移動雷達波在線測流系統在落令河（二）水文站的應用

摘 要：【目的】近年來，受人類活動影響和測站特性變化，造成落令河（二）水文站中高水測驗條件艱難，應用移動雷達波測流系統來解決此問題較為適用可靠。【方法】在測流系統中按不同水位變幅布置測次流量，摘錄測流系統施測流量與同期轉子式流速儀人工實測流量進行比測，建立3種流量相關關系，率定測流系統流量系數，并進行誤差分析評判，以此來驗證移動雷達波測流系統的測流精度。【結果】比測率定結果表明，移動雷達波測流系統測得的水面流速經率定后，推算的斷面流量精度較高，水位—流量關系曲線定線精度符合相關規范要求。【結論】分析結果表明，根據雷達波流量系數Kc的值修正流量，可以建立較好的水位—流量關系曲線推求流量，有效解決山溪性河流流量測驗條件差的問題。關于洪水沖淤測流斷面的影響，可以通過及時校測流斷面并同步更新網頁內測流斷面數據，來保證移動雷達波測流系統水位—流量關系穩定。

關鍵詞：雷達波在線測流系統；比測率定；落令河（二）水文站

中圖分類號：P332.4" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）23-0046-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.010

Application and Analysis of Mobile Radar Wave On-line Flow

Measurement System in Luoling River （Ⅱ） Hydrologic Station

HUANG Miao XU Liusheng LIU Huilin

（Huanggang Hydrology and Water Resources Survey Bureau， Hubei Province， Huanggang 438000， China）

Abstract： [Purposes] In recent years， due to the influence of human activities and the change of station characteristics， the medium and high water test of the Luoling River （Ⅱ） hydrologic station are difficult. Therefore， the application of mobile radar wave flow measurement system to solve this problem is more applicable and reliable. [Methods] In the flow measurement system， the measured flow was arranged according to different water level variations， and the measured flow of the flow measurement system was compared with the manually measured flow of the rotor current meter at the same time. Three kinds of flow correlation relationships were established， and the flow coefficient of the flow measurement system was calibrated， and the error analysis and evaluation were carried out to verify the flow measurement accuracy of the mobile radar wave flow measurement system.[Findings] The comparison and calibration results show that after the calibration of the water surface velocity measured by the mobile radar wave flow measurement system， the accuracy of the calculated section discharge is high， and the alignment accuracy of the water level discharge relationship curve meets the requirements of data compilation. [Conclusions] The analysis results show that according to the radar wave discharge coefficient KC value to correct the discharge， a better stage discharge relationship curve can be established to calculate the discharge， which can effectively solve the problem of poor flow test conditions in mountain rivers. As for the impact of flood scouring and silting flow measurement section， the water level discharge relationship of mobile radar wave flow measurement system can be ensured to be stable by timely checking the flow section and synchronously updating the flow measurement section data in the web page.

Keywords： radar wave online current measurement system; calibration by comparison measurement; Luoling River （Ⅱ） Hydrologic Station

0 引言

落令河（二）水文站所在流域為浠水流域的一級支流西河，集水面積為479 km2，屬長江中游下段北岸水系山溪性河流，具有暴漲暴落的特性，為鄂東南200～500 km2區域代表站兼白蓮河水庫入庫站。近年來，落令河（二）水文站測驗斷面不斷受人類活動影響，無法采用該站原有不穩定河槽中低水流量測驗和整編方法試驗研究成果推求流量。中、高水依靠公路橋采用流速儀或ADCP 測流，因漂浮物多、流速大而極不安全，造成中、高水流量測驗困難。

移動雷達波在線測流系統設計遵循無人值守、簡單可靠、方便維護、功能完善的原則，采用雷達波進行多條垂線測速，特別適合大流速（大于0.5 m/s）、高含沙量、多漂浮物山區性河流，可在降水、夜間、無交流電環境中正常工作，可以同步采集相應水位，按部分面積法計算流量，實現流量自動監測。整個過程無須人工操作，方便快捷，省時省力。系統遵循《河流流量測驗規范》和《水文纜道測驗規范》，成果輸出符合《水文資料整編規范》，實現了數據輸出與整編軟件無縫銜接。根據落令河（二）水文站測站特性和測流斷面條件，非常適合建設移動式雷達波在線測流系統解決中高水流量測驗問題。

