東至（二）水文站側掃雷達比測分析

張若野

（安徽安慶水文水資源局,安徽 安慶 246000）

1 測流概況

1.1 測站特性

東至（二）水文站位于安徽省池州市東至縣堯渡鎮樟樹村。東至（二）水文站于1958年6 月設立,原名為至德站,1972年改稱東至站,2001年1 月由堯渡鎮金家湖村下遷4 km 至堯渡鎮汪廟村,改稱東至（二）站,控制面積由原451 km2變為458 km2。為皖南山區200 km2~500 km2代表站,國家基本站、省級重要站、二類精度站,具有防汛抗旱、水資源管理、水質監測、墑情監測、地下水監測等功能。工作任務包括降水、蒸發、水位、流量、水質、墑情、水文調查等。

本站測驗河段較順直,河床為巖石組成,穩定無分流,基本水尺斷面為梯形,水面寬變幅100 m~180 m。測驗斷面左岸為206 國道,右岸為護城堤?；舅邤嗝嫔嫌?42 m 處有一公路橋,高水期間河道漂浮物過多或纜道不能正常運行時,采用在公路橋上電波流速儀施測流量；上游3.0 km 處有一蓄水發電站,蓄水壩壩頂高20.03 m。下游3.8 km 處有一橡膠充氣壩,對測站起低水控制作用。

1.2 雷達安裝位置

側掃雷達在本站的安裝地點為岸邊,水泥澆筑基礎,見圖1,供電方式為交流220 V 轉直流12 V,安裝位置的高程為22 m。

2 比測數據說明

2.1 數據來源

此次比測使用數據來源于2021年3 月1 日13 時~2022年8 月25 日15 時期間側掃雷達運行數據。

2.2 數據初步分析

側掃雷達數據于2021年3 月1 日13 時~2022年8 月25 日15 時期間,在202年3 月17 日 13:08,水位為17.83 m,出現最大流量,最大流量為1175 m3/s,對應平均流速為2.67 m/s,在2021年8 月8 日 16∶30，水位為14.4 m，出現最小流量為3.06 m3/s，對應平均流速為0.23 m/s,雷達在測流期間水位動態范圍見圖2。

圖2 水位動態范圍圖

2.3 數據完整度

實時數據完整率為實際接收數據數量與預期數據接收數量的比值,表示了實時數據是否完整。本次側掃雷達數據提供了10 min 平均值統計數據,每10 min 包含20 個測距段,各測距段的數據量、完整率見表1。

探測距離/m 實際數據量/個 預期數據量/個 完整率/%12 69443 76764 90.46 22 69443 76764 90.46 32 69443 76764 90.46 42 69443 76764 90.46 52 69443 76764 90.46 62 69443 76764 90.46 72 69443 76764 90.46 82 69443 76764 90.46 92 69443 76764 90.46 102 69443 76764 90.46 112 69443 76764 90.46 122 69443 76764 90.46 132 69443 76764 90.46 142 69443 76764 90.46 152 69443 76764 90.46 162 69443 76764 90.46 172 69443 76764 90.46 182 69443 76764 90.46 192 69443 76764 90.46 202 69443 76764 90.46

2.4 數據缺測說明

側掃雷達在實際運行過程中會受到外部環境（水文站斷電、人工調試）以及內部環境（路由傳輸）等影響,導致雷達出現數據缺失現象。經統計分析,東至站共缺失7321 組數據,均非單一時段缺失數據,為傳輸不穩定導致以及斷電所致。

3 測掃雷達數據分析

3.1 流量計算方法說明

側掃雷達測流系統軟件利用流速面積法進行斷面流量的計算,依據布拉格散射和多普勒原理得到各距離段表面流速分布,加上已知的河流橫截面及根據測站自記水位計查得相應水位,從而算出河流流量。側掃雷達測流系統的默認水面系數設置為“1”。采用《河流流量測驗規范》均勻浮標法的流量計算方法,把實測表面流速當做浮標流速,逐條測段累加：部分平均流速、部分面積、部分流量。斷面流量的計算方法與流速儀法測流計算方法相同。具體計算公式如下。

式中：Q為雷達流量；

3.2 雷達數據篩選

2021年3 月1 日13 時~2022年8 月25 日15 時 期 間,側掃雷達有效數據共69443 條,無效數據7321 條（因設備調試,狀態調整,斷電等原因）,數據到達率為90.46%。另外,統計同一時間段不同探測距離信號強度,依據河流斷面最深處信噪比為參考,信號強度小于80%數據,應給予剔除,剔除后數據占比為91.49%。信號強度分布見圖3。

3.3 雷達數據成果

3.3.1 過流面積分析

選用2021年3 月1 日13 時~ 2022年8 月25 日15 時期間共69443 組自動測流實測數據,繪制水位過流面積見圖4,可以看出,Z~A 關系曲線近似于一條直線。

3.3.2 流量成果

本報 告 選用2021年3 月1 日13 時~2022年8 月25 日15 時期間共69443 組數據繪制雷達流量散點圖,見圖5。從水位流量散點圖可以分析出,低水下因受橡膠壩蓄水頂托影響,流量分布較為離散,洪峰時出現繩套型水位流量關系曲線。

