移动雷达波测流系统在松柏水文站的应用

潘晓斌，胡辉华，陈端丹，卢向飞，崔 英，贺建国

（湖北省十堰市水文水资源勘测局，湖北 十堰 442000）

0 引言

松柏水文站位于神农架林区青阳河中游，为鄂西北汉江流域南岸小面积代表站，属山区暴雨洪水特性，暴涨暴落，断面以上流域面积为 104 km2，是国家二类精度基本水文站。因受地方基础设施建设影响，松柏水文站原缆道及铅鱼测流设施被拆除，造成中、高水流量测验困难，采用流速仪或 ADCP测流，因漂浮物多、流速大而极不安全。

移动雷达波测流系统（以下简称测流系统）适合大流速、高含沙量、多漂浮物的山区性河流测流，可在降雨、夜间、无交流电环境中正常工作[1]，要求测点位置范围内无突出水面随风摆动的植物影响，而松柏水文站测验河段顺直，水流流态稳定，左岸为混凝土护坡，右岸为人工块石浆砌护坡，河槽大致呈 U 形。因此，松柏水文站适合建设测流系统进行流量测验。

1 测流系统组成

松柏水文站测流系统由测站设备、服务器管理软件、中心水文站业务软件组成，具体结构如图 1 所示。

图1 松柏水文站测流系统结构图

1.1 测站设备

松柏水文站测流系统设备由简易缆道（本测流系统重新建设的简易过河缆道）、测流控制器、雷达流速传感器、自动行车、浮子式水位计、GPRS 无线模块、太阳能供电系统、附属传感器（风速、温度传感器及视频头等）组成。

测站设备按以下 4 种运行方式启动测流，获得当前流量：根据预设的时间间隔定时测流；根据预设的水位变率启动测流；由远程监控软件远程启动测流，需 GPRS 网络支持；GPRS 断网时，现场操作测流控制器启动测流。

测流系统测流工作原理如下：借助简易缆道，当测流系统自动行车移动到第1 条测速垂线后，流速测量探头根据计算机指令采集水面流速数据；自动行车依次自动移动到每条垂线进行测量，结合大断面资料计算出断面面积；在完成流速测量后，测流软件自动进行流量计算，并通过网络上传。测流系统流量系数（以下简称流量系数）K的确定是确保流量精度的关键，需专门进行比测率定。

流速测量探头技术指标如下：测速范围为 0.50～18.0 m/s；平均时间为 0～99.9 s；数据接口为RS-232；供电电压为 1～14 V；工作电流最大为400 mA；波束宽度为 12°；微波功率为 50 mW；微波频率为 34.7 GHz；工作温度为 –30～80℃。

测流系统的安装要求如下：测点位置应具有代表性，测点位置范围内无突出水面随风摆动的植物影响，测量距离在 0.5～35.0 m 范围内，安装高度高于历史最高水位以上 0.5～15.0 m 范围内；测流系统自动行车安装在简易缆道上，安装角度为 45°。

1.2 服务器管理软件

服务器管理软件接收测站发来的信息，存入流量测验数据库（区别于雨水情数据库）。市局服务器管理软件提供 Web 接口，用户可通过互联网查看测站数据，远程启动测站测流和修改测站参数。

登录服务器管理软件，可查看目前流域范围内水文测站的实时数据，包括：测站照片、断面形状、水位、流量、风速过程线、单次流量信息（每条测速垂线的起点距、测速时间、测时水位、测速历时、水面流速）、单次流量的流速分布图与断面形状对应图。

根据需要对测站历史数据进行查询，在对话窗口输入查询起止时间可以得到所需要的单次流量所有信息，使测站历史数据更加直观与全面。

可以对测站参数进行设置与修改，参数包括：水位采集、定时测流间隔时间，停测、报警水位，加测水位变幅，测速历时，岸边、水面系数，起点距零点位置及断面施测号等。还可以设置与修改断面资料，各垂线起点距与河底高程，并根据设置的断面反映出断面形状与图形。

