定安水文站驱动式雷达波自动测流系统流量系数率定分析

杨再勇

（百色水文中心田林水文中心站，广西 百色 533300）

1 驱动式雷达波自动测流系统简介

（1）系统构成。驱动式雷达波测流系统是一种非接触式测流设备，测流不受河道漂浮物、滚石等影响。系统主要由测站设备、平台软件两个部分构成。测站设备包括简易缆道、雷达测速传感器、自动行车、测流控制器、太阳能供电系统和水位计等。平台软件主要接收测站设备的数据并保存，通过WEB 接口，用户可查看、下载、分析数据、远程修改测站参数、启动测流设备进行流量测验。

（2）测流原理。驱动式雷达波流速仪是根据多普勒雷达测速原理，对水流的表面流速进行测量[1]。悬挂于简易缆道上的自动行车携带雷达波测速传感器，每天定时沿缆道行走并停到指定的测流垂线上，逐一测量所有垂线的水面流速数据后自动返回停泊点，进行自动充电。所测流速通过电台的方式发送到RTU，并和RTU 采集的水位一起计算，从而得出流量。

（3）功能特点。利用雷达流速仪自动完成测流断面各设定垂线水面流速的自动监测。具有采集浮子、雷达和气泡式水位计水位信息的功能，可采用定时施测、增量加测、人工加测、低水位停测、低温停测等模式[2]，全天候（可在雨天、夜间）测流，全自动采集计算，可不直接接触和扰动（或破坏）水流结构可以实现自动精确监测，安全快捷。

2 基本概况

2.1 流域概况

定安水文站所在河流为驮娘江，驮娘江为右江干流的上段，发源于云南省广南县那伦乡听弄村，由南向北流，流入西林县境内的土黄村平那屯后，折转自西向东流，贯穿西林县腹地，在那劳镇的弄南屯附近出县境流入田林县的定安镇。全长180 km，主要支流有冷平河、西洋江等。流域地处亚热带季风气候，气候温和，雨量充沛。流域洪水由暴雨形成，每年的主要暴雨期4～9 月，6～9 月常出现台风型暴雨。

2.2 测站概况

定安水文站是驮娘江中游流域控制站，位于田林县定安镇渭密村，集水面积4424 km2，是国家重要一类基本水文站。该站于1957年设立，2009年1月1 日把定安（二）站往下搬迁约2 km，改为定安（三）站，2020年1月1日起增加泥沙测验，目前监测水文要素有水位、流量、泥沙、降水量等。洪水来源主要为暴雨洪水，以单峰型呈现，多年流量资料显示，水位流量关系相对稳定。

定安水文站测验河段顺直、河床稳定，主流稳定，河槽为“U”型，断面左岸右岸河床多为卵石及沙土，河床由砂砾石、细沙组成，河宽在60～70 m之间，冲淤不明显，河流断面高水无分流。本站设有基本水尺断面兼流速仪测流断面，基本水尺断面上下游100 m设置比降上下断面。定安水文站驱动式雷达波测流系统于2020 年11 月安装，安装位置在下比降断面（流速仪测流断面下游100 m）。

3 流量比测

3.1 比测仪器

采用驱动式雷达波测流系统与传统人工测流方法（包括L25-1旋桨式流速仪法及走航式ADCP法）。

3.2 比测方法

根据流量测验规范，转子流速仪在水文测验断面根据事先布设好的流量测深、测速垂线，借助水文缆道采用LS25-1流速仪一点法（0.6）进行流量测验，测速历时100 s，基本断面布设14 条测深、测速垂线。走航式ADCP 借用基本断面的缆道采集数据。驱动式雷达波测流系统借用流速仪断面水深计算虚流量。由于传统人工测流方法与驱动式雷达波法流量测验时间同步性不足，先建立传统人工测流方法实测流量的水位流量关系曲线，并对关系曲线进行检验。根据驱动式雷达波测流方法的平均测验时间在水情遥测平台中查出同一时间定安水文站水位数值，在检验合格的关系曲线上查读相应水位的流量作为比测的传统人工测流方法实测流量。采用检验合格的传统人工测流方法水位流量关系曲线上查读的同时间、同水位级流量与驱动式雷达波法实测虚流量进行相关性分析。

3.3 实测数据收集、处理

根据驱动式雷达波测流系统的使用条件，传统人工测流方法选取从2021 年5 月11 日至8 月30 日流速较大的测次，共13 次（其中旋浆式流速仪法9次，走航式ADCP 法4 次），传统人工测流方法实测流量成果见表1，建立水位流量关系曲线见图1，曲线检验成果见表2，按驱动式雷达波法测验平均时间的水位查读的相应流量作为比测的传统人工流量测验方法实测流量。传统人工测流方法分析样本中，实测最高水位382.94 m，对应流量164.00 m3/s，实测最低水位381.79 m，对应流量31.00 m3/s，实测水位变幅1.15 m。