3.3.3 流速成果

考慮到流量計算結果受流速的影響,需進一步對流速分布及可信度進行分析,從大斷面圖可以看出,左岸（近端）,右岸（遠端）為防洪堤,見圖6。從圖7 雷達流速分布圖可以看出,在近半年的水位最大流速出現在80 m 處,參考大斷面圖可以看出,該條河流的最深處大約在40 m~140 m 左右,與現場實際情況相符。

圖6 大斷面圖

圖7 雷達流速分布圖

參照雷達水位流量散點圖,對水位流速關系進行分析,結果見圖8,從圖中可以看出,流速水位關系基本與流量水位關系一致,符合實際情況。

圖8 水位流速散點圖

4 比測數據分析

選取人工測流時段雷達流量均值比對,采取回歸方法進行率定,建立兩種測驗方法的流量相關關系,繪制流量關系曲線,最終確定待率定測流系統相關方程式（系數）,以達到推求流量過程的目的[1]。

側掃雷達測流系統的水面系數設置為“1”。采用《河流流量測驗規范》均勻浮標法的流量計算方法,把實測表面流速當做浮標流速,逐條測段累加,包括部分平均流速、部分面積、部分流量。斷面流量的計算方法與流速儀法測流計算方法相同。

具體比測方法：根據測站每次測驗的起始時間、結束時間,選取對應時間內側掃雷達所有測次的流量均值進行比測。利用線性回歸分析方法建立流量關系模型,通過比較各模型可決系數（R2）,判斷最優雷達虛流量與斷面流量關系方程式（系數）,最終根據水文整編資料規范相關要求,以人工測得流量作為真實值,計算率定后雷達流量得系統誤差以及隨機不確定度,檢驗模型精度。

4.1 人工實測數據選取

（1）資料收集的時間范圍

從2021年5 月10 日00∶00 至2022年8 月17 日9∶00。

（2）資料收集的水位、流量及代表性

考慮到測站存在頂托回水情形,雷達在低流量,低流速測驗誤差較大,達不到比測要求,選用人工實測流量數據大于50 m3/s 進行比對分析,共計53 組。

4.2 雷達比測數據選取

1）資料收集的時間范圍。從2021年3 月1 日13∶00 至2021年8 月25 日15∶00。

2）資料收集的水位、流量及代表性。全部69443 組雷達實測測流數據,涵蓋低、中、高水位。

4.3 比測分析

選取人工實測對應時間側掃雷達測流均值,兩者比測系統誤差為26.49%。從圖9、圖10 可以明顯看出,雷達測得流量與人工測得流量整體趨勢吻合,但是雷達測得流量偏大,因為雷達測得為表面流速,與實際情況相符。雷達測得虛流量需進一步率定。

圖9 水位流量散點圖（率定前）

圖10 流量對比折線圖（率定前）

4.3.1 雷達成果數據關系率定

考慮到側掃雷達實測虛流量為河流表面流量,相較斷面流量偏大,故需對側掃雷達實測數據進一步率定。取東至站人工測得斷面流量與對應雷達虛流量建立線性回歸關系模型,率定結果見圖11。從率定結果可以得出,雷達和人工實測率定系數為Q率定= 0.8111Q雷達-4.007,擬合度為0.998,兩者相關性較高。雷達與人工水位流量散點和折線圖見圖12、圖13,可以看雷達率定以后,與人工實測基本吻合,相對誤差穩定在5%左右。

圖11 水位流量擬合圖

圖12 水位流量散點圖（率定后）

圖13 流量對比折線圖（率定后）

4.3.2 誤差評價

根據中華人民共和國《河流流量測驗規范》2.4 章節中關系曲線檢驗標準[2],對側掃雷達關系曲線分別做符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗。計算其與東至站實測流量的相對誤差,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：

隨機不確定度：X'Q=2Se

式中：Qi為側掃雷達率定流量；Qci為東至站實測流量。

根據以上所繪制的關系曲線,依據《水文資料整編規范》進行曲線檢驗,二類精度站單一曲線法系統誤差在±1%以內,隨機不確定度在10%以內[3]。雷達系統誤差0.17%,標準差4.53%,隨機不確定度9.05%,雷達測得為表面流速,可參照浮標法測流定線,隨機不確定度可增大2%~4%,滿足二類精度站要求。

5 結論

本文使用2021年3 月~2022年8 月期間雷達實測數據同人工實測數據進行比測,得到如下幾點結論：

1）系數率定成果。基于現有數據比測,以人工實測為真值,同對應時段側掃雷達流量均值比測,在流量大于50 m3/s以上時,擬合出關系線方程為：Q率定=0.8111 Q雷達-4.007,其中,Q率定為雷達率定流量,Q雷達為雷達虛流量。

2）三項檢驗。雷達比測系統誤差0.17%,標準差4.53%,隨機不確定度9.05%,雷達測得為表面流速,可參照浮標法測流定線,隨機不確定度可增大2%~4%,滿足二類精度站要求。