1.3 中心水文站业务软件

1 个中心水文站管理数个测站。数据经 GPRS模块发送到指定的中心水文站，中心水文站人员通过互联网远程下载市局数据库中本中心站所辖的测站数据，在计算机上分析处理，生成符合水文规范的测站流量相关关系图表，包括水位-流量关系线（可以拟合曲线）、水位-流量过程线、水位-面积关系线、单次流速分布图和各种水文报表，可满足水文资料整编精度及水资源管理等要求，提高水文资料的时效性和准确性。用现代科技手段实现水文三大核心业务“测、报、整”升级换代，彻底摆脱传统水文从测验到整编手工作业方式，方便快捷，安全可靠，省时省力。

2 测流系统比测率定

2.1 目的要求

比测率定目的：通过流量比测分析松柏水文站不同水位级流量情况，率定流量系数，进行误差分析评判，验证测流系统能否满足精度要求，建立稳定的水位-流量关系，解决松柏水文站中、高水流量测验问题，实现流量实时在线监测和数据自动采集。

2.2 水位级划分

依据松柏水文站历史水位变化情况，将松柏水文站水位级划分为低水、中水、高水，其中：低水指水位在 879.50 m 以下，中水指水位在 879.50～881.50 m 之间，高水指水位在 881.50 m 以上。

2.3 质量控制

依照 SL/T 247—2020《水文资料整编规范》要求，定线精度中，二类精度水文站随机不确定度不大于 10%，系统误差不大于 ±1%[2]；依据 SL 195—2015《水文巡测规范》要求，二类精度水文站时段年径流总量允许相对误差不大于 3.0%，汛期径流总量允许相对误差不大于 3.5%[3]；根据 GB 50179—2015《河流流量测验规范》要求，二类精度水文站洪峰流量测验允许相对误差不大于 7.0%[4]。

2.4 资料审查

本次率定数据采集时间为 2019 年 5 月 10 日—11 月 1 日，对同期采用转子式流速仪人工实测得到的流量（Q人工，点）与测流系统所测的流量（Q雷达波，点）进行对比分析。

从 5 月 10 日开始进行流量比测，按照不同水位级布置测次，测次分布均匀合理，能够满足推求流量要求。采用转子式流速仪在基本水尺断面、基下100 m 处桥测断面人工实测流量，5—10 月人工实测流量 40 次，Q人工，点变幅在 0.396～54.3 m3/s 之间，水位变幅在 878.78～879.97 m 之间，属于中、低水位级。40 测次比测结果，满足定线要求，并无明显的系统偏离。

对Q雷达波，点进行资料审查主要从水位-流量、水位-面积、水位-流速、水位-水面宽、水位-平均水深等关系方面分析，均分布合理。

对于少数突出点进行分析，主要原因如下：1）人工实测水位与浮子式水位计自记水位不同步，当水位涨落急剧时，自记水位滞后，与人工实测水位存在误差；2）水位达到 879.20 m 时，在漫滩或枯水期水深较小时，固体物对雷达波的影响较大，造成测速误差较大。

通过筛选，舍弃测流系统中自记水位与人工实测水位不同步测点偏离的测次流量，选取人工实测与测流系统施测同步的，单次流量合理的 32 次流量比测资料进行分析。

2.5 Q人工，点 - Q雷达波，点 关系建立

选取松柏水文站筛选流量合理的 32 次Q人工，点与Q雷达波，点同步比测资料，计算单次点对点的流量系数K点（Q人工，点和Q雷达波，点比值），建立Q人工，点-Q雷达波，点

相关关系，关系曲线如图 2 所示。

图2 松柏水文站 Q人工，点 - Q雷达波，点 关系曲线图

从图 2 可以看出：Q人工，点与Q雷达波，点相关关系较好，相关系数为 0.994 9。松柏水文站水位-流量系数（Z-K点）关系曲线图如图 3 所示。

图3 松柏水文站 Z - K点关系曲线图

从图 3 可以看出：Z-K点关系曲线相关系数为0.906 0，关系点子群在 879.34～879.60 m 之间偏离较大，K点在 0.32～0.96 之间，拟合的关系曲线不尽完美，主要是率定时单次流量存在随机误差，Z-K点关系曲线虽然有一定的相关趋势，但各点分布误差较大。

