雷達設(shè)備在水文應用中的探析
——以格爾木水文站固定雷達波在線測流系統(tǒng)為例

溫 川 周啟明

(青海省水文水資源測報中心,格爾木 816099)

為貫徹水文[2019]199號文精神，落實水利部提出的“水利工程補短板，水利行業(yè)強監(jiān)管”；推進水文測報先進技術(shù)裝備配置和應用，加快提升水文現(xiàn)代化水平；實現(xiàn)水文現(xiàn)代化儀器在水文上的應用。格爾木水文站引進固定雷達波在線測流系統(tǒng)。固定雷達波在線測流系統(tǒng)根據(jù)水文的實際情況，針對偏遠地區(qū)，不方便人工值守而設(shè)計開發(fā)的一套全自動、非接觸測流系統(tǒng)，可實現(xiàn)在無人值守的狀態(tài)下由計算機系統(tǒng)完成對流量數(shù)據(jù)的采集測量、發(fā)送報文、形成報表的自動化系統(tǒng)。

1 固定雷達波在線測流系統(tǒng)簡介

固定雷達波在線測流系統(tǒng)由四部分組成。分別為系統(tǒng)控制部分、雷達測速控制部分、供電控制部分(太陽能電池板及蓄電池)和軟件控制部分(中心站的測流計算機及流量數(shù)據(jù)接收處理軟件)。

1.1 固定雷達波在線測流系統(tǒng)工作原理

固定雷達波在線測流系統(tǒng)是一套非接觸流量測驗方案，利用雷達波完成測流斷面各設(shè)定垂線水面流速的自動監(jiān)測，在不接觸水流的情況下測量河流表面流速，結(jié)合水位計測量實時水位數(shù)據(jù)，利用流速面積法，準確計算現(xiàn)場的實時流量數(shù)據(jù)。設(shè)備外接無線DTU設(shè)備，將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的水文站。通訊方式為應答方式，如接收端因關(guān)機沒有收到的信息，接收端開機后發(fā)送端自動補發(fā)，測站通訊設(shè)備采取發(fā)送信息時開機，發(fā)送完后自動關(guān)機的模式；時實數(shù)據(jù)可在固定雷達波在線測流系統(tǒng)平臺查詢。該系統(tǒng)為固定、非接觸式，測流時不受定位影響，不受流態(tài)影響，能實現(xiàn)遠程下載[1]。

1.2 固定雷達波在線測流系統(tǒng)功能

固定雷達波測流系統(tǒng)是利用3個雷達波測流傳感器采集流速數(shù)據(jù)，對準測流垂線實測水面流速，3條垂線測流同時結(jié)束。流速測量完成后，結(jié)合事先測量的水位數(shù)據(jù)，計算流量，將數(shù)據(jù)通過有線(無線)電臺等方式傳輸?shù)街付ǖ挠嬎銠C，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括此次測量的全部數(shù)據(jù)，如水位、每條垂線的流速、流量、斷面面積等。

流量的測量模式參數(shù)設(shè)置在系統(tǒng)控制器內(nèi)部存儲芯片上，根據(jù)需要可修改參數(shù)，每次完成測量后，系統(tǒng)控制器將各條垂線起點距、水面流速、當前工作電壓等參數(shù)打包發(fā)送到中心站。中心站流量計算設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)流速流量計算模型、水位面積關(guān)系表，計算出斷面實測流量數(shù)據(jù)。

1.3 固定雷達波在線測流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

固定雷達波在線測流系統(tǒng)分為現(xiàn)場設(shè)備(水文測站)、遠程中心站(省中心)、中心水文站三部分。系統(tǒng)通過移動GPRS無線網(wǎng)連接，在水文站安裝工控機，接收由現(xiàn)場通過DTU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，實現(xiàn)對雷達波自動測流系統(tǒng)的遠程控制及數(shù)據(jù)接收顯示處理(見圖1)。

