測流量6 159次，剔除儀器故障及突出反常測次，不計入比測成果中。

由于雷達測流系統(tǒng)完成一次流量測驗僅需15～21 min，流速儀施測一次流量需要40～60 min，相當于雷達測流系統(tǒng)施測2～4次流量，因此采用雷達多次流量的平均值與流速儀法流量進行對比分析。通過分析比測的原始數(shù)據(jù)，有效比測34次，達到了在高、中、低不同水位（或流量）級下均勻分布比測測次要求。

3.2 關系分析

雷達流速儀距離水面越遠，測速越不穩(wěn)定，攀枝花站雷達流速儀在中低水位時距離水面約10～18 m，中低水流速數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定，根據(jù)攀枝花站水位級劃分，分別建立雷達流量與轉子式流速儀流量高水關系和中低枯水位關系。攀枝花站水位級劃分見表1。

根據(jù)同步比測流量，以轉子式流速儀實測流量為縱坐標、雷達測流系統(tǒng)同步施測流量為橫坐標，以水位994.00 m為界，分別建立中低枯水和高水線性關系。通過數(shù)據(jù)分析，當水位低于994.00 m時，關系式為Q流=0.822 1Q雷，線性關系見圖3。當水位高于994.00 m時，關系式為Q流=0.943 3Q雷，線性關系見圖4。

3.3 關系檢驗

根據(jù)比測建立的相關關系，用率定后的雷達流量與轉子式流速儀流量進行檢驗。按照GB 50179-2015《河流流量測驗規(guī)范》要求，在測站正式投入使用前，將流速儀與各方法所使用的儀器進行比測，使其符合以下條件：比測隨機不確定度不應超過6%，比測條件較差的不應超過7%；系統(tǒng)誤差不應超過±1%，條件較差的不應超過±2%。經檢驗計算，中低枯水隨機不確定度為12.8%，系統(tǒng)誤差為0.48%；高水隨機不確定度為6.4%，系統(tǒng)誤差為0.81%。可知在水位994.00 m以上比測的高水流量符合規(guī)范要求，中低枯水隨機不確定度偏大，不符合比測要求，檢驗成果詳見表2。

4 結 論

（1） 通過比測分析，雷達測流系統(tǒng)實測流量與轉子式流速儀實測流量高水相關關系較好，比測隨機不確定度為6.4%，系統(tǒng)誤差為0.81%，符合《河流流量測驗規(guī)范》要求。但比測樣本較少，可繼續(xù)加強比測。建議高水使用率定系數(shù)0.943 3，通過雷達流量換算為轉子式流速儀流量，以應對攀枝花站突發(fā)高洪時的流量監(jiān)測。需評估每年高水檢驗系數(shù)是否穩(wěn)定，如有變化，需重新比測率定系數(shù)。中低枯水受下游電站施工影響，比測結果不理想，隨機不確定度偏大，不符合要求，可分段繼續(xù)加強比測。

（2） 水位變化較大時，雷達測流系統(tǒng)施測的流量與流速儀實測的流量差異較大。由于雷達測流系統(tǒng)測速受外界條件干擾，建議在比測過程中盡量避開強風、強雷電、水位漲落大等情況。

參考文獻：

［1］ 黃振宇，羅毅，瞿靛.雙軌式雷達波自動測流系統(tǒng)在橫江水文站的應用［J］.珠江水運，2022，553（9）：15-17.

［2］ 蘇楚雄.博白水文站雙軌全自動雷達波在線測流系統(tǒng)比測分析［J］.廣西水利水電，2020，193（1）：61-64，68.