1 移動雷達波在線測流系統組成

1.1 系統介紹

移動雷達波在線測流系統以雷達波探頭為水面流速的測量儀器，由簡易纜道、雷達測速傳感器、自動行車、測流控制器、太陽能供電系統和水位計構成；外擴可加風速風向傳感器、溫度傳感器和雨量等。懸掛于簡易纜道上的自動行車，攜帶雷達波測速傳感器，每天定時沿纜道行走并停到指定的測流垂線上，逐一測量所有垂線后自動返回停泊點，進行自動充電。所測流速通過電臺的方式發送到RTU（Remote Terminal Unit），并和RTU采集的水位一起計算，從而得出流量。所有數據經GPRS（General Packet Radio Service）模塊發送到指定的中心站。移動雷達波在線測流系統部分平均虛流速、部分面積、部分虛流量、斷面虛流量的計算方法與流速儀法測流的計算方法相同，斷面流量應按式（1）計算。

[Q=Kc×Qf]" " " " " "（1）

式中：Q為斷面流量，m3/s；Kc為雷達波流量系數；Qf為斷面虛流量，m3/s。

1.2 功能介紹

移動雷達波在線測流系統主要由3大部分組成，分別為測站設備、服務器管理軟件和中心水文站軟件。其主要功能如下：①利用雷達波流速儀自動完成測流斷面各設定垂線水面流速的自動監測；②要求在測站現場完成流量計算，并能查詢、顯示任意測次的流量成果；③系統可以根據水位變化自行調整測流垂線數（垂線布設方案可根據客戶要求任意設置，遠超過3個）；水位計數據可以單獨使用，也可以與水情信息采集系統共用；④具有采集浮子、雷達和氣泡式水位計水位信息的功能，且能根據設定的水位自行切換；⑤具有以下測流模式，一是定時施測模式，每天根據設定時間（可現場或遠程修改）施測流量；二是在非測流時間，現場能人工控制增加測次；三是加密施測模式，與前次測流水位相比，水位變幅（可現場或遠程修改）在超過±0.5 m時，增測一次流量；四是低水位停測模式，當水位低于設定的停測水位值時，系統控制器停止雷達測流系統運行；五是低溫停測模式，當工作環境溫度低于設定的停測溫度（如零度）時，系統控制器停止雷達測流系統運行；⑥測完流量后，將流量、相應水位傳送給測站的雨水情信息采集系統，將垂線流速等成果信息發送到在線測流系統中心，包括測次、起止時間、垂線數、垂線起點距、垂線流速、過水面積、水面寬、最大水深、最大流速，相應水位、流量及系統運行參數。存貯的數據能下載生成文本文件并直接參與資料整編；⑦采用太陽能浮充蓄電池供電，蓄電池容量必須保證連續45 d陰雨天氣系統能正常運行，配置的太陽能板應保證兩個晴天內充滿蓄電池；⑧有自動校時功能（系統時間應嚴格與北京時間同步）；⑨具有現場和遠程參數（所有參數）修改功能；⑩流速測量范圍為0.15～15 m/s，最大測程≥30 m，測驗河道斷面20～200 m；[?]全天候，大、中、小以及暴雨天均可正常測量流速。

2 測流系統比測率定分析

2.1 目的要求

通過與流速儀施測流量數據進行對比，驗證移動雷達波在線測流系統在不同工況、不同環境條件下的測量準確性，確保系統能夠準確反映實際流量情況。對比測試應涵蓋多個流量點，以全面評估系統的測量精度和穩定性。誤差分析應詳細，包括系統誤差、隨機誤差等的計算和分析，確保誤差在可接受范圍內，以確保測流系統的準確性和可靠性，解決落令河（二）水文站中、高水流量測驗問題，實現流量實時在線監測和數據自動采集［1］。