图1 定安水文站传统人工测验方法实测水位流量关系曲线

表1 定安水文站传统人工测流方法实测流量成果表（13组）

依照《水文资料整编规范》（SL 247-2012）相关规定，一类精度站定线系统误差≤1%，随机不确定度≤10%（采用ADCP测流随机不确定度可增大2%；巡测站定线随机不确定度可增大2%～4%，故本次分析取随机不确定度≤10%）。由表2 可知，允许误差指标均满足《水文资料整编规范》（SL 247-2012）要求，可将测验平均时间的水位查读的相应流量作为比测的传统人工流量测验方法实测流量使用。

表2 定安水文站传统人工测流方法水位流量曲线检验计算表

驱动式雷达波法在2021 年5 月11 日至8 月30日时段内水位级381.79～382.97 m 测流数据共322组。按水位级随机选取22 组雷达波法实测数据并在水情遥测平台查出同一时间定安水文站水位数值，根据检验合格的传统人工流量测验方法水位流量关系曲线查读相应水位流量，详细资料见表3。

表3 定安水文站驱动式雷达波法实测流量成果表（22组）

933 944 924 990 883 872 871 988 870 869 7月28日14：35 7月29日08：00 7月28日0：00 8月15日08：00 7月21日0：00 7月19日08：00 7月19日07：35 8月14日09：30 7月19日06：00 7月19日04：00 1.71 1.70 1.70 1.76 1.79 1.76 1.82 1.80 1.85 1.89 382.37 382.41 382.43 382.49 382.61 382.69 382.77 382.81 382.90 382.95 146.0 148.0 150.0 172.0 177.0 182.0 196.0 203.0 214.0 226.0 382.37 382.41 382.43 382.49 382.61 382.69 382.77 382.81 382.90 382.97 86.6 91.0 93.2 99.8.0 114.0 124.0 133.0 138.0 152.0 162.0 000000000-0.02

4 相关关系分析

4.1 水位误差分析

对随机选取的22 次雷达波法测流时的水位值与水情遥测平台同时间查询的水位值进行比较。水位误差Δ的绝对值小于等于0.02 m为合格，比较结果水位差为0.01的有1次，水位差为-0.02 m的有1次，水位差为0的有20次，全部合格。水位误差对比图见图2。

图2 定安水文站雷达波法与水情遥测平台水位误差对比

4.2 雷达波法断面虚流量与传统方法实测流量的相关分析

以随机选取的22 组驱动式雷达波法实测的虚流量为横坐标，通过水情遥测平台查询与驱动式雷达波法实测流量的施测时间相同的水位值，以该水位值在检验合格的传统人工测流方法水位流量关系曲线上查读相应流量为纵坐标建立相关关系图（见图3）。通过对比分析，确定两种方法流量关系式为：Q传统人工=0.0 013Q2雷达虚＋0.4 293Q雷达虚－1.9 217。从图3 可以看出，传统人工测流方法与驱动式雷达波法实测流量点据呈明显带状分布，规律性好，无明显异常突出点据，相关系数R为0.9 951，表明两者之间相关关系非常密切。

图3 定安水文站传统人工方法流量与雷达波法流量相关关系图

4.3 相关关系检验

通过对22 个样本容量分析，标准差4.59%，随机不确定度9.17%，系统误差0，符号检验、适线检验、偏离数值检验均满足相关规范对一类精度站的要求[3]。检验成果表见表4。

表4 定安水文站比测水位流量关系曲线检验成果表

891 0 805 591 661 822 909 933 944 924 990 883 872 871 988 870 869 382.18 382.19 382.21 382.24 382.28 382.37 382.41 382.43 382.49 382.61 382.69 382.77 382.81 382.90 382.97 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22样本容量：N=22符号检验：u=0.21适线检验：偏离数值检验：|t|=0.95标准差：Se=4.59%66.0 67.0 69.2 72.4 76.8 86.6 91.0 93.2 99.8 114.0 124.0 133.0 138.0 152.0 162.0 119.0 121.0 114.0 118.0 128.0 146.0 148.0 150.0 172.0 177.0 182.0 196.0 203.0 214.0 226.0 67.6 69.1 63.9 66.8 74.3 88.5 90.1 91.7 110.4 114.8 119.3 132.2 138.8 149.5 161.5-2.33-2.98 8.27 8.32 3.33-2.11 1.01 1.61-9.58-0.69 3.96 0.63-0.57 1.68 0.31-2.33-2.98 8.27 8.32 3.33-2.11 1.01 1.61-9.58-0.69 3.96 0.63-0.57 1.68 0.31符号交换次数：11合格5.43 8.87 68.42 69.28 11.06 4.45 1.02 2.59 91.83 0.48 15.71 0.40 0.33 2.83 0.10正号个数：11允许：1.15（显著性水平a=0.25）免检允许：1.06（显著性水平a=0.30）随机不确定度：9.17%合格系统误差：0

5 结语

通过分析表明定安水文站驱动式雷达波测流系统可以投入生产应用。率定成果公式使用条件：水位范围381.79～382.97 m，雷达虚流速范围1.18～1.89 m/s。使用期间需加强已率定流量关系校测工作以及流量关系适用范围之外的比测率定分析工作。在水位低、流速小，特别是水面平静，河流表面波浪较小的情况下驱动式雷达波测流系统的流速传感器难以收集较为准确的流速，所以低水、流速小的情况下宜使用传统人工测流方法进行流量测验。