文圩水文站固定式雷達測流系統(tǒng)比測分析

區(qū)瓏耀，陸文鋒

（梧州水文中心，廣西 梧州 543000）

1 測站概況

文圩水文站設立于2013年9月，位于廣西梧州市蒙山縣文圩鎮(zhèn)文圩街，集雨面積151 km2，系珠江流域西江水系蒙江中小河代表站，是國家水文站，屬于無人值守站，河面寬約90 m，斷面上游200 m處為一河灘且建有橋梁一座，下游120 m處2021年新建公路橋一座，現(xiàn)有測驗項目為雨量、水位、流量、比降等。文圩水文站主要作用是為蒙山縣的農(nóng)業(yè)灌溉及抗旱防汛提供水文服務，并且向區(qū)水文中心、地方防汛抗旱指揮部辦公室報汛。

2 測驗儀器概況

固定式雷達測流系統(tǒng)是集無線傳輸、流量測驗、數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)站發(fā)布、業(yè)務處理于一體的全自動流量測驗系統(tǒng)。管理人員可通過互聯(lián)網(wǎng)查看測站水位、流速、流量和設備工況等信息，工作人員可以在計算機上對儀器所采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，生成各種報表，徹底擺脫傳統(tǒng)從測流到數(shù)據(jù)整理手工作業(yè)的方式，用現(xiàn)代科技手段實現(xiàn)遠程監(jiān)控，實時監(jiān)測，計算機整理。

文圩站雷達測流系統(tǒng)主要儀器設備有：雷達波多探頭測流系統(tǒng)1套，包括雷達波流速探頭3個、測流控制器（含機箱）1 個、無線模塊1 塊、電源設備1套、水文中心站軟件1套、手搖循環(huán)索1套及儀器平臺1個。安裝形式見圖1。

圖1 文圩水文站雷達測流系統(tǒng)安裝圖

3 比測情況

3.1 比測目的

通過率定斷面的平均流速與固定式雷達測流系統(tǒng)流速的曲線關系或回歸方程，用于固定式雷達測流系統(tǒng)流量在線監(jiān)測，滿足流量資料整編、水情測報等多方面要求。蒙山水文中心站于2020 年已完成文圩固定式雷達測流系統(tǒng)的率定分析工作，后因道路修建圍堰、鄉(xiāng)村振興河道整治等項目的開展導致文圩水文站基本水尺斷面水流態(tài)發(fā)生變化，現(xiàn)各類建設項目已結(jié)束，基本水尺斷面（雷達測流系統(tǒng)斷面）所對應河道趨于穩(wěn)定（大斷面圖見圖2），因此對文圩水文站雷達測流系統(tǒng)進行重新率定。

圖2 文圩水文站2023年3月基本水尺斷面圖

3.2 比測方法

使用走航式ADCP與固定式雷達測流系統(tǒng)同步測流，取用走航式ADCP 平均時間對應的流速為斷面平均流速與相鄰時間內(nèi)雷達測流系統(tǒng)的流速進行對比分析，建立相關關系。

3.3 比測數(shù)據(jù)選擇

采用文圩水文站基本斷面2023年1～7月走航式ADCP 實測數(shù)據(jù)共17 份，對應水位級為139.19～141.26 m，后經(jīng)篩選（其中水位為139.19 m、139.21 m、139.40 m 3 份因水位較低，雷達測流系統(tǒng)無法照測，故進行剔除；水位為141.02 m、141.26 m 兩份測驗斷面相隔較遠，走航式ADCP 流速無法準確反映基本斷面流速，故進行剔除）符合率定要求的數(shù)據(jù)共計12份（符合率定分析關鍵技術(shù)及應用綱要所要求的專用站固定式雷達測流系統(tǒng)率定關系點據(jù)不少于10 個的要求），對應水位級為139.62～140.92 m，實測流速變幅為0.13～1.48 m/s，雷達流速變幅為0.47～1.56 m/s（見表1）。

表1 走航式ADCP與固定式雷達測流系統(tǒng)流速比測表

4 流速關系率定

4.1 流速相關關系式率定

根據(jù)比測數(shù)據(jù)，點繪斷面平均流速與雷達流速相關關系圖（見圖3），使用指數(shù)、線性、一元二次、一元三次、乘冪等方式對趨勢線進行擬合，得到相關性較好的一元二次相關關系式y(tǒng)=1.3 065x2-1.3 817x+0.4 893，相關關系、標準差、系統(tǒng)誤差均較為合理。

圖3 斷面平均流速與指標流速相關關系圖

4.2 誤差分析

根據(jù)關系式率定中所選用的關系式y(tǒng)=1.3 065x2-1.3 817x+0.4 893，利用雷達流速推算線上流速，并進行三種檢驗及不確定度計算（見表2），計算得標準差為7.7%，隨機不確定度為15.4%，系統(tǒng)誤差為0。依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）中第5.3.2條規(guī)定的三類精度水文站單一曲線法定線系統(tǒng)誤差±2%，隨機不確定度12%，巡測站定線隨機不確定度可增大2%～4%，同時依據(jù)《中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)測驗指導意見》中專用站關系曲線系統(tǒng)誤差不超±3%，隨機不確定度不超20%，本次定線滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）和《中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)測驗指導意見》的要求，認為定線合理。

表2 斷面平均流速與雷達流速關系曲線檢驗表

4.3 合理性分析

為進一步驗證率定所得線上流速結(jié)合相應時段遙測水位對應的斷面面積所推求的流量精度能否滿足日常資料整編的要求，選取6 月17 日至7 月1日的洪水過程使用雷達波流速換算的流量采用連實測流量過程線法推流計算逐日平均流量，與相應時間段ADCP實測流量所定臨時曲線推流所得逐日平均流量相對照分析。率定水位為139.62～140.92 m，流速變幅在0.47～1.56 m/s 之間，在此范圍內(nèi)采用關系式y(tǒng)=1.3 065x2-1.3 817x+0.4 893進行流速換算后推求對應流量，在此范圍外的流量數(shù)據(jù)使用臨時曲線推流得出。同時，受雷達流速跳變等不利因素的影響，對雷達不合理數(shù)據(jù)進行剔除，最終采用了275組數(shù)據(jù)進行連實測流量法過程線推流得出雷達逐日平均流量。計算結(jié)果見圖4、表3。由表3、圖4 可看出，使用進行篩選后的雷達數(shù)據(jù)所推算得到的逐日平均流量與臨時曲線推流所得流量相對照偏差較小，可以使用。

表3 6月17日至7月1日逐日平均流量對比表

圖4 逐日平均流量對比圖

5 結(jié)語

綜上分析，文圩水文站采用固定式雷達自動監(jiān)測系統(tǒng)進行流量在線監(jiān)測，并在相應水位、流速適用范圍內(nèi)應用是可行的。使用固定式雷達自動監(jiān)測系統(tǒng)進行流量在線監(jiān)測過程中應注意：

（1）本次率定采用的實測流量點子偏少，高水位級無法率定，應根據(jù)水情情況加強監(jiān)測，進一步加強雷達波測流在中高水的率定使用。

（2）固定式雷達測流系統(tǒng)對于低水適用性較低，流速低于0.47 m/s 時須采用走航式ADCP 施測，低水測驗建議采用微型ADCP施測。

（3）文圩雷達測流系統(tǒng)所測流速存在偶爾跳變現(xiàn)象，使用時須用雷達數(shù)據(jù)和水位過程線對比分析進行人工篩選后方可使用。