雙軌式雷達波自動測流系統(tǒng)在橫江水文站的應(yīng)用

◎黃振宇 羅毅 瞿靛 長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局

目前，隨著水文科技化、智能化的快速發(fā)展，水文測驗技術(shù)自動化程度越來越高，許多新儀器、新技術(shù)、新方法廣泛使用于基本水文站，通過比測分析，可以找尋到非接觸式雷達波與常規(guī)流速儀間的關(guān)系系數(shù)，從而為非接觸式雷達波測流的應(yīng)用提供依據(jù)。非接觸式雷達波自動測流系統(tǒng)可以解決中高洪水測驗的困難，極大的縮短測報歷時，實現(xiàn)水文測報的自動化、智能化。本文致力于尋找非接觸式雷達波與常規(guī)流速儀測流之間的關(guān)系系數(shù)，從而為提供智能化測報方式打開思路。

1.雙軌式雷達波自動測流系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)簡介

雷達波自動測流系統(tǒng)是一種新型的水面流速監(jiān)測產(chǎn)品，其中雷達波表面流速儀采用最新一代平板多普勒雷達傳感器技術(shù)，主要采用微波對河流、泥漿、污水等表面流速進行測量，可應(yīng)用于水文監(jiān)測、防洪防澇、環(huán)保排污監(jiān)測等領(lǐng)域。

1.2 系統(tǒng)工作原理

雙軌式雷達波自動測流系統(tǒng)利用兩根直徑大于8mm的鋼絲繩做導(dǎo)軌，雷達運行車采用最新的四驅(qū)動力結(jié)構(gòu)專利，將雷達波測速探頭、雙直流電機、雷達測速控制器、無線電臺等設(shè)備安裝在雷達運行小車內(nèi)通過驅(qū)動輪懸掛在導(dǎo)軌繩上。當(dāng)雷達測速控制器通過無線電臺接收到運行指令，控制雷達運行車內(nèi)的電機控制指令將雷達運行車運行到測流斷面指定位置，然后將位置信息通過無線電臺發(fā)送給系統(tǒng)控制器，雷達運行車自動完成指定位置水面流速測量，測量完成后通過無線電臺將數(shù)據(jù)發(fā)送給RTU系統(tǒng)控制器。RTU系統(tǒng)控制器同時采集水位數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的水位數(shù)據(jù)、流速數(shù)據(jù)以及配置的斷面數(shù)據(jù)，計算出斷面流量，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊或者北斗數(shù)據(jù)傳輸終端發(fā)送到遠程服務(wù)器上，從而實現(xiàn)斷面無人值守自動測驗。當(dāng)完成測流后，將雷達運行車自行開回控制箱內(nèi)自動充電。用戶通過網(wǎng)頁形式訪問服務(wù)器，查看最終數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)?shù)厮那闆r，設(shè)置斷面數(shù)據(jù)、測流點位、測流時間、水位變化漲落自動加測幅度和間隔，根據(jù)時間導(dǎo)出流量計算結(jié)果表等報表。

1.3 系統(tǒng)設(shè)備組成

系統(tǒng)由雷達表面流速儀、雷達運行車、系統(tǒng)控制器、雷達測速控制器、流量計算終端、在線充電箱、蓄電池、無線電臺、RTU遙測終端機、水位計（浮子、氣泡或雷達）和中心站軟件等組成，見圖1。

圖1 雙軌式雷達波自動測流系統(tǒng)組成部分示意圖

2.測驗河流概況

2.1 測站基本情況

橫江水文站建于1940年，由長江水利委員會設(shè)立領(lǐng)導(dǎo)至今，測站位于四川省宜賓市橫江鎮(zhèn)和平村，集水面積14781km，距金沙江匯合口距離約13km，為橫江流域河口控制站。該站為收集長江支流橫江的水流規(guī)律以及河流水文特性而建立的二類精度流量站、二類精度泥沙站，為國家級重要基本水文站。測驗項目有水位、流量、懸移質(zhì)泥沙、降水量、水質(zhì)等。

2.2 河流特性

橫江水文測驗河段位于皮鑼灘與水獅灘之間，順直長約400m，中高水時，河寬94～160m，河底呈“u”型，無分流、串溝、回流、死水，有支流入?yún)R，河床為卵石，在基本水尺斷面下游約70m處有一急灘，當(dāng)水位達289m以上時，急灘逐漸被淹沒。急灘右岸為卵石磧壩。

測驗河道低水為急灘控制，高水為下游彎道與河槽控制，河床為卵石夾沙組成，左深右淺，呈“u”型，左岸中高水為石堤，河床較穩(wěn)定。

2.3 斷面情況

根據(jù)橫江水文站歷史資料分析，近10年低水?dāng)嗝鏇_淤變化較大，多年平均沖淤變化2.27%，2016年后低水?dāng)嗝孀兓^小，趨于穩(wěn)定。橫江水文站中、低水位流量關(guān)系由于斷面沖淤影響，呈現(xiàn)掃把形狀，年際之間存在2%-3%的左右擺動；測驗斷面上游4km建有張窩水電站，受電站蓄放水影響，漲落較快，一般可達1m/h，極端情況下10分鐘可上漲1.3m。受漲落影響，水位漲落快時，水位流量關(guān)系呈逆時針繩套。高水受下游水獅灘彎道影響，高水水位流量關(guān)系在大水年份呈反曲。

