博白水文站双轨全自动雷达波在线测流系统比测分析

苏楚雄

（玉林水文中心博白水文中心站，广西 博白 537600）

1 基本情况

1.1 测站、流域概况

博白水文站处于珠江流域桂南沿海水系南流江流域干流左岸，是流域中游代表控制站，该站位于博白县博白镇新仲村，水文站以上集水面积2805 km2，从1953年设立至今已有60多年历史。测验河段基本顺直，监测断面水面宽约为80 m，断面形态呈“U”形。水位48 m 以下左岸为浅滩，间或有死水。河床为砂质卵石，左岸为砂质土，右岸为红砂岩，上游150 m处河道弯曲，下游500 m处河道弯曲并扩展。低水时左岸出现浅滩，主流偏右岸。久旱无雨时，河道水生物较多。

博白水文站测验项目有降水、蒸发、水温、岸温、水位、比降，流量、含沙量、水质监测，流量为二类精度站。水位分级为高洪51.5 m 以上，中洪48.5～51.5 m，低洪48.5 m 以下。根据实测资料结果得出该站最高水位54.23 m、最低水位45.97 m，最大流量3000 m3/s、最小流量0 m3/s，最大流速为2.63 m/s。多年流量资料显示，水位流量关系相对稳定。

1.2 双轨全自动雷达波在线测流系统产品概述

1.2.1 系统原理和组成

双轨全自动雷达波在线测流系统用于河道流速和流量在线监测，根据设定时间自动完成测速垂线点流速测量，测试完成后自动进行流量计算；根据水位涨落幅度设定，当水位涨落幅度超过设定值时自动完成测速垂线点流速测量，测试完成后自动进行流量计算；远程实现流速、流量的在线测量。安装布置见图1。

图1 雷达波在线测流系统安装布置图

河道流速测量采用雷达流速仪测量，雷达流速仪采用多普勒效应原理测流体表面流速。在声学领域中，当声源与接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，回声的频率将有所变化，这种频率的变化称之为频移，即多普勒效应。当雷达流速仪与水体以相对速度V发生对运动时，雷达流速仪所收到的电磁波频率与雷达自身所发出的电磁波频率有所不同，此频率差称为多普勒频移。通过计算雷达发射固定频率的电磁波与接收被测流体表面反射回来的电磁波两者之间的频率差，经过相关计算得到流体表面的流速。雷达流速仪测量为非接触测量，可实现全天候在线监测。

雷达小车接收到命令后携带雷达流速仪到达流速测试点，测出该点流速，将流速数据通过无线通信方式发送给RTU控制器，RTU控制器实时将流速通过DTU设备发送到服务器。

雷达小车测试完成后，RTU 根据断面设置参数和修正后的流速数据（雷达流速仪测试表面流速转换为等效的断面流速），通过公式Q=SV计算出流量。计算流量通过DTU发送给服务端保存和查询，以及生成相关报表。

博白水文站双轨全自动雷达波在线测流系统硬件上由缆道、仪器房、雷达小车、流速仪、RTU 控制箱、充电桩、蓄电池等组成。缆道双轨雷达小车的运行轨道，垂直横跨测流河道。缆道为2根，缆道间距为310 mm，缆道长度大约为260 m，缆道采用5 mm不锈钢钢缆构成。

1.2.2 系统特点

根据水文发展趋势，以及大水文适应社会经济发展的需要，新增站点数量多，迫使水文测验走无人值守、远程遥测、实时在线、测、报、整自动化、通讯网络化等技术层面的大飞跃。本系统就是为解决水文目前存在的站点多且偏僻、交通不便、驻测不现实、巡测时效性不强、人力资源不够、测验和整编工作量大等诸多实际问题而开发的。系统主要有以下十大特点：①非接触式雷达波是最可靠的高洪测验手段，不受高流速、大量漂浮物、高含沙量影响，夜间、雨天也能正常测流；②测流方式符合《河流流量测验规范》（GB50179-2015）和《水文缆道测验规范》（SL443-2009），测流精度在5%左右；③自动行车结构、简单、可靠、易于维护、更换；④测站整套设备由太阳能板、蓄电池供电，可维持连续阴雨30 d 正常工作；⑤测站设备是一套完整的流量测验仪器，可独立工作，当GPRS网络中断时，测站人员可到现场操作，完成测验任务，获得流量数据；⑥彩色触摸屏界面简单易用，无需计算机即可实现流量测验全部操作，适合基层测站人员；⑦可配备ADCP 专用测流缆道，手动、电动双工操作，方便与ADCP比测，试验表面流速系数；⑧基于互联网的系统管理平合，水文中心和相关部门用户可在任何时候、任何地点上网查看数据；⑨基于水文站测验业务开发的中心水文站软件，可按《水文资料整编规范》（SL247-2012）进行测验数据分析、整编预处理，与整编软件无缝衔接，直接出符合水文整编成果报表；⑩所有测验数据保存于测站测流控制器，区（市）中心服务器和中心水文站计算机主处物理地址，互为备份。

