雷達流量計（RG-30）在渠道站中的應用

摘 要：為探索雷達流量計在鑒江流域流量測驗中的應用條件和應用范圍，在鑒江流域上游曹江大拜水文站使用雷達流量計與常規測流方法進行比測率定。根據大拜水文站測驗條件，本文主要討論在渠道斷面條件下，雷達流量計的應用及比測效果，旨在為雷達流量計在渠道的流量測驗提供參考。

關鍵詞：雷達流量計；率定；渠道；曹江

中圖分類號：TV 21" " 文獻標志碼：A

隨著現代化建設不斷推進，流量測驗斷面越來越多，但水文職工的數量并沒有增加，使流量在線監測需求逐漸增大，一些學者對流量自動監測進行了研究，徐立[1]研究了測掃雷達在黃尾河水文站的應用，有效提高了測站自動化水平。孫正熙[2]在高州水文站進行了H-ADCP比測，有效解決了受水利工程影響的流量自動監測問題。牛萌萌[3]在超聲波時差法的引用中進行了誤差矯正，有效提升了測驗精度。莊小冰[4]將引用在海洋中的深層析運用到河道中，實現了流量、流速、溫度的實時監控，傳統的流量在線監測，例如ADCP法、時差法、測掃雷達等受斷面因素、河道特征、泥沙情況、成本較高等影響，覆蓋難度較大，而雷達流量計具有成本低、測流歷時短、不接觸水體、不擾動流產等優點，雖然受表面流速脈動的影響較大，但在渠道站這種水流集中斷面具有明顯的應用優勢。

1 雷達流量計工作原理和技術指標

雷達流量計的工作原理與電波流速儀類似，采用多普勒頻移測量的方式來確定待測點的速度，其傳感器探頭既是發射器又是接收器。本次率定分析采用奧地利Sommer公司生產的型號為RG30-T的測速探頭。RG30-T的外殼是由防水材料構成并自帶防雷裝置，確保探頭可以在不同天氣條件下正常工作。該測流系統受頻率和波長的限制，最小波長為3mm，流速測量范圍為0.3m/s～15m/s，流速測量距離為0.5m～35m，流速的測量精度為±0.02m/s或讀數的1%，流速分辨率為1mm/s。

在測速過程中，雷達探頭發射某一固定頻率的超聲波，該超聲波經水體反射被雷達探頭接收。假設雷達探頭測驗出的水面起伏可以代表附近區域表面水體的流速，當水體的移動方向靠近雷達探頭時，其接收到的回波頻率會高于發射時的頻率；當水體的移動方向遠離雷達探頭時，其接收到的回波頻率會低于發射時的頻率，通過計算超聲波發射時和接收時的頻率差得到頻移數值[5]。

本文采用指標流速法的方式開展流速率定，通過建立雷達流量計測量流速與斷面平均流速的關系實現流速自動監測，結合斷面測量成果完成流量計算。實際應用中根據斷面的具體情況可采用單點直接推求或多點加權平均推求。本次率定分析所在斷面為發電渠道，斷面穩定形狀規則，采用單點流速進行流量推求。

2 比測試驗概況

2.1 大拜站概況

曹江是鑒江一級支流，發源于高州馬貴雞籠頭蘭逢嶺，在高州的帥堂以下5km六羅合叉口匯入鑒江。全長100km，流域面積874km2，總落差870m，平均坡降2.76‰。流域內多年平均降水量2105mm，1960年中游興建石骨水庫（高州水庫的組成庫），控制集雨面積509km2，占流域面積的58.0%，總庫容5.12億m3，本次比測選擇曹江上游大拜水文站開展雷達流量計比測率定。

曹江屬亞熱帶季風氣候區，年降水量較多，汛期為4—10月，每年降雨多集中在汛期，約占全年降水量的85%。降雨主要分為峰面雨和臺風雨，因此降水有明顯的前后汛期之分，前汛期（4—6月）主要是西南低空急流暴雨和鋒面雨，后汛期（7—10月）的降雨以臺風雨為主。

大拜水文站是高州水庫進庫站，屬于二類精度的水文站，集水面積394km2。大拜（渠道）站為大拜水文站流量測驗輔助站點，用于推算枯水期曹江流量，建立于1972年1月，在基本水尺斷面水位下游232m處，當基本水尺斷面水位低于96.26m時，水流無法經過基本斷面下游攔河壩，在渠道站進行測流，受上游閘門開關和下游大拜電站蓄放水的影響。通過分析2005—2023年的資料，渠道引水流量基本在0.00m3/s（渠干）～23.0m3/s，實測最大流量29.4m3/s（2016年），最小流量0.50m3/s（2014年），最大流速1.99m/s（2016年），最小流速0.16m/s（2014年）。

