HS-L981D双轨式雷达波在金腰口水文站应用探讨

蒋伟文，毛天智，巫娟娟

（贺州水文中心站，广西 贺州 542899）

1 HS-L981D双轨式雷达波自动测流系统

1.1 系统概述

HS-L981D 双轨全自动雷达波自动测流系统采用Sommer 的RG-30 雷达传感器，主要采用微波对河流、泥浆、污水等表面流速进行测量，可应用于水文监测、防洪防涝、环保排污监测等领域。非接触式表面流速测量操作简单，仪器体积小、重量轻、功耗低，安装方便，不受污水腐蚀，不受泥沙影响，保障人员安全。不仅可以用于平时环境监测，而且特别适合承担急难险重的观测任务。双轨式雷达自动测流系统由雷达波流速仪、雷达运行车、测流控制及数据传输系统、自动在线充电系统、无线电台、太阳能供电系统、配套支架和中心站管理软件等组成。设备利用两根不锈钢钢丝绳做导轨，雷达波测速仪、传动电机、雷达测速控制器、锂电池和无线电台设备安装在雷达运行车内。雷达运行车悬挂在导轨钢丝绳上，安装在室内的系统控制器通过无线电台发送测流指令，控制雷达运行车运行到测流断面设定垂线上方，进行水面流速的自动测验，测流结束后，雷达运行车自动开回室内。同时，流量测次成果自动生成规范的流量成果表通过GPRS通讯模块发送至市局服务器。

1.2 功能特点

HS-L981D双轨全自动雷达波自动测流系统利用两根直径大于5 mm的304不锈钢钢丝绳做导轨，雷达运行车采用四驱动力，装载有雷达波测速探头、直流步进电机、雷达车运行控制器、锂电池、Zigbee模块等。

当RTU获得测试指令（定时测试指令或者手动加测指令），并根据当前的水位信息判断测试模式（高、中、低水位），通过Zigbee模块下发给雷达运行车，雷达运行车通过Zigbee模块收到相应的测试指令后控制电机运行，将雷达运行车运行到测流断面指定位置，启动雷达测速仪进行测量，并将位置信息反馈给RTU，当前垂线测试完成之后，雷达运行车将测试结果反馈给RTU，然后运行到下一条垂线。当所有垂线测试完毕之后，RTU会根据流速及断面参数计算出流量，通过GPRS 模块上传给服务端。当完成测流后，雷达运行车自动返回室内，并对准充电桩进行充电。

图1 HS-L981D双轨全自动雷达波安装示意图

1.3 系统设备组成

HS-L981D 双轨全自动雷达波在线测流系统由RTU、GPRS 模块，充电模块，太阳能控制器、太阳能板、铅酸蓄电池、充电桩、雷达测流小车等组成。

2 测站基本情况

2.1 测验河段基本情况

金腰口水文站设于2014年4月，位于贺州市八步区黄洞乡黄洞村，系大宁河支流都江河控制站，属区域代表站，集水面积164 km2。测验项目有：降雨、水位、流量。

金腰口水文站监测断面宽约50 m，河段顺直长约300 m，河槽形态呈“U”形。断面上游100 m处有水晶塘1级电站发电出水口，中低水影响流量测验。上游500 m 处有水晶塘1 级电站大坝，下游3 000 m 处是水晶塘2 级电站大坝，对测验断面中高水起着控制作用。多年流量资料显示，水位流量关系相对稳定。

2.2 断面变化

金腰口水文站自2014年建站至今，测验断面位置未发生变动，河床有卵石组成，无淤积现象，点绘近几年大断面图见图2。

图2 金腰口站断面情况

2.3 水位流量关系变化

分析金腰口站2017年以来的各年水位流量关系如图3 所示，水位和流量中低水跟水电站发电出水口出水量相差不大，可以建立较稳定的水位流量关系曲线。

3 雷达波自动测流系统比测情况

（1）比测仪器。利用走航式ADCP 和双轨式雷达自动测流系统进行比测。

（2）比测方法。采用走航式ADCP 和雷达波自动测流系统同步施测，雷达波自动测流系统借用基本断面水深计算虚流量。

（3）比测次数。HS-L981D 双轨式雷达波自动测流系统自2017年7月安装以来，经过数次调试参数设置，如雷达测验角度、测流垂线、远程数据控制参数等，所以2017-2018年的流量资料不做比测分析，本次分析采用2019年的比测成果进行分析。因受比测站点条件限制，如缆道用电不正常、高水水面浪涌太大导致走航式ADCP 测流信号丢失严重、双轨雷达电池供电不足等原因影响，比测工作开展不是很顺利，比测分析数据系列有所不足。为此，我们将比测资料分两个阶段进行分析，即雷达波与走航式ADCP比测数据分析和雷达波2019年每日8时自动测流水位流量数据分析。上述划分含高、中、低水测次，施测次数和水位变幅均基本满足开展相关分析需求。

图3 金腰口站双轨雷达断面虚流量与走航式ADCP断面流量关系图

4 雷达波与走航式ADCP的相关分析

4.1 流量相关系数分析

2019年双轨雷达测速仪与走航式ADCP 流量比测成果见表1。

表1 双轨雷达测速仪与走航式ADCP流量比测成果表

通过对雷达测速仪实测流量与ADCP实测流量进行分析，我们采用0.9 的经验系数乘以雷达测速仪实测流量计算出断面虚流量，并以雷达断面虚流量为纵坐标、走航式ADCP流量为横坐标，点绘同步比测流量的相关关系图（见图3），进行对比分析，求出关系式，绘制线型关系线，其公式为：y=0.9 554x+2.1 117，R2=0.9 916，相关关系接近于1，可见我们采用0.9的系数是合理的。

为分析雷达测速仪自动监测数据的稳定性，我们绘制了2019年每日8 时双轨雷达自动测流断面水位与虚流量关系图（见图4），从图4中可以看出，水位与虚流量关系点群呈带状分布，具有较好的相关关系。

然后把雷达波同步所测断面流量加入历年走航式ADCP流量进行定线，见图5。

水位流量关系曲线通过符号检验、适线检验、偏离数值检验，见表2。

图4 2019年每日8时双轨雷达自动测流断面水位与虚流量关系图

图5 历年流量测点及雷达测点水位流量关系曲线图

表2 都江河金腰口站水位～流量关系曲线检验计算表

5 结语

（1）金腰口站双轨式雷达波法虚流量与走航式ADCP 法断面流量呈良好的线性关系。根据《水文资料整编规范》（SL247-2012）3.3.2条采用雷达波法测流的二类精度水文站随机不确定度为12%，系统误差为±1%的要求，雷达波法水位流量关系定为单一曲线，满足规范要求。

（2）雷达波测流系统和走航式ADCP 两种方法的流量相关关系式为y=0.9 554x+2.1 117，相关系数R=0.9 916。相关关系密切，该站双轨式雷达波自动测流系统可以投入常规应用，特别是在应急大洪水时人员无法达到情况下的自动监测，具有安全可靠，省时省力，适合在全区测验断面稳定的测站推广使用。

（3）建议增加现场实时水位功能，以改进流量实时自动监测精度，更好适应在高水位条件下水面波浪大的工作环境。