3.儀器安裝

根據(jù)雙軌式雷達波自動測流系統(tǒng)儀器安裝要求，測點位置應(yīng)具有代表性，測量距離應(yīng)在0.5～30m范圍內(nèi)，測驗河道斷面應(yīng)在20～200m范圍內(nèi)。經(jīng)現(xiàn)場勘察對比，橫江水文站基本測驗斷面符合安裝條件，為確保日后測量成果與纜道常規(guī)測量成果率定對比具有代表性，在纜道斷面下游架設(shè)雷達波在線測流系統(tǒng)專用纜道，安裝角度為45°。

4.比測情況

4.1 資料收集情況

橫江站雙軌式雷達波自動測流測速小車斷面位于基本水尺斷面下游2m處，其測速小車平行于測流斷面運行，雷達波自動測流系統(tǒng)比測期間采用與流速儀常測法測流相同的測速垂線、相同時間段同步比測，同時設(shè)定時段及漲落率自動測流方式，系統(tǒng)參數(shù)借用的斷面數(shù)據(jù)與流速儀測流斷面保持相同，在2019年8月14日至2020年9月7日期間，收集雷達波測流與流速儀同步比測38次。雷達波測流系統(tǒng)不間斷測得不同水位級、不同流量級、不同時間段長系列流量實測資料共1354次。

4.2 比測分析

雷達波自動測流系統(tǒng)所測流速為斷面表面流速，為滿足后期雷達波測流系統(tǒng)測驗資料的投產(chǎn)應(yīng)用，需要建立雷達波測流系統(tǒng)測驗資料與流速儀測驗資料的關(guān)系。由于橫江站雷達波測流系統(tǒng)測驗與流速儀測驗無法完全同步，而中高水漲落較快，水位流量關(guān)系有漲落繩套出現(xiàn)，要獲得與雷達波測流系統(tǒng)實測流量完全相同情形下的對應(yīng)流速儀流量較為困難，而橫江站歷年水位流量具有較好的關(guān)系。因此，本次分析采用雷達波測流系統(tǒng)實測流量與對應(yīng)時間流速儀整編流量進行分析。

4.2.1 模型的建立

采用橫江站隨機抽樣的35次實測雷達波流量資料與對應(yīng)的流速儀推算流量建立關(guān)系。率定期間的水流情況如下；

比測期水位變幅：288.00～ 294.62(m)；

比測期流量變幅：837～ 4780(m/s)；

比測期斷面平均流速變幅：1.68～3.46(m/s)

分別建立線性關(guān)系和二次多項式關(guān)系，相關(guān)情況詳見圖2、圖3。

圖2 雷達波虛流量與斷面流量線性關(guān)系圖

圖3 雷達波虛流量與斷面流量二次多項式關(guān)系圖

經(jīng)過分析，無論是采用線性公式或二次多項式關(guān)系，雷達波虛流量與斷面流量建立關(guān)系，系統(tǒng)誤差均小于1%，隨機不確定度均小于3%，5個測點誤差大于5%，占總測點的8.1%，無誤差大于10%的測點，整體誤差情況詳見表1。

表1 雷達波虛流量與斷面流量誤差表

4.2.2 模型的驗證

采用橫江站隨機抽樣的31次實測雷達波流量資料與對應(yīng)的流速儀推算流量對上節(jié)關(guān)系進行驗證，驗證情況見表2。驗證期間的水流情況如下：

表2 雷達波虛流量與斷面流量誤差驗證表

驗證資料水位變幅：288.01～ 294.76(m)；

驗證流量變幅：842～4820(m/s)；

比測期斷面平均流速變幅：1.69～3.30(m/s)。

經(jīng)過驗證，無論是采用線性公式或二次多項式關(guān)系，雷達波虛流量與斷面流量關(guān)系，系統(tǒng)誤差均小于1%，隨機不確定度均小于3%，2個測點誤差大于5%，占總測點的6.5%，無誤差大于10%的測點，見表2。

采用線性公式或二次多項式關(guān)系誤差均較小，兩者誤差差別不大，考慮后期使用方面，推薦使用線性公式Q=0.8264Q-21.7作為橫江站雷達波流量與斷面流量的換算關(guān)系。

4.2.3 成果誤差分析

采樣上節(jié)分析的換算關(guān)系，對雷達波流量進行換算，采用換算后流量測點進行整編定線，與流速儀推流成果進行比較，可以看出雷達波測流所定水位流量關(guān)系線與橫江站常規(guī)的流速儀所定水位流量關(guān)系線，線型基本一致，雷達波測流在水位漲落較快時有繩套曲線。由于雷達波所測測次遠多于流速儀法，因此在水位漲落較快時，測出了水位漲落附加比降對斷面水位流量關(guān)系的影響，其水位流量關(guān)系呈逆時針繩套，這更加符合流量變化過程。

5.結(jié)論

（1）雙軌式雷達波自動測流系統(tǒng)能夠自動完成測流斷面各設(shè)定垂線水面流速的監(jiān)測，是解決陡漲陡落的山溪性河流高水流量測驗的較好方案。

（2）從測驗精度看，由雙軌式雷達波自動測流系統(tǒng)測出的虛流量與斷面流量建立關(guān)系，兩者關(guān)系良好，無論是采用線性公式或二次多項式關(guān)系，系統(tǒng)誤差均小于1%，隨機不確定度均小于3%，測點誤差大于5%，占總測點比例小于10%，無誤差大于10%的測點。

（3）從雷達波所測流量系列資料看，中低水誤差相對較大，中高水誤差相對較小。中低水應(yīng)進一步加強分析，在流速0.5m/s以上找到影響測驗精度的不利因素，力求能在更大的范圍內(nèi)使用雷達波測流資料。