2.6 流量系数确定

为消除单次流量的随机误差，选用水位-流量关系曲线同步水位法确定流量系数。用 5—10 月人工实测流量和测流系统所测流量，分别通过点群中心建立人工实测水位-流量关系曲线（如图 4 所示）和测流系统施测水位-流量关系曲线（如图 5 所示），选取不同水位级的水位-流量关系曲线上对应的流量（Q人工，线或Q雷达波，线），率定流量系数K线，消除随机误差。

图4 松柏水文站人工实测水位-流量关系曲线图

图5 松柏水文站测流系统施测水位-流量关系曲线图

人工实测流量资料采用临时曲线法整编，测流系统所测流量资料采用连实测流量过程线法整编。测流断面因受洪水冲淤影响，水位-流量关系形成2 个分布带，时段 1 关系曲线与时段 2 关系曲线之间采用自然过渡，流量采用临时曲线法推求，与历年水位-流量关系曲线一致，经分析定线合理，精度可靠。

绘制 5—10 月测流系统整编的水位与流量过程线对比图，如图 6 所示，可以看出测流系统的流量过程线与水位过程线基本吻合。

图6 松柏水文站水位与流量过程比较图

选取松柏水文站人工实测水位-流量关系曲线对应的流量值，与测流系统施测水位-流量关系曲线对应的流量值，计算流量系数K线，计算公式如下：

式中：K线为不同水位级流量系数；Q人工，线为图 4 中线上相应水位对应流量；Q雷达波，线为图 5 中线上相应水位对应流量。

松柏水文站不同水位与K线建立的Z-K线关系曲线如图 7 所示。

图7 松柏水文站 Z-K线 关系图

从图 7 可以看出点群集中成带状，关系曲线拟合较好。根据Z-K线关系线型分析，K线变化符合测流系统测流时受水流变化的特性：低枯水时水流流速小，水面波纹小，河底固体物对雷达的回波影响较大，流量系数变化较大；中、高水时水面流速大，波浪大而稳定，所以雷达波回波也稳定，K线趋于稳定。因此，选用由水位-流量关系曲线同步水位法率定的流量系数，合理可行。

2.7 误差分析

为进一步验证测流系统施测的流量资料及分析的流量系数的可靠性与合理性，对人工实测和测流系统施测的流量进行资料整编，计算统计各时段径流量、洪峰流量及其误差，统计表如表 1 所示。通过年径流量、汛期径流量和洪峰流量成果误差分析可以得出，测流系统施测的流量资料能够满足水文资料整编精度要求。

表1 松柏水文站时段径流量及洪峰流量误差统计表

3 结语

测流系统具有安装简便、日常运行成本低、维护少、安全快捷、实用等优点，对外界抗干扰能力强，具有较好的适应性；雷达波流速测量探头采用非接触式移动测量测验模式，避免了水流流速、漂浮物、高泥沙的影响；配套设施设备安装牢固，电缆线做防水处理，测流系统操作简便，实测大洪水更安全、高效、便捷，解放了水文站生产力；流量数据经 GPRS 模块发送到指定的中心水文站，计算机分析处理后生成各种水文报表，简洁明了，利用测流系统测得的流速、流量、水位等数据进行水文资料整编，减少了数据二次录入引起的可能错误，提高了水文资料整编质量和工作效率[5]。

测流系统测量的水面流速经率定后推算的断面流量精度较高[6]，水位-流量关系曲线定线精度符合SL/T 247—2020《水文资料整编规范》要求；时段年、汛期径流量系统误差符合 SL 195—2015《水文巡测规范》二类精度水文站要求；洪峰流量符合 GB 50179—2015《河流流量测验规范》二类精度水文站要求[7]。

当松柏水文站测流系统测流断面平均水深大于0.3 m 时，采用流量系数K修正后的流量，建立水位-流量关系曲线推求流量；当平均水深小于 0.3 m时，采用人工实测流量，建立水位-流量关系曲线，以满足水资源管理生态流量监测需求。

为消除洪水冲淤因素的影响，建议对测流系统测流断面做硬化处理（18 m × 30 m），以保证测流系统水位-流量关系稳定。