在經過多年的測驗摸索后，大拜（渠道）站最終確立以功率-流量關系線法推求渠道流量，但由于渠道上游閘門改建，電站發電情況復雜，人員變動導致發電功率記錄不清晰，水位流量關系混亂，需要耗費大量人力物力開展流量測驗，為有效解決流量測驗困難，經比較分析，考慮大拜（渠道）站測流條件，引入雷達流量計進行流量自動監測。

2.2 率定斷面基本情況

大拜（渠道）站斷面為大拜站低水輔助測流斷面，為推求枯水期高州水庫入庫流量所建。大拜渠道為人工開鑿發電所用，全斷面均為混凝土澆筑而成，測驗斷面順直規整，下游約1km為大拜電站，在枯水期也具有較大流速。水位臺設在左岸，設有流速儀測流斷面，水流與斷面垂直，斷面穩定形狀呈“口”型。

2.3 安裝位置選擇

通過非接觸式雷達測量的具有較好代表性的局部流速（即指標流速）與斷面平均流速建立相關關系，一般根據現場環境和水流特性采用單點法或多點法進行代表線在線監測，大拜（渠道）站為人工渠道，水流相對集中、無回水、紊流等情況，水文條件良好，綜合考慮現場條件和成本，采用單點法進行流量在線監測。

經過流速橫向分布分析，結合大拜（渠道）站實際地形、流態等情況，雷達流量監測系統安裝在流速儀測流斷面起點距3m位置（如圖1所示），該處流態穩定，無回流干擾，流速具有較好的代表性；配套設備安裝在纜道房內，通過有線傳輸，確保信號順暢。

2.4 參數設置

雷達流量計面向上游與垂直方向夾角為58°，每5min采集1次數據，每個數據采集4s，共采集8次數據，指標流速由每次采集數據的平均值得到，采集終端會記錄指標流速和其對應的回波強度，通過GPRS天線傳輸回數據平臺。

3 率定分析

3.1 試驗方法

大拜（渠道）站常規流量測驗在上游測橋拖拽走航式ADCP和流速儀實測流量，嚴格執行相關規范要求[6]。當河道流量相對穩定時，對2個測回斷面流量進行測量，往返各2次，取其均值作為實測流量值，流量短時間內變化較大時或特殊情況可以適當減少測回，以減小流態脈動引起的流量誤差，當半個測回流量值與平均值的偏差小于或等于5%認為測驗合理，反之則根據水情變化情況和測驗過程進行分析。

水位采用傳統的浮子式水位計，浮子水位計安裝在自計井中，通過沉沙井與河道相連，井內水位平穩，可以有效代表基本水尺斷面水位。

流速儀法和走航式ADCP法采用實測斷面，雷達流量計測流系統借用最新實測斷面。實測流量計算的斷面平均流速V平均與雷達流量計同步測出的指標流速V指標建立相關關系；由于雷達流量計每5min計算1次流速，為確保2組數據的一致性，在系統中選擇相同開始結束時間的指標流速平均，如果實測流量開始（結束）時間不是整5min，就選擇最近的整5min作為開始（結束）時間，如公式（1）所示。

（1）

式中：V指標為選擇時段內雷達流量同步測出的指標流速；n為選擇時段內的采樣次數；Vi為雷達流量計選擇時段內的單次采樣數據。

3.2 率定數據對比分析

在大拜（渠道）站共收集分析30份率定資料，覆蓋渠道高、中、低水，流速見表1。在基下232m渠道測流斷面采用雷達測速儀得到指標流速，用流速儀和走航式ADCP施測計算斷面平均流速。

其中，第16、20、22、23測次流速超過歷年最大流速，查閱實測資料，4個測次對應的基本斷面水位均超過96.26m，這4個測次應在基本斷面測流，由于增加流速數據的跨度能提高率定的準確性，因此保留這幾個測次的率定數據。此外，當電站關閘蓄水和閘門檢修時，渠道流速不足0.3m/s，低于儀器測量范圍，以最小功率機組發電時的流速為0.5m/s～0.6m/s，無法測得與歷年最低流速相近的數據。