圖1 雷達波自動測流系統(tǒng)總體示意圖

2 格爾木水文站固定雷達波在線測流系統(tǒng)安裝及日常維護

2.1 格爾木水文站固定雷達波在線測流系統(tǒng)安裝

固定雷達波在線測流系統(tǒng)安裝在格爾木水文站測流斷面的右岸及測橋上。固定雷達波測流系統(tǒng)的控制器、蓄電池、通訊模塊、水位計、視頻監(jiān)控設(shè)備等安裝在監(jiān)測斷面右岸立柱機箱中；3個雷達波測速探頭均勻布設(shè)在測橋上。探頭與水位計用穿線連接；系統(tǒng)控制器和雷達波測速傳感器采用RS485通訊；傳感器的供電由系統(tǒng)控制器控制。需要測流時，系統(tǒng)控制器給雷達波測速探頭供電；完成測流后，系統(tǒng)控制器給雷達波測速探頭斷電(見圖2)。

圖2 雷達波測速探頭及儀器安裝圖

2.2 格爾木水文站固定雷達波在線測流系統(tǒng)日常維護

格爾木水文站固定雷達波在線測流系統(tǒng)日常維護包括以下工作：外觀、螺絲緊固檢查：無機械損傷，各螺絲緊固，防松線無錯位，線纜連接良好；雷達傳感器角度檢查：俯角范圍在30°～60°之間；通信模塊GPRS檢查：發(fā)送接收信號正常，供電電壓在0～30V之間；測流軟件運行檢查：軟件能正常啟閉，順利完成流量測驗；；做好運行日志管理記錄[2]。

3 水文中流量測驗標準

3.1 流量定義

流量是單位時間內(nèi)流過江河某一橫斷面的水量，流量是反映江河、湖泊、水庫等水體水量變化的基本數(shù)據(jù)，也是河流重要的水文特征值。流量監(jiān)測方法包括流速面積法、水力學法、化學法和物理法，本文介紹流速面積法。

3.2 流速面積法測流公式

流速面積法測流公式為Q=∑Qi=∑AiVi；通過測算部分流速Vi和部分面積Ai，兩者的乘積為通過該部分面積上的流量Qi；累計即求得全斷面的流量Q=∑Qi。流速面積法流量監(jiān)測采用流速儀測量斷面水深、測點流速，計算流量。

3.3 流速儀法測驗誤差

由《河流流量測驗規(guī)范》(GB50179-2015)知流速儀測驗誤差包括：起點距定位誤差，水深測量誤差，流速測點定位誤差，流向偏角導致的誤差，入水物體干擾流態(tài)導致的誤差，停表或其它計時裝置的誤差。

4 格爾木水文站固定雷達波在線測流系統(tǒng)的應用

4.1 斷面選取

固定雷達波測流系統(tǒng)安裝在水流集中，河段較順直的矩形河槽上，河段上有固定過河設(shè)施(測橋)，便于固定測速探頭。河床由混凝土組成，平均比降為86.0×10-4，無沖淤變化，斷面穩(wěn)定。

4.2 資料收集和分析

采用雷達波與流速儀在同斷面，同時間監(jiān)測流量，2019年11月26日至2019年12月12日共收集實測資料31份。水位變幅在2934.05m～2934.31m之間，流量變幅在7.17m3/s～29.8m3/s之間，基本控制水位和流量變化范圍。雷達波測流傳感器采集流速數(shù)據(jù)為表面流速(水深為0.0)，流速儀監(jiān)測流速數(shù)據(jù)為水深0.6處的平均流速。雷達波監(jiān)測流量值大于流速儀法監(jiān)測流量值；應對雷達波監(jiān)測流量進行改正，確定雷達波測流系數(shù)。

據(jù)據(jù)《水文資料整編規(guī)范》(SL247-2012)和《河流流量測驗規(guī)范》(GB50179-2015)要求，雷達波測流系數(shù)采用算術(shù)平均法和圖解法進行分析。

4.2.1算術(shù)平均法分析固定雷達波測流系數(shù)