2.2 規范標準控制

根據《水文資料整編規范》（SL/T 247—2020）規定，流量定線精度中，二類精度水文站隨機不確定度不大于 10%，系統誤差不大于± 1%［2］； 根據《水文巡測規范》（SL 195—2015）規定，二類精度水文站時段年徑流總量允許相對誤差不大于3.0%，汛期徑流總量允許相對誤差不大于 3.5%［3］；根據《河流流量測驗規范》（GB 50179—2015）規定，二類精度水文站洪峰流量測驗允許相對誤差不大于 7.0%［4］。

2.3 樣本選取與審查

移動雷達波測流系統流量系數率定應選取移動雷達波測流系統實測流量與流速儀實測流量或查線流量（相應時段內斷面穩定、水位—流量關系呈單一線的站點可采用查線流量，以下簡稱查線流量）在一定水位變幅內有30組以上的樣本。分析時應剔除受外界因素干擾的異常值。

本次分析率定資料主要采用2020年1—9月份人工測流72測次（Q1～Q72）和在線測流系統613測次（Q69～Q681）的數據進行分析，主要選用中水（107.50 mlt;Zlt;111.0 m）和高水Zgt;111.00 m水位級流量數據進行率定分析。由于受斷面沖淤的影響，水位—流量關系形成5個分布帶，故線與線之間采用自然過渡，共有5條關系曲線，流量采用臨時曲線法推求，與最近5 a水位—流量關系曲線一致，經分析定線合理，精度可靠。

移動雷達波測流系統根據斷面形狀采取固定起點距測流，理論上是水位越高，水道面積越大，流量越大。因采用借用斷面計算水道面積精度可靠，通過剔除的30份流量原始數據看出，偏離數據樣本的測次流量值跟同時段同級水位比較偏大或者偏小，主要原因是固定垂線測速過程中受大風及強降雨影響，導致相同起點距測得流速偏大（小），造成流量值偏大（小），從而導致單次流量偏離數據樣本，有些測次相對誤差超過曲線標準差3倍，經分析這些測次屬于測驗錯誤，應該進行舍棄。

3 流量系數率定方法

理論上，本應采用人工實測資料與在線測流同步時間測次相關法，求出系數K值，建立Z—K相關關系，其計算公式見式（2）。

[K=Q人工Q雷達]" " "（2）

式中：Q人工為人工實測流量，m3/s；Q雷達為雷達波實測流量，m3/s。

3.1 擬合水位—流量關系

由于人工測流時間與在線測流系統時間并未完全同步，故本研究采用人工實測資料和在線系統實測資料，分別擬合人工水位—流量關系曲線、在線測流系統水位—流量關系曲線，其中人工實測流量72測次采用多項式擬合，推求水位流量結點數據。再由各關系曲線取同步水位對應流量值求出K值，建立Z—Kc相關關系，其計算公式見式（3）。

[K=Q人工Q雷達]" " " " " （3）

式中：Q人工‘為人工擬合流量，m3/s；Q雷達’為人工擬合流量，m3/s。

3.2 擬合水位—流量系數關系

本研究采用在線測流系統613測次資料進行擬合，推求水位—流量結點數據。把人工擬合水位—流量結點與在線測流擬合同步水位流量結點相除，求出雷達波流量系數Kc值，建立Z—Kc關系圖。由Z—Kc關系圖可以看出水位Z與雷達波流量系數Kc相關關系較好，擬合后水位Z與流量系數Kc的關系如圖1所示。

經分析確定采用由人工、雷達波實測資料擬合水位—流量關系曲線同步水位流量法，求出的Kc曲線為本次分析率定Kc值。

通過實測流量系數與雷達波流量線上系數計算，該曲線的系統誤差為-0.1%，標準差為1.0%，均符合規范要求，精度可靠。

4 定線推流成果比較

為進一步驗證移動在線測流系統與實測資料及分析得出Kc值的可靠性和合理性，分別對在線測流系統的流量資料采用連實測流量過程線法和關系線法進行整編，人工實測資料采用關系線法進行整編。再通過對3種測驗方法的進行整編成果進行比較，計算各時段徑流總量及洪峰流量，并進行誤差統計，同時繪制4—9月纜道在線測流系統整編的水位過程和流量過程對比線型。