2 比测目的和内容

博白水文站发生大洪水时，主河道漂浮物较多，采用常规流速仪测验方法及走航式ADCP 测验方法进行流量的测验较为困难，存在一定的风险，且站点人员偏少、工作强度大。2019年年初，博白水文站配备了全自动雷达波在线测流系统一套，为了分析全自动雷达波在线测流系统流量与原断面稳定流量的相关关系，充分发挥该系统无人值守、安全实用、实时监测的优势，采用LS25-1 旋浆式流速仪与全自动雷达波在线测流系统同时进行流量测验的成果进行对比分析。

3 全自动雷达波在线测流系统比测情况

（1）比测断面。博白水文站流速仪测流断面（基下30 m）见图2。

图2 2019年博白水文站流速仪测流断面（基下30 m）

（2）比测仪器。采用全自动雷达波在线测流系统和LS25-1旋浆式流速仪。

（3）比测方法。博白水文站自2019年6月3日起实行流量测验。方案为采用缆道流速仪测流流速与流量测验垂线，根据不同水位级来确定测速垂线，采用流速面积法计算流量，在旋浆式流速仪测速的同时，全自动雷达波在线测流系统也同步进行施测流速。

（4）比测次数。在6月～9月之间共进行了18次流量比测，其中，实测最大流量767 m3/s，相应水位49.52 m，最小流量40.5 m3/s，相应水位46.45 m，水位变幅3.07 m，属于中洪以下水位级，原始分析资料准确。详细比测资料见表1。

表1 2019年博白水文站雷达和缆道对比实测流量成果表

4 全自动雷达波在线测流系统系数分析

（1）分析方法。以同一水位LS25-1 旋浆式流速仪所测流量为纵坐标，全自动雷达波在线测流系统同步所测流量为横坐标点绘关系图，进行对比分析，求出关系式。

（2）相关系数分析。通过采用LS25-1 旋浆式流速仪实测流量与全自动雷达波在线测流系统实测流量进行曲线拟合，综合相关系数R=0.998，实测流量关系为幂函数关系，关系式为y=0.7 884x+24.256，即回归方程Q旋浆=0.7 884×Q雷达+24.256，线性关系见图3。

图3 博白站旋浆式流速仪流量与雷达波在线测流系统流量关系图

（3）关系线检验。根据雷达自身特点和原理，比较适用于中高水位测流，因此，本次采用平均流速大于1 m/s 的分析数据共14 组，进行水位流量关系曲线3种检验，结果见表2。

通过表2 的检验结果可以看出，系统误差为0.2%，标准差为5.7%，随机不确定度为11.4%。根据《水文资料整编规范》（SL247-2012）表3.3.2-1规定，二类精度站流量定线精度指标中，采用水力因素法的系统误差在±2%内，随机不确定度小于12%，因此，本次比测分析成果均满足规范要求。

5 合理性分析

（1）LS25-1 旋浆式流速仪实测流量与全自动雷达波在线测流系统实测流量符合幂函数关系，原始分析资料真实、计算准确、可靠性强；比测成果从18组数据中选取14组资料系列进行3种检验，成果满足规范要求，代表性较好，可以反映总体的流量关系情况。

（2）回归方程Q旋浆=0.7 884×Q雷达+24.256 的相关系数达到0.998，说明方程推算流量与实测流量成果高度相关。其使用条件在水位大于47.0 m以上，平均流速大于1 m/s以上；由于测流系统调试完成后进行比测的时间段，没有出现高水位的洪水过程，收集的比测资料无法有效涵盖高洪水位级，从资料的完整性和代表性而言，水位49.5 m以上以及水位47 m 以下、平均流速小于1 m/s 以下需要收集更多比测资料。

表2 博白水文站水位～流量关系曲线检验计算表

（3）雷达波在线测流系统平行安装在流速仪缆道测流断面上游25 m 处，河床稳定，河段顺直无支流汇入，垂线位置分布合理，对应的流速大小基本一致；高流速、大量漂浮物等各种缆道流速仪测验无法施测的情况下，雷达波在线测流系统可以很好地克服。

（4）全自动雷达波在线测流系统在使用过程中受外界因素影响较大，水位低、流速小、风速大的天气使用效果不佳，特别是水面过于平静，河流表面波浪较小，这种情况下反射波比较散乱，雷达波流速传感器很难收集到比较准确的流速。此时，雷达波测速传感器的量程会缩小，探头距离水面越近越好，一般来说，距离保持0.5 ～50 m、平均流速大于1 m/s 以上测速情况良好，否则测验的数据失真无法使用，应当研究通过技术手段，过滤筛选出虚假的数据，从而取得有效真实的数据。

6 结语

与缆道流速仪测验相比，全自动雷达波在线测流系统具有不受大洪水水面水内漂浮物、水质流态等影响，缩短测验历时、操作简便、连续性强、安全指数高等特点，它不但可以直接测出河流断面水面流速，而且可以通过软件处理，进行流量资料整编，可取得较高精度的流量成果。同时，其网络远程控制、设备电池连续工作时间长等功能的优点正是当前水文发展的新要求、新方向，解决偏远水文测站的落后监测方式，解放了劳动力；其定时测报、变幅加测等功能的灵活设置，让无人值守的水文测验模式成为可能，真正实现全自动监测。