雷達波測流系數(shù)采用如下公式分析，計算出單次流量比測系數(shù)。雷達波系數(shù)計算公式為：

Kf=Q實/Q虛

式中:Kf—雷達波水面流速系數(shù)；

Q實—斷面實測流量，m3/s；

Q虛—斷面虛流量(雷達波測流流量)，m3/s。

分別計算出個單次雷達波測流系數(shù)(見表1)，然后用算數(shù)平均法計算出樣本系列的雷達波水面系數(shù)系數(shù)為0.898。

表1 格爾木水文站流速儀與雷達波測流流量數(shù)據(jù)

續(xù)表1

4.2.2圖解法分析分析固定雷達波測流系數(shù)

用流速儀法和雷達波法監(jiān)測出的流量進行點圖分析，以流速儀監(jiān)測流量為實測流量(真值)，實測流量為縱坐標，以雷達波監(jiān)測流量為虛流量，虛流量為橫坐標(見圖3)。通過圖解法得，格爾木水文站雷達波測流系數(shù)為0.896，相關(guān)系數(shù)R2=0.9992，說明兩者相關(guān)性高。

圖3 格爾木水文站雷達波測流系數(shù)分析圖

對圖3中相關(guān)曲線進行符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗，結(jié)果均合格，標準差為1.1%，系統(tǒng)誤差為0.0%；均滿足《水文資料整編規(guī)范》(SL247-2012)要求(見表2)。

表2 流速儀法和雷達波法測流流量相關(guān)曲線檢驗表

通過算術(shù)平均法和圖解法兩種方法分析，算術(shù)平均法系數(shù)為0.898，圖解法系數(shù)為0.896，說明二者系數(shù)基本一致；綜合確定雷達波測流系數(shù)為0.90；滿足測驗精度要求?？勺鳛楦駹柲舅恼纠走_波測流系數(shù)在測驗中使用。

4.3 固定雷達波測流誤差分析控制

固定雷達波測流誤差來源于測量斷面面積和測量流速度產(chǎn)生的誤差，與流速儀測流誤差比較，雷達波測流系統(tǒng)為固定、非接觸式，不受定位、流態(tài)影響，可消除起點距定位誤差，流速測點定位誤差，入水物體干擾流態(tài)導致的誤差；系統(tǒng)根據(jù)實測的水位數(shù)據(jù)，用水位計算斷面面積，可消除水深測量誤差；系統(tǒng)設(shè)定的測流時間為120秒，可消除停表或其它計時裝置的誤差。

雷達波誤差從測量斷面面積和測量流速進行控制。格爾木水文站選取的是矩形斷面，無沖淤變化，根據(jù)水位計算斷面面積，能較好的控制斷面面積測驗誤差。雷達波測速探頭測量的是表面流速，運用雷達波與流速儀法測量的數(shù)據(jù)建立相關(guān)關(guān)系，運用相關(guān)系數(shù)進行流速系數(shù)改正，控制流速測驗誤差。

通過對雷達波系數(shù)分析；符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗；測流誤差分析。結(jié)果均符合《河流流量測驗規(guī)范》(GB50179-2015)和《水文資料整編規(guī)范》(SL247-2012)的要求。固定雷達波在線測流系統(tǒng)可以投入格爾木水文站流量監(jiān)測使用。

5 結(jié)語

通過固定雷達波在線測流系統(tǒng)在格爾木水文站的應用，雷達波系數(shù)合理；系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與流速儀法監(jiān)測數(shù)據(jù)保持一致，誤差均在《河流流量測驗規(guī)范》(GB50179-2015)允許范圍內(nèi)；相關(guān)性較高；測驗數(shù)據(jù)無須改正，直接使用。該測流系統(tǒng)可在矩形斷面河槽推廣使用。

為偏遠地區(qū)的水文工作，實現(xiàn)無人值守向前邁進一步。該測流系統(tǒng)初步投入使用，應加強該測流系統(tǒng)中儀器穩(wěn)定性和故障排除的研究分析，用好該測流系統(tǒng)，使該測流系統(tǒng)更好的發(fā)揮作用，為實現(xiàn)水文現(xiàn)代化提供技術(shù)裝備。