《水文資料整編規范》（SL247—2012）第3.3.1條規定，實測點標準差計算見式（4）。

[Se=[1n-2∑Qi-QciQci2]0.5]" （4）

式中：Se為實測點標準差，%；Qi為第i個實測點的流量，m3/s；Qci為第i個實測點的流量Qi相應水位的曲線上的流量，m3/s［5］。

4.1 人工水位流量定線推流

本研究采用傳統手工定線推流方法，結合測站特性分析，共繪制5條關系曲線，各曲線標準差及系統誤差計算值均符合規范要求，精度可靠。

4.2 在線測流系統關系線定線推流

根據6月13日至7月30日在線測流系統實測流量資料，結合率定流量系數改算為各測次實流量，通過南方片2.0整編軟件繪制兩條關系曲線，1線為107.51 m以下水位級在線測流系統無實測點采用人工1線低水線推流結點；3線為107.55 m以下水位級在線測流系統無實測點，采用人工5線低水結點推流其他時段采用人工資料整編成果推流，1線與3線直接采用內插過渡，時間較短，精度可靠（見表1）。第三種定線推流方法是1月1日至6月14日6時20分借用人工1線推流結點，6月14日6時20分至7月30日6時9分采用連實測流量過程線法推流，7月30日6時9分至10月1日0時采用人工5線推流結點推求。

4.3 3種方法各項成果分析統計

通過3種方法定線推流計算，各項指標計算成果見表2。同時參考南方片2.0整編軟件中的瞬時水文要素過程線圖，可以看出3種方法過程線圖吻合度較好，滿足定線推流要求，各項指標計算值均符合《水文巡測規范》要求，該系統應用成果可靠，符合測驗要求［2］。

5 結論

移動雷達波測流系統采用的是一種非接觸式測速模式，可適應全天候工作，大、中、小以及暴雨天均可正常測量流速。在施測中高水時更加安全，可以減輕水文測站工作人員的勞動強度，提高安全生產系數。測流系統測量的水面流速經率定后推算的斷面流量精度較高，水位—流量關系曲線定線精度符合《水文資料整編規范》（SL/T 247—2020）的要求。

為消除場次洪水沖淤測流斷面的影響，建議每發生一場較大洪水（洪峰流量＞200 m3/s）退水后，根據測驗斷面的變化情況，及時測量在線測流系統測流斷面，并同步更新網頁內測流斷面數據，以保證測流系統水位—流量關系穩定。

綜上所述，應建立完善的移動雷達波測流系統故障預警和應急處理機制，確保系統在實際應用中能夠及時發現并處理故障。定期對監測結果進行分析和評估，及時發現并解決問題，不斷優化運行方案參數設置。本研究根據雷達波流量系數Kc值修正流量，建立水位流量關系曲線推求流量。當平均流速小于0.5 m/s時，應采用人工實測流量值建立水位—流量關系曲線進行推求流量，以提高低枯水單次流量精度，更好滿足水資源管理生態流量的監測需求。

參考文獻：

［1］潘曉斌，胡輝華，陳端丹，等.移動雷達波測流系統在松柏水文站的應用［J］.水利信息化，2021（4）：64-67.

［2］中華人民共和國水利部.水文資料整編規范：SL/T247—2020［S］.北京：中國水利水電出版社，2021.

［3］中華人民共和國水利部.水文巡測規范：SL195—2015［S］.北京：中國水利水電出版社，2016.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部.河流流量測驗規范：GB 50179—2015［S］.北京：中國計劃出版社，2015.

［5］楊建東，方金鑫，姜敏.雷達波實時在線測流系統在麗江市的應用［J］.水利信息化，2017（2）：50-53.