非接触式雷达测流系统在吉安地区中小河流的应用研究

黄剑 刘铁林 王贞荣 刘金霞

摘 要：针对传统的天然河道流量测验大部份都需要人到实地参与其中，自动化水平低，难以适应当前水文测验点多面广、任务繁重的新形势。特别是吉安地区中小河流，其洪水特性陡涨陡落、历时短，面对人员偏小又要进行流量巡测存在很大困难。为了适应新形式下国家和社会对水文的要求，江西省吉安市水文局开始探索引进一些适合在中小河流能应用的先进在线流量测验设备，经综合考虑决定引进非接触式雷达测流系统，选择在坳下坪㈡水文站和彭坊水文站两个水文站分别安装应用，通过收集资料与常规水文测验（流速仪法）的资料进行比对分析，判断该系统是否能达到中小河流测验标准要求。

关键词：非接触 雷达监测 测流 中小河流 应用

1.测流系统介绍

伴随科学技术的发展，非接触雷达测流系统在水文行业的应用日益增多，市场上衍生出众多该类别产品，产品质量也参差不齐。Sommer RQ-30是非接触式雷达测流系统中众多产品中的一款，属进口设备。它是利用多普勒频移效应原理，仪器发送固定频率雷达波斜向射到水面，一部分雷达波被水面波浪反射回来，反射回来的雷达波产生多普勒频移信息被仪器接收，测出反射和发射信号的频差，就可以计算出水面波浪的流速。水位测量是根据雷达发射雷达脉冲经水面反射回来，测得所花费的时间，由此计算出水位高度。又因为截面面积由水位高度决定，得出相应截面积。最后根据面积乘以流速得到流量。

2.测流系统的特点

非接触式雷达测流系统可以实现对河道流量、流速、水位等水文信息的实时监测，并及时掌握河流流量状况，实现了实时数据信息查询，特别是洪水期信息查询与预警。在断面条件稳定，测验河段较好情况下，流速可测量到最低0.2m/s。在线监测解决了人工监测的人力、财力、物力消耗问题，提高了测量数据的密度和精度，减少了洪水期人员测量的风险，为山区洪水监测提供现代化技术手段。

3.测流系统应用情况

非接触式雷达测流系统是在2013年9月份安装在坳下坪㈡水文站（集水面积86.4平方公里，属禾源水），在坳下坪㈡站已对收集3年多资料进行经对比分析，成果较好。为在其它特性的中小河流收集相关资料，于2016年底在彭坊水文站（集水面集122平方公里，属消河水）也安装该系统开展应用研究。

4.分析方法

为了便于分析，两个站的非接触式雷达测流系统设备都是安装在较稳定测验断面上，除特殊情况外，断面不易变化。所以本文重点将从水位和流量两方面进行分析。首先分析水位的测量精度是否能够满足《水位观测标准》的规定，然后对同时间点雷达波流量与LS25-3A型流速仪流量数据进行对比分析，将雷达波实测流量跟流速仪实测流量两者资料进行相对误差、系统误差、标准差和随机不确定度分析，通过计算得出结果是否符合《河流流量测验规范》要求的精度。

4.1水位分析

分别对坳下坪㈡水文站和彭坊水文站的水位展开分析。采用两种方法，方法1：彭坊站水位对比分析，任意隨机在某一时间段内选取两种水位计进行数据比测，比测数据在30次以上；方法2：坳下坪㈡站水位水位对比分析，在洪水测流时段两种水位数据进行比测。详见图1和图2。

图1选用的是彭坊站随机选择时段水位，经对比水位误差最大0.01米；图2选用的是坳下坪㈡站测流时段水位对比析，水位误差最大0.01米。从两种水位比测分析结果都符合GBJ 138—90《水位观测标准》规范要求，得到结果是可以采用雷达波实时在线测流系统中的水位，展开流量对比分析。

4.2流量对比分析

选择坳下坪㈡站和彭坊站都是在吉安地区中小河流中极具代表性的站点，其分别代表了2种河流特性：①彭坊站河床稳定，断面控制条件较好，水位流量关系比较稳定，多数年份为单一线。②坳下坪㈡站水位流量关系多年来一直是的多条临时曲线，自然过渡或内插过渡。

4.3误差分析

根据误差的特点和性质，误差可分为系统、随机和粗大误差3种。本文将LS25-3A型流速仪实测流量的时间摘录相同时间雷达波测量的流量值，通过两组流量值进行误差分析，将比测分析中的粗大误差（突出点）剔除，分别计算彭坊站和坳下坪㈡站的相对误差、系统误差、标准差和总不确定度，分析成果。

（1）彭坊站流量误差分析

彭坊站选用的雷达波和缆道流速仪法测验资料时间是从2017年6月1日到7月4日，测次共30次（全部为缆道流速仪法），其中中低水位级资料16次、高水位级资料14次；因为经历2个较大的洪水过程，且测次分布均匀和资料齐全，所以进行资料分析是具有代表性。通对LS25-3A流速仪和雷达波流量成果进行相关分析，绘制出回归直线图，通过分析找到相关关系为：y=1.1891x-11.384，相关系数0.9868。可以看出LS25-3A型流速仪与雷达波流量数据相关性较好，详见图3和图4。

通过30次流量成果的比测分析，找到他们之间的线性关系，再利用LS25-3A型流速仪实测流量定出水位流量关系曲线，进行误差评定。同时，计算雷达波单次实测流量与关系曲线的相对误差、系统误差、标准差和总不确定度。得到结果系统误差为：1.6%；总不确定度为6.18%。参照《河流流量测验规范》均匀浮标法单次流量测验允许误差标准的规定。

（2）坳下坪㈡站流量误差分析

随机选取坳下坪㈡站雷达波和缆道流速仪法测验资料时间是从2013年9月18日到2014年5月30日时段，测次共44次（全部为缆道流速仪法），因为时间跨度历时2年，经历多个较大的洪水过程，且测次分布均匀和资料齐全，所以进行资料分析具有代表性。详见图5和图6。

通过在坳下坪㈡站收集到的44次流量对比资料，对LS25-3A流速仪和雷达波流量成果进行相关分析，绘制出回归直线图，通过分析找到相关关系为：y=0.9771x+0.1568，相关系数0.9971。可以看出LS25-3A型流速仪与雷达波流量数据相关性较好。

5.结语

从非接触式雷达波测流系统在吉安地区中小河流的应用情况和资料对比分析，可以得到以下结论：该系统在吉安地区中小河流应用积累了一定的经验，在与坳下坪㈡站和彭坊站类似的河段上可以安装应用该系统，其可作为传统方法的补充和替代。在此地区推广应用该系统也较为成熟，它提高了测流的时效性，资料的完整性，预警预报时效性，尤其是它能够长期自动测量和数据输出的特点，实现了天然河道流量自动监测，从而进一步提高了水文测报的自动化水平。

（本课题来源于江西省水利厅科技成果重点推广计划项目，项目编号为GT201502）

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.水位观测标准规范：GBJ 138—90].北京：中国水利水电出版社， 2010：83-85.

[2]中华人民共和国水利部.河流流量测验规范：GB 50179-2015[S].北京：中国计划出版社，2016：85-86.

[3]钱学伟，陆建华.水文测验误差分析与评定[M].北京：中国水利水电出版社，2007：1-94.