3.3 關系率定

回歸分析法是統計學中用于分析相互獨立兩要素間相關關系的方法，是水文統計中常用到的一種數學方法，回歸系數越接近1代表兩要素的關系越緊密，通過回歸分析可以直觀看出兩要素的相關關系。

通過多次測量構建非接觸式雷達實測V指標與常規測驗實測流速V平均的相關關系，通過回歸方程得到線上理論流速V線，根據《水文資料整編規范》和《聲學多普勒流量測驗規范》要求對V指標～V平均～V線關系進行三線檢驗，如果系統誤差、隨機不確定度、符號檢驗、適線檢驗、偏離度檢驗這些統計量均滿足相應精度水文站的規范要求，就認為流速率定合格，如果有某一個或多個統計量超過規范要求，就認為流速率定不合格。

雷達流量監測系統安裝后，總共收集了30份實測資料，實測流量變幅為10.8m3/s～32.2m3/s，流速變幅為0.74m/s～

2.66m/s，基本覆蓋渠道流量變幅。采用電腦EXCEL自動定線率定出V指標～V平均關系曲線，關系式如公式（2）所示。

V平均=0.968V指標+0.167 （2）

如圖2所示，V指標～V平均關系曲線率定點子在高、中、低水分布均勻，線性關系良好。

對雷達流量監測系統率定的V指標～V平均關系曲線進行符號、適線和偏離數值3個檢驗分析，分別如公式（3）～公式（5）所示。

（3）

式中：n為測點總數；k為正號或負號個數。

（4）

式中：n為測點總數；k為變換符號次數。

（5）

式中：為平均相對偏離值；n為測點總數；pi為測點與關系曲線的相對偏離值。

三線檢驗成果見表2。

本次雷達流量監測系統率定，V指標～V平均率定關系能通過三線檢驗，認為定線正確。隨機誤差為9.2％，小于或等于15％，系統誤差為0.6％，小于或等于±1％，根據聲學多普勒流量測驗規范，滿足二類站的比測率定精度要求，經

V指標～V平均關系線推算流量與實測流量并進行相對誤差計算，合格率見表3。

由圖2、表3可知，V指標～V平均關系點子分布集中，測驗精度較高，相對誤差較小，具有明顯的變化規律。綜上分析，認為流速關系線滿足率定要求。

4 結語

通過比測大拜（渠道）站雷達流量計的代斷關系，在各流速級具有較好的相關關系，經過多年的運行故障率較低，數據完整性較好，能有效完成該站監測流量的設站任務，滿足資料整編的要求，該系統為實現該站流量自動監測具有重要意義。

從測驗精度角度來看，雷達流量計V指標～V平均關系線能通過符號、適線和偏離數值檢驗，指標流速和斷面平均流速測點標準差為3.9％，隨機誤差為7.8％，系統誤差為0.1％，滿足比測要求，可以投產使用。

雷達流量計具有安裝簡便、日常運行成本低、維護少，快捷、實時等優點，對外界抗干擾能力強，在水流相對集中的渠道站中有較好的適用性，但在使用前需要查清流速橫向分布特點，尋找合適的安裝位置，以提高測驗數據的代表性。

非接觸式雷達流量監測系統具有安裝簡便、日常運行成本低、維護少、快捷、實時等優點，為流域水文特性收集、地方防汛減災、全流域流量數據自動監測全覆蓋提供解決思路，有效解決了受水利工程影響、發電功率記錄不齊全、斷面無水位流量穩定關系的難題，利用在線測流系統可減少水文職工工作量，有更多的人力、物力繼續推進水文現代化建設。

參考文獻

[1]徐立.黃尾河水文站側掃雷達在線流量比測率定分析[J].陜西水利，2023（12）：29-31.

[2]孫正熙.H-ADCP在高州水文站的應用[J].珠江水運，2019（2）：85-86.

[3]牛萌萌，楊昊.時差法超聲波流量計在大型渠道水文測量中的應用[J].浙江水利水電學院學報，2024，36（2）：63-66.

[4]莊小冰.基于高頻聲層析技術的河流通量實時監測研究[D].廈門：廈門大學，2019.

[5]楊魯斌.坦塘水文站非接觸式雷達測速儀率定分析[J].廣東水利電力職業技術學院學報，2023，21（3）：12-15.

[6]中國水利學會.聲學多普勒流量測驗規范：T/CHES61-2021[S].北京：中國標準出版社，2022：9.